摘要：本文介绍了STATCOM装置国内外研究发展应用过程情况，着重介绍了中国南方电网公司最近投产的四套±200MVar STATCOM装置情况。分析了STATCOM相比于SVC具有的响应速度更快、抑制电压闪变能力更强、运行范围更宽、补偿功能更多样化、谐波性能更好、占地面积更小等优势。说明了STATCOM技术发展迅速、应用广泛的根本原因。可以展望STATCOM装置在风电、输电、铁路及治金等领域将发挥更大更重要的作用。
关键词：STATCOM；发展；应用；介绍；分析
Introduction and Analysis of Development and Application of STATCOM
GUO Yuefa
(Dongguan Power Supply Bureau under Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan 523008, China )
Abstract: This paper introduces the international、domestic condition about research、development and application of STATCOM, mainly introduces the condition about four sets of ±200MVar STATCOM which were put into production recently by China Southern Power Grid Company. Analyses the advantages of STATCOM compared to SVC in many aspects of response speed、the ability of inhibition of voltage flicker、operating range、Variety of compensating function、performance of harmonic wave、area of land occupied, etc. Illustrates basic reason of fast development and extensive application of STATCOM technology. Optimistically expect STATCOM have more important role in many aspects of wind power、transmission、railway and metallurgy, etc.
Keywords：STATCOM；development;application;introduction;analysis
引言
灵活交流输电系统(FACTS)的概念[1]自上世纪80年代被创建以来得到广泛而深入的发展。静止同步无功补偿器（STATCOM）作为FACTS 家族的重要成员，具有动态补偿能力强、控制性能优良以及经济技术性显著等特点，能够动态补偿电力系统的容性和感性无功、提高功率因数、支撑系统电压，补偿三相不平衡。因此，该技术已经成为电力系统动态无功补偿、节能降耗和电能质量控制领域研究的热点。
本文通过介绍STATCOM装置的发展研究及分析STATCOM装置的优势，让读者了解STATCOM装置发展历史和现状，清楚STATCOM技术的先进性及优势，吸引读者关注、应用或研究STATCOM技术，抛砖引玉，促进STATCOM技术交流和发展。
1 STATCOM技术发展模式
STATCOM技术主要呈现两种不同的发展模式。一种是以配电网终端用户无功就地补偿为目标的配电网STATCOM（D-STATCOM）技术。另一种是以高压输电系统无功集中补偿及电压支撑为目标的大功率高压STATCOM技术。
1.1 配电网STATCOM
配电网STATCOM技术着重于应用各种智能控制算法和检测手段以提高动态响应速度，并在一定范围内兼顾负载谐波及不平衡的补偿[2-3]。由于电压等级较低，补偿容量较小，配电网STATCOM可以采用开关频率较高的电力电子器件，变流器结构也相对比较简单。对于配电网STATCOM而言，存在着设备利用率较低、相互之间缺乏协调控制、大量使用存在资源浪费以及因技术不完善带来新的谐波污染等问题。
1.2 高压STATCOM
大功率的高压STATCOM 技术则着重于采用多重化或链式结构等技术，提高补偿装置的容量和电压等级，以发挥提高系统备用无功容量、阻尼系统振荡和稳定系统电压的作用。由于电压等级高，补偿容量大，高压大功率STATCOM容易受到电力电子功率器件耐压等级和耐流水平的限制。开关频率较低，主电路结构较为复杂，相对于配电网STATCOM而言成本较高，体积较大。高压大功率STATCOM能够对电力系统关键节点进行集中无功补偿和电压支撑，补偿效果好，对系统稳定改善作用明显[4]。
2 国际发展研究
静止同步补偿器STATCOM（Static Synchronous Compensator）,早期在美国被称为静止同步调相机（Static Synchronous Condenser,STATCON）,在欧洲被称为先进静止无功补偿器（Advanced Static Var Compensator,ASVG）,在日本被称为静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）。直到1995年，在国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会（Gigre-IEEE）上，才统一被称为STATCOM。STATCOM的
