并联式低电压穿越辅助装置优化方案

并联式低电压穿越辅助装置本质上为可控的无功功率/电流源，根据电路结构和工作原理的不同，并联式低电压穿越辅助装置包括两大类：静止无功补偿器（SVC）^[1-3]和静止同步补偿器（STATCOM）[4，5]

图7-1 SVC的基本结构

SVC采用电力电子开关与电容、电感组合而成，其基本元件为晶闸管控制电抗器（Thyristor Con-trolled Reactor，TCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Ca-pacitor，TSC），其基本结构如图7-1所示^[1-3]。

TSC通过晶闸管控制多组电容器的分级投切，其输出的无功电流不能连续调控。TSC中电容器投入时刻必须是电网电压瞬时值u_g与电容器预充电电压u_c相等的时刻，否则电容电压的阶跃变化将产生较大的冲击电流，可能损坏晶闸管。若TSC投入前电容电压为电网电压峰值，在该峰值点投入电容，则TSC的某相电流波形如图7-2所示，整个投入过程中电流没有阶跃变化^[5]。实际应用中，常在TSC的电容支路中串入一个小电感，以减小晶闸管导通瞬间由于电网电压与电容残压不等而引起的电流冲击。封锁晶闸管的触发信号，在电容支路电流过零时，TSC即被切除。

图7-2 无过渡过程的理想投入TSC时某相电压、电流波形

TCR通过控制晶闸管的触发延迟角连续调控其从电网吸收的无功电流。当晶闸管的触发延迟角α₀﹥π/2时，TCR的某相电压和电流波形如图7-3a所示，A点处，VI₁触发导通，由于u_g﹥0，电感中电流上升，到B点时，电流达到最大值，此后u_g﹤0，电流减小，到C点时，电流减为零；D点处，VI₂触发导通，电感电流出现上述相似的变化过程^[5]。当晶闸管的触发延迟角α₀≤π/2时，TCR支路完全接入电网且不再受控，某相电压和电流波形如图7-3b所示，电流为完整的正弦波^[5]。控制晶闸管的触发延迟角，可实现TCR支路感性无功电流的连续调节。

图7-3 TCR某相电压电流波形

将TSC和TCR组成SVC一起接入电路，则可实现输出无功电流的无级、连续调节。然而，从图7-3a可知，对TCR中晶闸管进行相控，会导致电感电流波形畸变，产生大量的电流谐波，通常需要在SVC中并联图7-1所示无源滤波支路以减小谐波电流对电网的不利影响；此外，TSC和TCR支路中的无功电流都与电网电压成正比，当电网电压降低时，其无功电流的调控能力大为削弱；再者，因为晶闸管开通和关断的延时，SVC的动态响应速度较慢，因而不适用于需要瞬时快速补偿无功电流的应用场合。尽管如此，因为成本较低、实现简单、运行可靠等优点，SVC被大量用于柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems，FACTS）中，以改善电力系统的电压和暂态稳定性。

STATCOM在某些文献中也称为静止无功功率发生器（Static Var Generator，SVG），是利用全控电力电子开关器件构成的三相桥式变流器，其基本结构如图7-4所示^[5]，图中R_g、L_g分别为STATCOM的并网电阻和电感，C为STATCOM直流侧电容。

图7-4 STATCOM基本结构

图7-4中，三相桥式变流电路采用PWM调制，忽略开关频率次电压谐波，其输出为幅值、频率和相位均可控的三相交流电压u_c，变流器的输出经并网电感接入电网。当u_c与电网电压u_g同相时，变流器输出到电网的电流与电网电压相差90°，STATCOM成为一个无功功率发生器；进一步，若u_c幅值高于u_g，变流器输出滞后的（感性）无功电流；若u_c幅值低于u_g，变流器输出超前的（容性）无功电流。为了使STATCOM稳定工作，其直流侧电压必须稳定，尽管作为无功功率电源运行时，STATCOM并不从电网吸收有功功率，但在实际工作中，STATCOM存在有功损耗，若不采取措施，其直流电容电压将不断减小，为维持直流电压恒定，在STATCOM输出无功电流时应控制其从电网吸收一定的有功电流，以补偿有功损耗。

与3.1.2.3节中的网侧变流器分析相似，忽略开关频率次电压谐波，图7-4所示STATCOM的基波等效电路如图7-5所示^[6]。(https://www.xing528.com)

图7-5 STATCOM的基波等效电路

与式（3-37）相似，其数学模型可由下式表示：

式中，S_a、S_b、S_c分别为三相桥臂的开关函数。其中，S_k=1/2：对应桥臂上管导

式（7-5）和式（7-6）表明，通过控制STATCOM输出电压的dq轴分量，可以独立调节网侧dq轴电流，从而间接控制STATCOM注入电网的有功和无功功率。通常，STATCOM注入电网的无功功率指令由电网或用户的控制要求决定，可以实现如稳定电网节点电压、抑制电压闪变、阻尼系统功率振荡等控制目标；控制无功功率的同时，STATCOM需要从电网吸收一定的有功功率，以补充电路损耗导致的直流母线电压的降落，有功电流（功率）指令通常由直流母线电压控制环决定。STATCOM的整体控制框图如图7-6所示。

图7-6 STATCOM控制框图

与SVC相比，STATCOM除工作原理与其不同以外，还存在以下差别。

1）SVC装置由无源电容和电抗组成，接入电网后会改变系统阻抗特征，易出现谐振现象；STATCOM装置原理上等效为可控电流源，接入电网后不会改变系统阻抗特征，不存在谐振问题。

2）SVC会产生谐波电流，需要附加滤波器；STATCOM不需增加附加滤波装置。

3）SVC采用半控型开关器件晶闸管，其导通的最大延时为10ms（半周期），若考虑TCR的过渡过程，SVC控制系统的响应时间为50～60ms；STATCOM的延时仅由数字控制系统的固有时间常数决定，其响应时间在10ms左右。

4）SVC的无功电流输出能力与电网电压有关，电网电压较低时，其无功电流输出能力大为减弱；STATCOM是有源设备，电网电压较低时，其无功电流输出能力不变。

5）由于采用数量较多的大容量全控型器件，STATCOM比SVC成本更高，其控制系统也更复杂。