4静止无功补偿技术_STATCOM

主要内容无功补偿技术的发展 静止无功补偿器（SVC ）技术 静止同步补偿器（STATCOM ）技术一、无功补偿技术的发展补偿方式——动态补偿/静态补偿：是从补偿原理上来讲的。

动态补偿是指补偿电流能自动跟随负荷无功电流的变化而连续变化；静态补偿是指补偿容量在相对比较长的一段时期内（譬如1min以上）是固定不变的。

补偿装置——静止补偿器/机械开关式补偿器：是从补偿装置的调节机构来讲的。

静止补偿器（装置）是指补偿装置的调节机构中没有机械运动部件，譬如SVC、SVG、STATCOM等。

一般而言，静止补偿器属于动态补偿。

两个基本概念⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧有源型无源型按原理划分串联型并联型按结构划分基本类型无功补偿装置的基本类型无功补偿技术的进展慢速无功设备快速无功设备第一代机械开关投切断路器延迟MSC/MSR晶闸管相控开关第二代2 -3 周波SVCPWM 调制开关GTO, IGBT, IGCT第三代1-2 周波STATCOM无关有关有关有关补偿性能与系统阻抗较小较高无负荷时较小无负荷时较高功率损耗小大无无谐波发生量平滑调节平滑调节有级投切有级投切补偿方式快较快快慢响应特性+Q LD ~ -Q LD+Q LD ~ -Q LD Q LD ~0Q LD ~0补偿范围Q VSI = Q LDQ C =Q L =Q LDQ C = Q LD Q C = Q LD 额定容量GTO、IGBT 晶闸管晶闸管接触器、断路器开关器件STATCOM TCR型SVC TSC型SVC FC 固定电容器项目无功补偿装置技术性能的比较DSTATCOM 的特点z响应时间快。

受电容器放电时间所限制，自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟；SVC的响应时间约为20~100ms；STATCOM装置补偿响应时间可达5ms以内，真正实现动态补偿。

抑制电压闪变或跌落。

STATCOM装置可以有效的抑制电压闪变或跌落。

z 连续补偿，功率因数接近于1.0。

z 不会产生谐波放大现象。

可应用于谐波问题较为突出的地方，如使用变频器、感应加热电源、可控电阻炉、电解电镀整流电源的配电系统中。

z可以发出容性无功，也可产生感性无功。

既可用在感性负荷场合，还可用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。

z输出无功不受电网电压高低的影响。

而电容器投切型或SVC的无功均与电压平方成正比，电压低时，无功输出大幅下降。

z必要时可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。

z轧钢机、电焊机等冲击性负荷供电系统。

DSTATCOM可以动态补偿快速变化的无功功率，抑制配网电压波动和闪变。

z谐波较大的配电系统，譬如交直流电机调速系统、感应加热电源、可控电阻炉、单晶炉、电解电镀整流电源的配电系统，DSTATCOM可以稳定补偿快速变化的无功功率，并防止电网谐波放大。

z大量使用计算机等电子设备的配电系统，电子设备群产生严重的谐波干扰，常规无功补偿设备极易引发谐波放大，烧毁补偿设备。

譬如半导体材料加工企业、机场调光设备配电所、写字楼、大量采用节能灯的公共建筑等。

z对无功补偿精度要求较高的场合。

DSTATCOM 的应用场合全世界现已投产的STATCOM国家容量器件电路结构时间日本东京新信浓电站50MVAGTO 不详1992美国田纳西州沙利文电站100MVA GTO 变压器耦合1995美国肯塔基州艾内茨电站160MVA ，两个并联GTO 三电平结构、变压器耦合1997丹麦ELSAM/Rejsby Hede(配电)8MVA GTO 三电平结构，变压器耦合1998英国白金汉郡克雷顿电站75MVA GTO级联型1999美国华盛顿州Seattle 钢铁公司5MVA IGBT 不详2000美国－墨西哥交界36MVA IGBT 三电平结构2000美国Marcy 电站±100MVAGTO 三电平结构，变压器耦合2000美国Essex 电站+133/-40MVA GTO不详2001美国纽约Oakdale 电站200MVAGTO三电平结构，变压器耦合2001国家容量器件电路结构时间Alston、英国国家电网公司±75MVA（每相16链，2个冗余）GTO链式2002Alston、康涅狄格州±75MVA(每相15链，1个冗余)，2个并联，共150MVA IGCT或GTO 链式2003日本富士电气日本中央铁路公司60MVA(2个30MVA并联)3个IGBT串联变压器耦合2003瑞典ABB、德州Austin ±100MVA，32kv输出32个IGBT 串联三电平结构2004美国 4.5MVA（实验样机）ETO链式2006日本炼钢厂31.5MVA（3个10.5MVA的组成）IECT 变压器耦合2007中国上海±50MVAIGCT 链式2008瑞典ABB 95MVA与其他配合共110MVA IGBT串联三电平2009韩国100MVA（2个并联）IGCT、三电平结构变压器耦合2009英国AREVA T&D公司±72MVA(36个并联、系列化产品)不详变压器耦合2009二、DSTATCOM 的技术路线路线1IGBT器件串联＋2/3电平拓扑＋高频PWM控制路线2H桥级联＋多电平＋工频脉冲宽度控制三角形连接的三相两电平方案三角形连接的三电平方案（每相）1.两电平方案：控制简单，谐波偏大。

