靜止同步�(bǔ)償器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)是柔性交流輸電系�(tǒng)(Flexible AC Transmission System,F(xiàn)ACTS)的核心裝置和核心技�(shù)之一。采用新一代的電力電子器件,如:門(mén)極可�(guān)�晶閘�(GTO),絕緣柵雙極�晶體�(IGBT),集成門(mén)極換向晶閘管(IGCT),并且采用現(xiàn)代控制技�(shù),其在電力系�(tǒng)中的作用是補(bǔ)償無(wú)�,提高系�(tǒng)電壓�(wěn)定性,改善系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)��(wú)功補(bǔ)�裝置相比,STATCOM具有�(diào)節(jié)連續(xù),諧波小,損耗低,運(yùn)行范圍寬,可靠性高,調(diào)節(jié)速度快等�(yōu)�(diǎn),自�(wèn)世以�(lái),便得到了廣泛關(guān)注和飛速發(fā)展�
從理論上可以將靜止同步補(bǔ)償器分為電壓源型和電流源�。就其電路結(jié)�(gòu)�(lái)�(shuō),電壓源型靜止同步補(bǔ)償器直流�(cè)并聯(lián)有大電容,保證在持續(xù)充放電或器件換向�(guò)程電壓不�(huì)�(fā)生很大的變化,橋�(cè)串聯(lián)電感,而電流源型靜止同步補(bǔ)償器則是直流�(cè)串聯(lián)大電�,保證在器件換向或充放電器件電流不會(huì)有大的波�(dòng),橋�(cè)并聯(lián)電感。如圖所示�
在實(shí)際應(yīng)用中,常用的大容量靜止同步補(bǔ)償器采用的基本都是電壓源型結(jié)�(gòu)。但是可以將SVG控制為電流源�(lái)�(jìn)行無(wú)功補(bǔ)��4提出了一種新的靜止同步補(bǔ)償器控制策略即采用電壓控制電流源(VCCS)的策略和改�(jìn)的電壓控制電壓源(VCVS)的策略來(lái)�(bǔ)償電力系�(tǒng)公共連接�(diǎn)(PointofCommonCoupling,PCC)電壓不平衡,特別是在較小容量�(shí)采用VCCS方式將能�(dá)到的�(bǔ)償效��
按構(gòu)成基本單元逆變器模�,可以將靜止同步�(bǔ)償器分為單相橋二電平,三相橋二電�,三相橋多電平。在大容量高電壓等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合中,往往需要將多�(gè)低壓小容量變換器通過(guò)變壓器耦合(即多重化)或采用變壓器在交流輸入輸出側(cè)�(jìn)行升壓或降壓,這樣�(huì)�(chǎn)生耗能、諧波含量大、系�(tǒng)效率低等缺點(diǎn)。而多電平變換器開(kāi)�(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力小(如三電平變換器每�(gè)�(kāi)�(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力是二電平的一�),諧波含量少,損耗降�,因此在大容量場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用和�(fā)��
按構(gòu)成元器件,可以將靜止同步�(bǔ)償器分為GTO�,IGBT型,IGCT�,SCR型,GTR�,MOSFET�。基于功率變換的FACTS�(shè)備一般都采用全控型器�,主要是在GTO、改�(jìn)型GTO(IGBT、MTO、ETO�)�(HV)IGBT等器件中選擇。國(guó)際上�(gè)采用GTO作為逆變器功率器件的靜止同步�(bǔ)償器,是由美�(guó)EPRI與西屋電氣公司研制的,容量依1Mvar。我�(guó)�20MvarSTATCOM和日本關(guān)西電力系�(tǒng)Inuyama�(kāi)�(guān)站依80MvarSTATCOM均是采用GTO作為功率器件�。IGBT適用于小容量�(chǎng)合,由ABB公司研制的配電STATCOM(DistributionSTATCOM,D-STATCOM),開(kāi)�(guān)器件采用多�(gè)IGBT串聯(lián)�
按電壓等�(jí),可以將靜止同步�(bǔ)償器分為高壓輸電�(wǎng)�(bǔ)償和低壓配電�(wǎng)�(bǔ)償。在高壓輸電�(wǎng)中靜止同步補(bǔ)償器需要通過(guò)變壓器連接到電�(wǎng)�。在低壓配電�(wǎng)中,通過(guò)電抗器并�(lián)或直接并�(lián)電網(wǎng),即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是將橋式電路通過(guò)電抗器或直接并聯(lián)在電�(wǎng)上,適當(dāng)�(diào)節(jié)電路交流�(cè)輸出電壓的幅值或相位,或者直接控制其交流�(cè)電流就可以使該電路系�(tǒng)收獲�(fā)出滿足要求的�(wú)功電流,從而實(shí)�(xiàn)�(dòng)�(tài)�(bǔ)償無(wú)功的目的。另外可以通過(guò)脈寬�(diào)制采用特定諧波消除的方法�(lái)消除特定諧波�
