STATCOM的机网相互作用抑制效果探析

1.STATCOM的工作原理

（1）STATCOM的拓扑结构及调制方法

STATCOM是一种具有良好动态响应特性的无功补偿装置，在输电线路无功补偿等方面得到了人们的广泛研究。目前投入工业生产应用的STATCOM设备大多为电压型变流器，即并联电容作为变流器的直流输入，通过PWM技术调节变流器交流侧输出电流的幅值和相位，从而补偿无功功率。由于PWM整流器的四象限运行特性，STATCOM与网侧的无功交换也是双向的，但与一般的PWM并网变流器控制不同，STATCOM更强调网侧无功电流的控制性能。图6.33为STATCOM与电网系统的电气连接图。

图6.33　STATCOM系统工作原理

其中，为电网电压向量，为STATCOM交流侧输出电压向量，为STATCOM与电网之间的交换电流向量，Rc和Lc是STATCOM与系统连接的耦合等效电阻和等效电感，当STATCOM交流侧输出电压向量与电网电压向量同相位时，假设忽略STATCOM的内部损耗且线路电阻远小于电感，STATCOM通过电抗Xc与电网系统连接，则STATCOM的输出电流的相位滞后电网电压相位90°，STATCOM和系统只交换无功功率，按照图6.33所示的电流方向，电网流向STATCOM的电流及STATCOM吸收的无功功率Qc如式（6.29）。

根据电网系统与STATCOM之间交换的无功功率公式，可以通过调节STATCOM交流侧输出电压来控制两者之间无功功率交换的方向和大小。当STATCOM输出电压大于电网电压时，STATCOM向电网系统输出容性无功功率；当STATCOM输出电压小于电网电压时，STATCOM向电网系统输出感性无功功率，即系统向STATCOM输出容性无功功率。图6.34描绘了STATCOM工作的向量原理图。

图6.34　STATCOM不同运行模式下的向量图

STATCOM在实际运行中，由于内部变流器的功率开关并不是理想没有损耗的，且输出耦合线路也存在有功损耗，直流侧电容存储的能量逐渐被消耗来补偿各种有功损耗，因此若直流侧电容电压不加以控制维持，电容两端电压会持续下降，可以通过调节STATCOM交流侧输出电压向量的相角，使其滞后电网电压向量一个小角度，这时，电网就会向STATCOM输出有功功率，用来维持直流侧电容电压。

（2）STATCOM的数学模型及控制系统

级联H桥STATCOM采用隔离直流电源输入的STATCOM拓扑结构具有模块化、便于扩展、多电平、谐波少等优势，因而备受关注。级联型H桥变流器的每一相都是由若干单相全桥可控单元级联而成，每个功率单元都有其独立的电源，如并联电容器，以单相N单元级联H桥为例，其输出波形的电平数为2N＋1，级联单元越多，电平数越大，输出电压谐波含量越少，并且每一个级联单元的开关承受电压越低。

这里采用的单相3单元级联桥拓扑结构，其输出电平数为7，图6.35所示为7电平级联H桥的拓扑结构，三相之间为Y型连接，每一相的级联单元具有相通的结构，由一个单相全桥逆变器并联一个输入直流电容器组成，每个基本单元都可以输出方波，同一相通过各个单元输出的方波叠加，从而形成多电平的阶梯波，电平数越多，越逼近正弦波形。

图6.35　级联型星形连接的PWM STATCOM　电路结构图

根据上述级联H桥STATCOM的拓扑结构，若要输出谐波含量少，三相对称的电压波形，还需选择合适的多电平调制策略。PWM技术是多电平调制策略的基础，近年来，大量的基于PWM的多电平调制方法被提出和应用，主要包括多电平叠波调制技术，多电平的空间矢量PWM技术，相移载波SPWM技术。叠波调制技术需要计算每一个逆变单元的导通角控制输出方波的占空比，通过链节各单元的叠加，产生阶梯波来逼近正弦波，但该方法输出的电压质量很大程度上依赖于直流电压的平衡和各逆变单元的导通角计算精度，实际输出电压谐波含量较大。多电平空间矢量PWM技术与两电平SVPWM的原理类似，但是随着电平数的增大，其电压空间矢量的数目成三次方增加，这对于在一个开关周期内合理优化安排零矢量和非零矢量是一个复杂的问题，因此，该方法受到电平数的很大限制，目前应用一般只限于五电平以下。本书采用相移载波SPWM调制技术，该方法广泛地应用于大功率场合，得益于其能在同样的开关频率下实现较高的等效开关频率，极大地降低了输出电压的谐波含量，是近年来广泛应用的多电平调制策略。

