电压源变流器型静止同步无功功率补偿器（STATCOM）工作原理分析

1.基本工作原理

全控型开关器件三相电压源型变流电路采用PWM控制，可输出电压大小、频率及相位均可控的三相交流电压V_i。将变流器的输出电压经电感L（电抗X）接至三相交流电网，如图5-19a所示。控制6个开关器件使变流器交流侧输出电压的频率f_i等于电网电压频率f_s，调控变流器输出电压V_i与交流电网电压V_s同相，则变流器输出电流I为

当与同相时（相位角δ=0，见图5-19b、c），变流器向电网输出的电流I与电网电压V_s相差90°，变流器只输出无功电流、无功功率，成为一个无功功率发生器。图5-19中的电压、电流为A、B、C坐标系中的相量（相电压、相电流有效值），对应的功率P、Q为一相功率。如果令变流器或无功功率发生器向电网输出感性（滞后）无功电流为I_q，变流器输出到电网的感性滞后无功功率为Q，则有

I_q=（V_i-V_s）/X （5-43）

Q=V_sI_q=V_s（V_i-V_s）/X （5-44）

V_i=V_s+XQ/V_s （5-45）

当输出电压V_i高于电网电压V_s时，变流器输出的滞后无功电流I_q滞后（见图5-19b、d），并向电网输出滞后（感性）无功功率，即式（5-44）中的Q>0。

当输出电压V_i低于电网电压V_s时，I·_q超前（见图5-21c、e），向电网输出容性（超前）无功功率，即式（5-44）中的Q<0，或者说这时无功功率发生器从电网吸取感性滞后无功功率，成为电网的无功负荷。

为了使图5-19a所示无功功率发生器能稳定地工作，直流侧必须有一个稳定的直流电压V_D。如果无功功率发生器输出电流I·与相位差为90°，则电网不向无功功率发生器输入有功功率，但无功功率发生器实际工作中存在有功损耗，这时图5-19a中直流电容的电压V_D将不断减小。为了维持直流电压V_D恒定，在交流电源每个周期中都应给无功功率发生器补充能量。

图5-19 SPWM电压源型无功功率补偿器

给电力电子变流器不断地补充电能的一个简便的技术方案是适当地调节输出电压滞后于电网电压的相位角δ，使变流器向电网输出的电流I·中除含有滞后（或超前）的无功电流I_q外，还向电网输出一点负的有功电流或从电网输入一点正的有功电流。在图5-19d、e中，变流器向电网输出电流I·中与同相的有功电流分量I_p=Icos（90°+α）=-Isinα为负值（I·_p与方向相反），无功功率发生器输出至电网（V·_s）的有功功率P=I_pV_s=-V_sIsinα为负值。因此图5-19a中电网向无功功率发生器送入的有功功率P_i为-P=-V_sI_p=V_sIsinα为正值，因此无功功率发生器向电网输出无功功率的同时，又从交流电网输入一点有功功率P_i用于补充无功功率发生器运行时的功耗，使直流电压V_D恒定不变。

由图5-19d可得

-XI_p=V_i sinδ，-I_p=V_i sinδ/X （5-46）

从电网输入的有功功率也可表达为

由图5-19d可知V_i cosδ=V_s+XI_q，可得到无功功率发生器输出给电网的滞后无功电流为

I_q=（V_i cosδ-V_s）/X （5-48）

输出给电网的滞后无功功率为

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以上各式中电压、电流是三相系统中相电压、电流有效值，，，Vi=V_im/2功率为一相功率。若电压、电流为线电压有效值，则功率为平衡三相系统中的三相功率。

图5-19a中调节控制V_i滞后于V_s的相角δ，使电网输入变流器的有功功率（-P）等于变流器的功率损耗，即可使图5-19a所采用的无功功率发生器运行时的直流电压V_D恒定不变。

