高容量静止同步无功补偿器主电路结构

现代电力系统实际所需的无功功率补偿容量是很大的。例如，在有功功率为200MW、cosφ=0.8、无功功率为150MVar时，若要求将功率因数补偿到cosφ=0.97，则所需补偿的无功功率接近100MVA。目前单个全控型开关器件，即使选用容量较大的门极关断晶闸管GTO，若其额定电压为6kV、电流为6kA，采用6个这种额定值的开关器件构成的三相桥式电路，其输出的容量也很难达到5～6Mvar。而在电力系统中实用的STATCOM容量都很大。此外，如果STATCOM自身输出端的电压含有较大的谐波成分，则又会对电力系统带来严重的谐波污染，因此在提高STATCOM的容量，提高其电压等级的同时，还应能有效地改善其输出电压的波形。

将开关器件直接串联使用可以提高电压源变流器型无功补偿器STATCOM的电压等级和输出容量，但不能改善其输出电压波形。此外将开关器件串联使用可以提高输出电压，但需解决串联运行时稳态和开通、关断过程中的均压问题。半控型开关晶闸管上百个串联使用的均压技术问题都已成熟，但全控型开关管如门极关断晶闸管GTO的串联使用则困难得多。美国研制的±100MVA STATCOM中，直流电压为6.6kV，三相桥每个上、下桥臂都由5个4.5kV/4kA的GTO串联（其中一个冗余），日本东芝公司两台±50MVA SVG，分别采用8个6kV/2.5kA和11个4.5kV/3kA的GTO串联使用，中间直流电压仅为16.8kV，器件的电压利用率都很低。

采用多电平三相桥变流器能改善输出电压波形，但电平数超过3时，电路结构和控制都较复杂且影响可靠性。

高压、大容量STATCOM变流系统较理想的电路结构有两类：①类似图2-39所示将m个直流侧公用一个直流电源的三相桥基本单元电路输出的有一定相差的m组三相交流电压，经多个曲折联结的三相变压器组合升压输出，构成多电平、多重化变流系统。②类似图2-37和图2-40所示的级联（链式）多重化中高压变频器电路结构，将多个直流侧隔离的单相H桥基本单元电路输出的多个单相交流电压直接串联相加，级联组合成一个高压、大容量、多电平、链式变流系统。无论是H桥级联（链式）变流系统，还是经三相变压器曲折联结绕组输出的多重化变流系统，都可在单个变流器开关频率不高的工况下使STATCOM不仅输出的基波电压、功率成倍提高，且其输出电压波形更接近正弦波，其中谐波的频率成倍提高，谐波幅值成倍减小，易于用LC电路滤波。