2.1 高压多重化结构的发展研究
STATCOM技术的出现，可以追溯到上世纪70年代，德国学者S.Jager和美国学者L.Gyugyi等人在其论文中就开展了对多种电力半导体变流器的研究。在此基础上，日本、美国和德国等国家研制出了一些容量不等的静止无功补偿装置[5-6]。在1979年，日本三菱公司和关西电力公司就研制出了世界上第一台采用强迫换流方式的容量为20MVar的SVG产品，并进行了投运实验。此后，美国GE公司、日本三菱公司以及西屋公司也分别于1988年、1991年和1995年研制出了容量为10MVar、80MVar和100 MVar的STATCOM装置，均是采用高压多重化的基本结构。它们的原理如图1所示,多重化STATCOM技术需要采用特殊制造的多重化变压器将多个逆变单元并联接入到高压线路当中。
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图1 STATCOM高压多重化结构
Fig 1 High voltage multiple structure of STATCOM
2.2 高压链式结构的发展研究
1997年西门子公司研制出单套容量为8MVar的STATCOM装置，并在丹麦的Rejsbyhede风电场投入运行。2000年英国ALSTOM公司也研制出了基于链式结构的±75MVar大容量STATCOM[7]。这些高压大容量的STATCOM均需要采用一台或多台升压变压器，同时为了降低功率器件的电压，使用了大量的器件串联，并留有相当的冗余度。
2.3 链式比多重化的优势
与采用变压器多重化逆变器的STATCOM相比较,采用链式多电平的STATCOM具有以下显著的优点[8]:节省了多重化变压器,从而大大降低了装置的损耗,并且避免了变压器铁磁非线性带来的问题,减少了占地面积；由单相逆变桥基本独立单元构成，易于实现模块化生产和冗余运行，提高了可靠性。
3 国内发展研究
相对于国外技术发展的历史，我国在STATCOM技术方面的研究虽然起步较晚，但发展速度迅猛，过去十几年间取得了长足进步和突破性的发展，逐渐接近国际先进水平。
3.1 国内较早的发展研究
1999年，清华大学与河南电力局合作研制出了我国首台新型20MVar的STATCOM装置[9]，并在河南220kV电网中成功投入运行。该STATCOM装置采用了电压型三相逆变单元四重化技术，输出三相10kV交流电压。虽然未采用复杂的多重化变压器，但取而代之的是四台具有不同联接组别结构的升压变压器并联接入电网运行。
2001年国家电力公司电力自动化研究院研制出±500kVar的STATCOM，并投入运行。该STATCOM逆变器采用了三电平结构，并通过三相三绕组变压器与系统连接。
2006年，许继集团、清华大学和上海市电力公司合作研制出了基于IGCT的10级链式结构的±50MVarSTATCOM装置[10]，并投入了工业运行。采用链式结构的目的是为了降低每个功率器件的电压，同时其交流输出侧专门设置一台升压变压器与系统连接。
3.2 国内最新发展研究
最近,中国南方电网公司相继投产了四套容量为±200MVar的STATCOM装置，创造出STATCOM容量世界最大的记录。该四套STATCOM装置分别是：东莞市500千伏东莞站STATCOM装置（2011年投产）；东莞市500千伏水乡站STATCOM装置（2013年投产）；广州市500千伏北郊站STATCOM装置(2013年投产)；广州市500千伏木棉站STATCOM装置（2013年投产）。此四套STATCOM装置皆由荣信电力电子股份有限公司生产。该四套STATCOM装置技术大同小异，下面以东莞市500千伏水乡站STATCOM装置作简要介绍。
1) 东莞市500千伏水乡站STATCOM装置采用集装箱式（东莞站亦采用集装箱式，北郊站及木棉站采用厂房式），共有八个集装箱，其中六个阀组集装箱和两个水冷集装箱，控制保护等二次设备放在现场新建的继电器小室[11]。
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图2 水乡站STATCOM三角形联结链式结构主电路
Fig2 Shuixiang Substation STATCOM’s main circuit of
triangle connection and chained structure
2) 如图2、图3（DL是断路器、CT是电流互感器）所示。整套±200MVar STATCOM装置由两套±100MVar 分STATCOM装置并联构成，它们共用一套控制系统而成为一个整体。STATCOM主电路每相由27级功率单元串联形成多电平链式结构（其中3级冗余及电平55个），每相主电路首尾各串联一个连接电抗器，三相采用三角形联接后接至35kV电压等级，再经500kV/35kV专用变压器升压连接到500kV母线。每个功率单元均相同，都是单相全桥结构（因形似俗称H桥），主要由四个全控制功率器件和充电电容组成，具有旁路功能（即故障功率单元交流侧从主电路中被短路自动退出，其余健全功率单元继续运行）。全控型功率器件选用IEGT[12]。
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图3 水乡站STATCOM接入系统示意图
Fig3 Sketch diagram of Shuixiang Substation STATCOM’s connecting to power system
3）采用移相SPWM脉冲控制技术获得良好的谐波性能。采用瞬时无功功率理论分相计算控制获得快速的动态响应性能。主要使用PI控制器的闭环反馈调节器实现精准平滑的控制性能[13]。