图5-19e为δ≠0时输出容性（超前）无功电流（功率）的矢量图，这时V_i小于V_s，但V_i仍滞后V_s，有功电流I_p仍为负，仍从电网输入有功功率供变流器功耗，稳定V_D，但STAT_- COM输出容性无功功率。

图5-19a中三相变流器输出的交流电压幅值、频率、相位由6个开关器件的通、断控制情况决定。如果对6个开关管的通、断状态采用类似于图2-21～图2-23的正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制，则可采用图5-19f所示原理性的控制系统框图。三相变流器SPWM控制时，若调制比M=V_rm（正弦参考波幅值）/V_cm（高频三角波载波幅值），由式（2-96C）可得输出交流线电压有效值V_ab为

如果图5-19a中的变流器只采用单脉波控制，即输出相电压V_i只是脉宽为θ的单脉波电压，则有效值为V_i的基波分量幅值为

这时调控脉宽角θ或调控V_D均可调控输出电压V_i，从而调控无功功率Q。

2.基本控制原理

图5-19f STATCOM控制系统包括直流电压V_D闭环控制和无功功率Q闭环控制两部分。

（1）直流电压V_D闭环控制

图5-19f中直流电容指令电压V_D∗和实测的电容电压瞬时值V_D同时送入电压调节器VR。VR的输出取作正弦调制参考波滞后于交流电网电压的相位角δ的指令值δ∗，也就是三相桥变换器交流输出电压滞后的相角δ的指令值δ∗。若VR为PI型调节器，则其输出δ∗为

当V_D=V_D∗时，ΔV=V_D∗-V_D=0，δ∗为一固定值。一旦V_D<V_D∗时，电压调节器输出δ的指令值δ∗增大，使电网流入无功功率发生器的有功功率P增大，使V_D增大到指令值V_D∗；反之当V_D>V_D∗时，δ∗减小，使电网流入无功功率发生器的有功功率P减少，使V_D减小到指令值V_D∗。PI型电压调节器VR通过直流电压V_D的闭环控制使V_D自动保持为指令值V_D∗，确保无功功率发生器的稳定运行。

（2）无功功率Q闭环控制

图5-19f中将无功功率发生器输出无功功率的指令值Q∗与输出的无功功率实际检测值Q送入PI型无功功率调节器QR。QR的输出作为正弦调制参考电压波V_r∗的幅值V_r∗_m，则有

当Q=Q∗、ΔQ=Q∗-Q=0时，V_rm为一固定值。一旦Q<Q∗时，无功功率调节器QR输出的指令值V_r∗_m增大，变流器输出电压的调制比M增大，从而使无功功率发生器输出电压V_i增大，输出的感性无功功率Q增大，直到Q=Q∗为止；当Q>Q∗时，无功功率调节器QR输出的指令值V_r∗_m减小，使无功功率发生器输出电压V_i降低，输出感性无功功率Q减小，直到Q=Q∗为止。

将电压V_r∗_m和δ∗以及电网电压V_S（大小和相位角）送入三相正弦参考波形成电路，输出a、b、c三相参考电压、、，再与高频三角载波v_c相比较而得到VT₁～VT₆驱动信号，使三相变流器输出所需的交流电压，使V_D=V_D∗，Q=Q∗。

图5-19a所示无功功率发生器不需外加直流电源，仅靠开关电路的适时、适式控制，即可输出数值大小和方向均连续可控的无功功率。当采用SPWM控制、多个三相桥主电路移相组合或经变压器多重化输出时，仅用较低的开关频率和较小的LC滤波器，就可使输出电流接近正弦波且具有优良的控制特性。此外，变流器对控制指令的响应也极快，具有优良的快速控制特性，它在调控输出电压、维持节点电压稳定、抑制电压闪变、阻尼系统振荡、提高电力系统运行稳定性等方面的性能都远胜于晶闸管阻抗控制型无功补偿器TSC和TCR。同时，它也是电力系统无功补偿器的发展方向。