1.共直流电源的多个逆变器经多个移相变压器组合输出的多重化STATCOM电路结构

图5-20a示出了一种八重化的高压、大容量STATCOM主电路结构。三相三绕组高压变压器TPH高压侧一次绕组三角形联结，外接高压电网电压V_AH、V_BH、V_CH。TPH有两个二次绕组，分别联结成三角形和星形。若三角形二次绕组每相匝数比星形二次绕组匝数大3倍，则三角形绕组输出线电压与星形绕组线电压幅值相等，相角相差30°。如图5-20a、b所示，三角形二次绕组线电压，与E·_A同相，与E·_B同相，与E·_C同相。而星形二次绕组，相量图中滞后。A相感应电势与高压电网同相。图5-20中，TPY、TP△都是类似第4章图4-9a中带延边三角形（曲折绕组）的三相四重化变压器。TP△的一次绕组为星形联结，三相电势为、、；TPY的一次绕组也为星形联结，相电势为、、。、、分别滞后、、，TP△的线电压、、分别滞后TPY的线电压、、。图5-20a中TPY、TP△都有四组三相二次绕组。TPY的三相绕组W₂也是星形联结，其线电压，与、同相，超前、、，与同相，如图5-20c所示。TPY的曲折绕组W₁的线电压超前W₂的线电压的相角φ=60°/8=7.5°，超前曲折绕组每相两部分绕组匝比的设计参见式（4-9A），可使超前，同时幅值V_1ab=V_2ab。TPY的绕组W₃输出线电压滞后，幅值V_3ab=V_2ab。TPY的绕组W₄输出线电压V_4ab=V_a4-V_b4滞后，φ=7.5°，滞后曲折绕组匝比W₃、W₄的设计参见式（4-11A），幅值V_4ab=V_3ab=V2ab=V1ab。变压器TP△的三相二次绕组W₆也是星形联结，由图5-20a、b可知，其线电压超前，滞后，故滞后。按式（4-9A）、式（4-11A）设计TP△的超前绕组W₅和滞后绕组W₇、W₈，可使超前，φ=7.5°，滞后，φ=7.5°；滞后，且幅值V_5ab=V_6ab=V_7ab=V_8ab=V_1ab=V2ab=V3ab=V4ab，如图5^-20c所示。图5-20a中8个三相桥全控型开关变流器直流侧共用一个直流电压V_D（或电容C），控制8个变流器的输出电压、、…、幅值相等，依序相差为φ=60°/8=7.5°，相位与电网电压锁定，8个电压V_i1、V_i2、…、V_i8与变压器TPY、TP△的8个线电压一一对应。按运行指令调控8个变流器输出电压基波幅值和与电网电压之间的相位差δ角，即可调控STATCOM向电网输出的无功功率Q，并稳定直流电压V_D为指令值。

图5-20a八重化STATCOM，即使8个三相桥仅按六脉波工作（三相桥6个开关每半周仅通、断一次），直流电流i_d将是8×6=48脉波直流电流。8个相差7.5°的三相变流器组合向电网输出的交流电压基波幅值，比单个三相桥变流器高8倍，交流侧输出电压电流谐波阶次为n=8×6n±1次，即47、49、95、97…次。最低次交流电压、电流谐波为47次，47次谐波幅值与基波的比值仅为2.1%。这时，仅由变压器漏感和不大的并联滤波电容即可使这种八重化的STATCOM向电网注入的电流畸变率满足运行要求。为提高单个三相桥变流器的交流输出电压，实际应用中常采用多个开关管（如GTO）串联成一个等效的高压开关管。也可采用二极管钳位型或飞跨电容型三电平或五电平三相桥变流电路，提高单个三相桥输出电压。为了进一步改善输出电压波形，单个三相桥也可采用多脉波PWM调控。

1995年美国电力科学院（EPRI）和西屋公司（Westinghouse）合作研制的±100MVar STAT_- COM，就是采用八重化变流系统。为提高单个三相桥变流器的交流输出电压，三相桥每相上、下桥臂的开关管由5只（其中一只冗余）4.5kV/4kA的GTO串联组成，直流电压V_D为6.6kV，共使用240只GTO。三相桥输出线电压为5.1kV，每个三相桥可输出无功功率12.5MVar，电流约为1.4kA。为更经济有效地利用STATCOM无功补偿功能，在变电站中还配有80MVar的无功补偿电容与±100MVar的STATCOM联合运行，以满足各种运行工况时的运行要求。

日本三菱公司于1991年研制的±80MVarSTATCOM也采用八重化电路结构，日立公司于1993年研制的50MVar多重化STATCOM曾使用多达11只GTO串联构成一个高压开关，同时采用三脉波（每半个周期T_s/2中有三个对称的脉波电压如图2-36c中的V_ab），即采用150Hz的PWM脉宽调制变流器作多重化的基本单元。