4）控制模式分五种：稳态定电压控制模式；稳态定无功控制模式；暂态快速无功补偿控制模式（包括暂态定电压控制和零无功控制）；调试控制模式（包括手动定无功控制和手动定电流控制）；远方控制模式（包括远方定值模式和远方曲线模式）。五种控制模式可设定优先级，一般暂态快速无功补偿控制模式最优先。控制模式切换能平滑快速过渡[14]。
5）STATCOM主要技术参数：额定电压35kV；最高持续运行电压40.5kV；额定频率50HZ；额定容量±200MVar；三相接线方式是三角形联接;每相连接电抗14mH（2x7mH，首尾各一个）；功率单元直流电容8400uF；阀组功率单元总直流电压67.5kV，（2.5kVx27）；阀组功率单元之开关频率250HZ；IEGT功率器件标称电压4500V；IEGT功率器件标称电流1500A；IEGT最大不可恢复浪涌电流10kA；输出电流由额定感性电流转换到额定容性电流的时间不超过20ms；在暂态定电压控制模式下的过载能力为输出电流达到1.5倍额定电流、或输出功率达到1.5倍额定容量(即300MVar)且持续时间不小于5秒。
该四套±200MVar STATCOM装置投入南方电网运行后效果良好，能在系统故障时快速响应，瞬时提供动态无功补偿，支撑系统电压，减少南方电网多回直流在系统故障时换相失败的概率，缩短故障情况下系统电压恢复时间，提升电网抵御故障的能力，保障了南方电网安全稳定运行。
4 STATCOM与SVC性能比较分析
SVC作为另一种动态无功补偿设备，在电力系统中也得到了广泛的应用。然而相对于SVC而言，STATCOM动态无功补偿技术更为先进。STATCOM可以根据电网或负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或感性），本质上可以将其等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。
由于STATCOM通过电压源型变流器对三相间瞬时无功进行协调控制，从原理上避免了采用大容量固定电容、电感元件进行无功交换，极大地降低了无功补偿设备的体积和成本。
STATCOM与SVC进行比较，STATCOM的主要优势总结如下[15-19]：
1）响应速度更快
STATCOM可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的过渡转换，这种无可比拟的响应速度完全可以满足应对电网暂态故障的要求。
2）抑制电压闪变能力更强
SVC对电压闪变的抑制最大仅可达2:1，而STATCOM对电压闪变的抑制可以达到5:1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随着补偿容量的增加而增加；而STATCOM由于响应速度快,增大容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
3）运行范围更宽
STATCOM能够在额定感性无功功率到额定容性无功功率的范围内工作，比SVC的运行范围宽很多。当SVC需要在正负全范围运行时，需要TCR和FC配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。更重要的是，在系统电压变低时，STATCOM还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱，这是SVC技术的本质缺点。
4）补偿功能多样化（仅针对变压器多重化方案）
同一套STATCOM装置可实现多种不同的补偿功能：仅补偿电网或负载的无功；仅补偿电网或负载的谐波；仅补偿电网或负载的不平衡；同时补偿电网或负载的无功、谐波和不平衡。STATCOM装置应用更为灵活。
5）谐波性能更好
STATCOM多采用PWM脉冲控制技术、多电平技术和多重化或链式结构技术，不仅自身对电网产生的谐波量极低，而且还能对电网或负载的谐波进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到功能多样化。而TCR和TSC自身均要对电网产生很大的谐波电流，还需要增装相应的FC滤波装置，附加额外成本。
6）占地面积较小
由于无需采用大容量的电容和电抗器等储能元件，STATCOM的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以在土地资源紧张的新建或改造项目中STATCOM具有很大的优势。
5 结语
本文介绍了STATCOM装置国内外研究发展应用过程情况，着重介绍了中国南方电网公司最近投产的四套±200MVar STATCOM装置情况。分析了STATCOM相比于SVC具有的响应速度更快、抑制电压闪变能力更强、运行范围更宽、补偿功能更多样化、谐波性能更好、占地面积更小等优势。说明了STATCOM技术发展迅速、应用广泛的根本原因。STATCOM装置是电力电子大功率器件技术、现代控制技术及计算机技术的综合结晶[20]。可以展望随着多重化、链式结构、瞬时无功功率理论、SPWM脉冲控制、全控型大功率器件等技术要素在STATCOM装置的进一步融合，将使STATCOM装置在风电、输电、铁路及治金等领域发挥更大更重要的作用。
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论文作者:郭约法
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
标签：链式论文; 电压论文; 装置论文; 电网论文; 功率论文; 技术论文; 谐波论文; 《电力设备》2018年第22期论文;