根據(jù)控制物理�,可以分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制技�(shù)就是采用跟蹤性PWM控制技�(shù)�(duì)電流波形的瞬�(shí)值�(jìn)行反饋控制,直接指令電流的發(fā)�,結(jié)�(gòu)�(jiǎn)�,電流調(diào)節(jié)響應(yīng)�,對(duì)擾動(dòng)的魯棒性好,但是只適用于中小容量場(chǎng)�,對(duì)于大容量�(chǎng)合具有很大的局限性。間接電流控�,是通過(guò)STATCOM逆變器交流電壓極薄的幅值和相位,來(lái)間接控制交流�(cè)電流,簡(jiǎn)單易�(shí)�(xiàn),但�(dòng)�(tài)性能欠佳,適用于大容量STATCOM�
為了減少諧波,在間接電流控制中可以采用多重化、多電平或者PWM技�(shù)�(lái)改善波形�
STATCOM裝置主電路設(shè)�(jì)的多重化和鏈?zhǔn)浇Y(jié)�(gòu)是提高容量的常用技�(shù)。多重化�(jié)�(gòu)就是用幾�(gè)單相或三相逆變器產(chǎn)生相位相差若干度的方波電�,用變壓器將不同相位的方波電壓串�(lián)在一�,可以有效的提高容量與電壓,減少諧波,但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很多�(wèn)�,諸如價(jià)格昂�,增加了裝置損耗和占地面積,并且變壓器的鐵磁非線性特性也給設(shè)�(jì)帶來(lái)了困�。由ALSTOM公司為英�(guó)�(guó)家電�(wǎng)公司研制的依75MvarSTATCOM采用了新型鏈?zhǔn)浇Y(jié)�(gòu),摒棄了笨重的多重化變壓�。鏈?zhǔn)絊TATCOM各逆變橋直流電容器是相互獨(dú)立的,存在電容電壓不平衡�(wèn)�,混合型損耗差�、并�(lián)型損耗差異以及輸入脈沖延�(shí)的不同是造成電容電壓不平衡的主要原因。通過(guò)�(diào)節(jié)逆變橋與系統(tǒng)間的相位差,通過(guò)�(diào)節(jié)各逆變橋調(diào)制比都可以實(shí)�(xiàn)電容電壓平衡。圖1和圖2分別是鏈?zhǔn)胶投嘀鼗Y(jié)�(gòu)的原理圖�
從控制策略上講可以分為開(kāi)�(huán)控制,閉�(huán)控制,以及這兩種的混合控制。通常從控制上講是電壓�(huán)以及電流�(huán)。文�(xiàn)中STATCOM的控制是基于SVPWM的電壓電流雙�(huán)控制,利用鎖相環(huán)(PLL)和低通濾波器(LPF)檢測(cè)�(fù)載電流中�(wú)功電流的大小,通過(guò)dq變換�(shí)�(xiàn)STATCOM�(wú)功電流和有功電流在dq平面的解耦控�。同�(shí),直流電壓外�(huán)控制器輸出耦合到有功電流控制環(huán)路實(shí)�(xiàn)直流電壓�(wěn)壓控��
從控制技�(shù)角度�(lái)�(shuō)有PI控制方法,PI逆控制方�,魯棒自適應(yīng)控制,遞歸神�(jīng)�(wǎng)�(luò)自適�(yīng),滑模變�(jié)�(gòu),模糊控制方�。其中魯棒自適應(yīng)控制方法,模糊控制系�(shù)選擇困難;神經(jīng)�(wǎng)�(luò)自適�(yīng)方法不依賴于系統(tǒng)模型的建�,但�(shí)�(shí)性不�;滑模變結(jié)�(gòu)線性化困難。在�(shí)際應(yīng)用中還是以傳�(tǒng)的PI控制居多。提出了一種無(wú)源性控�(PBC)方法,建立了STATCOM的歐拉—拉格朗日系�(tǒng)模型,引入非線性規(guī)劃的變尺度法�(jìn)行優(yōu)化�
為了�(dá)到更好的�(bǔ)償效�,可以將傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置與STATCOM�(lián)合運(yùn)行控�,從而避免STATCOM為了獲得理想的輸出電流波�,致使開(kāi)�(guān)器件隨著�(bǔ)償電流增�,開(kāi)�(guān)損耗增�,效率降低的�(wèn)�。混合靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器(HSTATCOM),基于無(wú)差拍控制(根據(jù)其狀�(tài)方程和輸出無(wú)功電流的�(yù)期值計(jì)算出下一�(gè)�(kāi)�(guān)周期的脈沖寬�),利用有源與�(wú)源補(bǔ)償相�(jié)合的方法,無(wú)源部分使用TSC作為主要�(bǔ)償手段,不產(chǎn)生諧�,損耗小;利用有源�(bǔ)償實(shí)�(xiàn)了補(bǔ)償電流的連續(xù)�(diào)節(jié),可以雙向連續(xù)�(diào)節(jié)�(wú)�。文�(xiàn)提出了一種新型SVC與STATCOM�(gòu)成的混雜裝置以及基于模糊�(yù)�(cè)的聯(lián)合運(yùn)行方�,即利用小容量STATCOM抑制閃變配合大容量SVC�(bǔ)償無(wú)�,避免了STATCOM采用不對(duì)稱控制時(shí)出現(xiàn)的算法復(fù)雜等�(wèn)�。聯(lián)合控制運(yùn)行方式算法簡(jiǎn)�,控制目的明�,但其結(jié)�(gòu)可能�(fù)�,所以在特定�(lǐng)�?qū)�?huì)得到�(fā)��
STATCOM大體上分為電壓源型和電流源型,在�(shí)際應(yīng)用中大多使用電壓源型(采用電壓型變換器Voltage-sourcedinverter,VSI)。圖用以�(jiǎn)單說(shuō)明基于VSI的STATCOM的工作原��
如圖所�,STATCOM的主電路�(jié)�(gòu)由直流側(cè)大電容和基于電力電子器件的VSI組成,通過(guò)連接電抗接入電力系統(tǒng)。圖�,U1是在理想情況�(即忽略線路及STATCOM的損�)將STATCOM的輸出等效為一�(gè)可控電壓�,US是系�(tǒng)�(cè)等效成的理想電壓�,且兩者相位一致。當(dāng)U1躍US�(shí),從系統(tǒng)流向STATCOM的電流相位超前系�(tǒng)電壓90毅,輸出容性無(wú)�;同樣�(dāng)U1約US�(shí),從系統(tǒng)流向STATCOM的電流滯后系�(tǒng)電壓90�,輸出感性無(wú)�。當(dāng)U1=US�(shí),系�(tǒng)與STATCOM之間的電流為�,兩者之間沒(méi)有無(wú)功的交換。這是在理想情況下的工作狀�(tài),事�(shí)�,US和U1一般具有一�(gè)角度差啄,通過(guò)控制US和啄就可以調(diào)節(jié)STATCOM�(fā)出或吸收�(wú)功的大小�
STATCOM概念�20世紀(jì)80年代提出,實(shí)際應(yīng)用主要集中在90年代,主要應(yīng)用的有日本的�80Mvar(1991�),美�(guó)�100Mvar(1995�),丹麥基�4500/3000AGTO的依8Mvar(1997�)的STATCOM。由于STATCOM技�(shù)含量較高,掌握并�(yīng)用這一技�(shù)的主要有日本、美�(guó)、德�(guó)、英�(guó)、中�(guó)等國(guó)�。我�(guó)首臺(tái)�20Mvar的STATCOM是由清華大學(xué)與河南省電力局�1994�1999年共同研�,已�1999�3月在河南省洛�(yáng)市朝�(yáng)變電站投入運(yùn)�。對(duì)于這一技�(shù),在2007年由湖南大學(xué)的羅安等人就基于STATCOM與SVC的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器協(xié)�(diào)控制方法、由郭育華等人就STATCOM的控制方法申�(qǐng)了國(guó)家專��
STATCOM的應(yīng)用工程通常具有:在電力半導(dǎo)體器件選用上,絕大多�(shù)是基于GTO和IGBT�;在主電路�,大容量高壓STATCOM主要采用變壓器耦合多重化技�(shù),中低容量和電壓的DSATCOM較多采用三電平和/或PWM變換�;基本采用VSC;系統(tǒng)控制目標(biāo)多樣�;大容量STATCOM多采用水冷方式等特點(diǎn)�
�(jù)不完全統(tǒng)�(jì),自�(tái)大容量STATCOM裝置�(wèn)世以�(lái),全世界已經(jīng)投入�(yùn)�(yíng)的大容量(10MVar及以�)STATCOM工程超過(guò)20�(gè),總的可控容量超�(guò)3000Mvar。它們有的安裝在輸電�(wǎng)�(luò)中用于潮流控制、無(wú)功補(bǔ)償和提高系統(tǒng)�(wěn)定性等,屬于FACTS范疇;有的安裝在配電和用電�(wǎng)�(luò),用于改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性,屬于用戶電力范疇,即用戶電力控制器的D-STATCOM。表1給出了部分工程應(yīng)用的基本情況,說(shuō)明了自STATCOM�(wèn)世以�(lái)的發(fā)展情�,這只是一少部分,可以看到,STATCOM主電路從最初的�(kāi)�(guān)器件耦合,逐步�(fā)展為多�(gè)�(kāi)�(guān)器件串聯(lián)使用,結(jié)合VSI,采用NPC�(jié)�(gòu),并且用PWM�(jìn)行控�,從而使STATCOM裝置具有更加�(wěn)定與�(yōu)良的性能�
維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��
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