图5-20 八重化高压、大容量STATCOM主电路结构

2.多个直流侧隔离的H桥交流输出直接级联型高压大功率链式STATCOM

多个直流电压隔离的单相桥（H桥）变流器，其交流输出端直接串联可组成三相高压大容量级联式多电平STATCOM变流器，如图5-21a所示。图中各个直流电容电压相互隔离，单相桥变流器输出的电压不用变压器而直接串联相加，输出一相交流高电压，用三个相差120°的这种单相高压变流器组成一个三相多重变流器。图中A、B、C三相总的输出电压为

v_iA=v_A1+v_A2+v_A3+…+v_An

v_iB=v_B1+v_B2+v_B3+…+v_Bn （5-54）

v_iC=v_C1+v_C2+v_C3+…+v_Cn(www.xing528.com)

图5-21a组合电路的优点是：可以采用廉价的低压开关器件H桥变流器，同时由于各H桥直流侧隔离，因而可以不采用输出变压器，将各变流器输出电压直接串联相加输出高电压V_i，再经电抗器与电网相连，向电网输出无功功率。各H桥变流器输出的电压波形中的基波的大小、相位可独立地调控。A相总的输出电压V_iA中的k次谐波电压是A相各变流器输出电压中k次谐波电压的总和，即

V_iAk=V_iA1k+V_iA2k+V_iA3k…V_iAnk （5-55）

适当设计各单元变流器的输出波形，在提高总输出基波电压的同时，有可能有效地削弱总输出电压v_iA、v_iB、v_iC中某些低阶次的谐波电压。

在图5-21a中的H桥电路向交流电网输出无功功率，仅从交流电网输入很小的有功功率平衡变流器运行的功耗，维持直流电压。

图5-21a所示电路的优点是对各个单元变流器不必采用高频SPWM控制，甚至也可不用多脉波PWM控制，只采用半个电源周期中开关器件仅通、断一次或三次，即单脉波或三个脉波宽度控制，只要精心设计，安排A相中各变流器的基波电压幅值V_A1、V_A2等和相位差的大小，就有可能使输出总电压V_iA中某些低阶次的谐波为零。

图5-21b示出了H桥变流器中每个开关器件在一个周期中仅改变一次通、断状态时，输出脉宽为θ的单脉波电压，若直流电压为V_d，则脉宽为θ的单脉波v_A为

如果每相有三个H桥变流器A₁、A₂、A₃，三个变流器都是120°宽单脉波。A₁的直流电压为V_d1=V_D，A₂、A₃的直流电压，变压器的A₂基波电压相位被控为滞后A₁基波30°，A₃的基波电压的相位被控为超前A₁基波30°，则得到的总输出电压为

v_iA中无3、5、7、9、15、17、19等次谐波。除基波外仅含有n=12k±1次，即n=11、13、23、15等高次谐波。这是一个12脉波的阶梯波电压，最低次谐波为11次，11次谐波幅值仅为基波幅值的1/11=9%，而且变流器的开关频率很低（仅与电网电压频率相同）。多个H桥级联组合电路结构采用单脉波或三脉波控制策略适用于较低开关频率的高压大容量变流器。如果每相由更多的单相H桥串联输出，则可获得更接近正弦波的24阶梯或48阶梯波电压，其最低次谐波将是23或47次。级联组合多电平结构除可以不必采用制造较困难、成本较高的曲折绕组升压变压器由多个H桥逆变器输出电压直接串联输出高压外，另一个重大优点是可采用分相控制，对系统的不对称进行有效的调控补偿。1998年法国ALSTON公司为英国国家电网公司研制了世界首台±75MVar的H桥级联式高压STATCOM，每相由16个单相桥（其中两个为冗余）串联输出一相总电压，然后将三个单相串级电压经一个15.1kV/400kV的耦合变压器接入400kV交流电网。这台75MVar的STATCOM采用PWM调控输出电压，±75MVar的STATCOM与一台23MVar的滤波器和一台127MVar的TSC组成无功和谐波补偿系统。2006年由我国研制的每相由10个H桥级联而成（两个冗余），开关器件为4.5kV/4kA IGCT的±50MVar级联式STATCOM投入运行。更大容量的级联式STATCOM也正在研制中，目前在研制高压大容量大都采用级联式结构。

图5-21 三个单相桥变流器交流电压直接串联输出的STATCOM