2.三电平方案：控制相对复杂，谐波相对较小。

三角形连接的级联多电平STATCOM+_+_+_+_+_+_三、DSTATCOM 的工作原理1 STATCOM的等效电压源特性设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压•与电源电压同步（频率相同）•幅值可调•相位可调（以电源电压为参考）＝同步发电机2 STATCOM的四象限运行区间X U U P VSI S δsin =()XU U U Q VSI S S δcos −=jXU U IVSI S &&&−=*I US &&⋅=3 STATCOM的理想运行区间0=P ()XU U U Q VSI SS −=0=δ 4 STATCOM的实际运行区间XU U P VSI S δsin =()XU U U Q VSI S S δcos −=°±=5~0δ四、DSTATCOM 的控制策略X U U QU PS VSIVSI−=∂∂=∂∂→→000δδ0020=∂∂≈=∂∂→→δδδδQX U X U U PS VSI S XU U P VSI S δsin =()XU U U Q VSI SS δcos −= 1 主要控制规律结论•δ⇒有功功率•U VSI ⇒无功功率运行条件•δ=[-5°~+5°]•U VSI = (1±20%) U S ⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧=→⎪⎩⎪⎨⎧→→→δδλδδλ自励控制，调节他励控制，恒定，调节自励控制，调节＝他励控制，恒定，调节调节调节无功or oror 0U 0U U dc dc VSI 2 因果关系⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧→→→⎪⎩⎪⎨⎧→→调节无功调节稳定调节双变量控制（自励）调节（他励）调节单变量控制控制方法λδδλand or dcU DSTATCOM 3 控制方法4 他励方式下的单变量控制策略5 自励方式下的单变量控制策略6 双变量控制策略7 基于滞环比较的直接电流控制策略8 基于三角波比较的直接电流控制策略五、DSTATCOM的参数估计STATCOM系统的工作参数除了交流电源的参数和本身的额定容量外，主要有两个：控制角δ和直流侧电压。

1 STATCOM的有损模型δδsin sin R U I IRU SS =⇒=()22sin )sin (δδR U P IU P S S =⇒⋅=)2sin(2)cos (2δδRU Q IU Q SS =⇒⋅=RXR X U U S VSI δδδ+≈+=1sin cos ()RX U U U S S VSI δδsin cos +=NS base U U .=NSTATCOM base Q S .=basebase baseS U Z 2=交流侧dcV VSI U k U =()δωλ+=t U u dc VSI sin 23直流侧？base Vdc base U k U 1.=2 标幺化模型的基准选择2**1δRP =δ**1R Q =δδ****11RXR X U U VSI dc +=+==直流侧()2**sin 1δR P =()δ2sin 21**R Q =简化交流侧3 标幺化模型2**1δR P =δ**1RQ =11**==N N Q Rδ2**1N NRP δ=**NN N R P ==δ输出额定无功时譬如：X *=0.2，X /R =5⇒R *=0.04⇒δ=2.3°，P N *=4%额定损耗决定了δ的范围！4 STATCOM参数估计——控制角范围δ**1R Q =1*0.=dc U 0000=⇒=δQ 零无功输出时连接电抗决定了直流电压⇒逆变电压⇒无功的输出范围！δ***1R X U dc +=()()***1~1X X U dc +−=δ***0.**R X U U U dc dcdc−=−=Δ**.*X U R Ndc N ±≈Δ⇒=δ增量5 STATCOM参数估计——直流电压范围STATCOM 系统的参数主要有两个：滤波电抗器和直流侧电容器。

其中，滤波电抗器对系统设计和运行性能有着全面而显著的影响。

六、DSTATCOM 的元件选择(1)滤波电抗器对系统结构的影响：¾滤波电感越大，额定无功输出时的直流电压越高，对直流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高。

¾由于器件耐压水平的限制，增大电感可能会导致逆变器结构的变化或增大装置结构的复杂程度。

()()***1~1X X U dc +−=1 滤波电抗器的选择例：设三相桥式逆变器结构，电源电压380V ，调制深度λ=0.9，直流电容为2200uF ，采用SPWM 控制，则空载直流电压为690V 。

¾取X*=0.2，则U dc.N =828V ，每个桥臂采用1只1600V 耐压的IGBT 器件，直流侧需要2串2并共4只2200uF/450V 电容器；¾取X*=0.5，则U dc.N =1035V ，每个桥臂需要采用2只1200V 耐压的IGBT 器件串联，直流侧需要3串3并共9只2200uF /400V 电解电容器。

(2)滤波电抗器与STATCOM 的谐波发生量：在PWM控制方式下，逆变器输出电压为双极性PWM脉冲波形，含有基波电压分量和高次谐波成分。