以七电平级联H桥拓扑结构为例，同一单相链节的三个逆变单元有共同的调制波信号，而他们的三角载波信号虽然频率相同，但其相位依次错开载波周期的1／2N，N＝3，这保证了各逆变单元中，左右半桥功率开关的载波信号相差180°；又因为同相链节中各逆变器单元调制信号波相同，使得其输出的电压基波一致，这样由这N个逆变单元叠加出的输出波形的电平数为2N＋1，这种移相再叠加的方法使SPWM的等效开关频率提高了一倍，各功率器件在提高开关频率的情况下大大降低了输出电压的谐波含量。

在MATLAB/Simulink中对N＝3的7电平级联H桥逆变器进行了仿真，以保证以此为拓扑结构基础的STATCOM的可行性。直流侧电压源电压为4 000 V，载波频率为2 kHz，调制比M＝0.95，7电平级联H桥逆变器a相输出电压的仿真结果如图6.36所示，可见，对于N＝3的级联H桥逆变器，输出电压为单个逆变单元输出电压的N倍，输出电压为2N＋1电平。

图6.36　STATCOM七电平输出电压

图6.37　STATCOM并网示意图

2.STATCOM机网相互作用的抑制策略及效果分析

本节将建立STATCOM数学建模，为后续控制系统提供数学依据。由于本书只讨论STATCOM的输入输出特性，即设计合适的控制系统，实现STATCOM可控输出无功功率，满足系统的动态特性要求，假设不考虑功率开关器件内部的开关特性。为了简化STATCOM的数学建模，只考虑基波分量忽略谐波分量的影响，并且假设系统和装置都是三相对称的，电路元件用集中参数等效。

图6.37中STATCOM设备为示意图，内部拓扑结构为N＝3级联H桥逆变器，Lc和Rc为STATCOM设备与电网之间的等效连接电感和电阻，STATCOM输出相电压峰值为us，电网模型为无穷大电网，相电压峰值为ut，电网电压与变换器输出电压的关系式可表示为

将上述电压方程变换至同步旋转坐标系中，坐标d轴与电网电压向量一致，可得

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式（6.40）即STATCOM并网在同步dq坐标系下的数学模型。

（1）STATCOM机网相互作用的抑制策略

在与网侧电压向量同步的dq坐标系下，满足udt＝ut，uqt＝0，STATCOM的输出功率可以表示为

可见，在dq旋转坐标系下，有功功率和无功功率可以实现解耦控制，通过控制输出电流的q轴分量来调节无功功率，无功电流指令通常按照系统运行过程中的实际无功需求，根据公式计算得到；有功功率可以通过调节d轴电流分量控制，但是STATCOM的电压源为电容器，有功功率输出能力有限，因此在STATCOM的控制系统中，有功功率的交换用来平衡直流侧电容电压，有功电流，即d轴电流的指令值由外环的直流电压调节器获得。值得注意的是，在多电平级联拓扑结构中，因为各逆变单元都有独立的电容作为直流电源输入，电容电压的控制目标不仅要保证各直流电压维持在参考电压附近，同时也要考虑各电容电压的平衡问题，即电容电压参考值要与三相电容电压的平均值做差，再经过PI控制器得到有功电流指令。综上所述，得到如图6.39所示的STATCOM解耦控制框图。

图6.38　基于母线电压控制的STATCOM控制框图

带有附加阻尼控制策略的STATCOM控制框图如图6.38所示，与典型的无功功率控制策略不同，在典型的无功功率控制中q轴电流指通常由网侧的无功功率需求得到，而带有附加阻尼控制的q轴控制回路由电压外环和电流内环组成，电压外环的作用是稳定STATCOM接入母线的电压，因为风机系统母线电压若没有相关控制，容易受到网侧干扰或线路故障的影响，从而引起母线电压波动而激发风机轴系扭振，电压控制以STATCOM接入母线的电压偏差量为扰动信号，并作为q轴外环的指令信号，经过电压PI调节器后，产生STATCOM交流侧输出电流的q轴分量参考值，与实测输出电流q轴分量做差后再通过电流PI调节器，输出信号叠加d轴解耦补偿项和网侧电压q轴分量前馈项，便得到STATCOM电压型变流器的q轴输出电压指令参考信号；带有附加阻尼控制的d轴控制回路由也由级联双控制环组成，其中电压外环控制直流侧电容电压稳定，直流电压控制以直流电容电压偏差量作为d轴外环的指令信号，经过外环电压PI调节器后，产生STATCOM交流侧输出电流的d轴分量参考值，与实测输出电流d轴分量做差后再通过电流PI调节器，输出信号叠加q轴解耦补偿项和网侧电压d轴分量前馈项，便得到STATCOM电压型变流器的d轴电压指令参考信号。

图6.39　STATCOM功率解耦控制策略

（2）STATCOM机网相互作用的抑制效果分析

通过在Matlab/Simulink平台上建立含有STATCOM附加阻尼控制的双馈风机对无穷大电网的时域仿真系统，并以电压暂降作为网侧电气小扰动，来激发风机轴系扭振，以验证STATCOM附加阻尼控制对风机轴系扭振的抑制效果。

STATCOM通过耦合电抗接入风机并网处的母线端，并网母线与供电系统通过10 km线路连接，STATCOM模块电路参数及控制参数如见表6.9至表6.10。

表6.9　STATCOM模块电路参数

表6.10　STATCOM控制模块参数

当系统稳态运行时，利用网侧电压波动激发双馈风机轴系扭振，分别观察系统无STATCOM及投入STATCOM情况下，风机轴系扭矩的振荡情况。

为了研究STATCOM对轴系扭振的抑制原理，对线路末端无限大系统电压暂降的情况进行仿真，观察STATCOM对电压波动的响应情况及风机母线电压的稳定状况。表6.11描述了两组仿真10 kV无限大系统的电压波动情况，分别为持续时间为0.1 s电压幅值降至0.93 p.u.的三相对称电压暂降，和持续时间为0.1 s电压幅值增至1.05 p.u.的三相对称电压升高。

表6.11　网侧电压暂降情况

为了分析STATCOM附加阻尼控制对扭振的抑制作用，分别观察双馈风机低速轴转矩Tlss，发电机转速ωgen，STATCOM输出电流ic，STATCOM输出无功功率Qc和风机母线电压ut的响应曲线。图6.40画出了电压暂降至0.93 p.u.持续时间为0.1 s情况下投入STATCOM前后的母线电压曲线。10 kV系统电压在1.0 s时跌落至0.93 p.u.并且在0.1 s后扰动清除，系统电压恢复至额定值；在此期间，风机母线电压并没有降落至0.93 p.u.，且保持在接近1.0 p.u.的电压水平，说明STATCOM的电压控制策略效果明显，在电压暂降期间，STATCOM利用风机母线电压偏差值输入电压外环PI调节器产生无功电流指令，使STATCOM向系统输入容性无功功率，起到支持母线电压的作用。图6.41画出了电压暂降情况下风机母线向远端系统的输出电流、STATCOM的输出电流波形及输出无功功率，稳态运行时，STATCOM交流侧输出电流很小，STATCOM输出无功功率在零附近波动，当远端系统电压跌落时，即在1.0 s时刻，STATCOM快速响应，输出无功电流开始增加，并向风机母线输入1.5 MVar左右的无功功率，从而抑制了风机母线电压的跌落程度，在1.1 s时刻，故障清除，STATCOM输出无功功率继续保持在零附近。

图6.40　网侧电压暂降期间的风机母线电压

图6.41　网侧电压暂降期间STATCOM输出电流和无功功率曲线

图6.42所示为电压暂降对双馈风机低速轴转矩和发电机转速的影响，系统未投入STATCOM时，双馈风机母线受远端10 kV系统电压暂降的影响产生电压跌落，发电机的电气暂态行为受此影响从而激发了传动轴系的扭矩振荡。从无STATCOM的低速轴转矩曲线可观察到，在1.0 s时转矩开始振荡，起振幅值为1.01 p.u.，经历4 s至5 s后扭矩振荡逐渐减小并且恢复稳态；而当STATCOM投入系统、并联至风机母线时，STATCOM能够快速响应母线电压降落，输出容性无功功率支持母线电压，从而减弱了远端系统电压暂降对风机的干扰，从图中含STATCOM曲线可以看出，在1.0 s时，风机低速轴扭矩并没有发生明显振荡，可见，STATCOM能够有效地支持风机母线电压，降低了远端系统对风机母线电压的影响，减轻了风机轴系的扭振程度。值得注意的是，低速轴转矩和发电机转速曲线在稳态运行是仍然可以观察到波动十几Hz的小幅振荡，这是因为仿真系统中三质量块模型的自阻尼和互阻尼参数均设置为零，而实际风机轴系传动轴自身和各传动轴之间都是具有一定机械阻尼。

图6.42　网侧电压暂降情况下低速轴转矩和发电机转速曲线