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摘要：本文介绍了静止同步补偿器STATCOM的基本原理、技术特点、系统接线方式以及富宁换流站装设的STATCOM控制保护系统的组成及工作原理，阐述了STATCOM的具体应用及其系统控制策略。
关键词：静止同步补偿器；STATCOM；控制保护系统；工作原理；控制策略
STATCOM Application in funing converter station
Duan Wen Xue1，Tan Wu Guang2
Yunnan power grid co.，LTD wenshan power supply bureau1，Yunnan Wenshan，663000；
Yunnan power grid co.，LTD.Education training evaluation center2，Yunnan Kunming，650204）
Abstract：This paper introduces the basic principle of static synchronous compensator STATCOM，technical characteristics，system connection mode and funing installing STATCOM control protection system the composition and working principle of this paper expounds the concrete application and system control strategy of STATCOM.
keyword：Static synchronous compensator；Ststcom；Control protection system；working principle；The control strategy.
0.引言
直流输电系统中的换流器在运行时，需要消耗大量的无功功率，约占换流变额定容量的40—60%，而且随着直流运行方式或负荷的变化，所需无功功率也随之在较大范围内变化，这给调节无功功率，维持交流系统电压的稳定带来了一定困难。靠人工投切无功电容器组或电抗器及自动投切交流滤波器来调节无功功率，已不能满足系统运行的需要。又因投切无功电容器组或电抗器及交流滤波器存在阶梯性，尽管交流滤波器有一定的无功补偿能力，但它只能发出容性无功功率，不能实现无功功率的平滑调节。为实现无功功率的双向调节和平滑调节，保持系统无功功率的平衡，维持系统电压在规定的允许范围之内。采用在换流站装设静止同步补偿器（简称STATCOM），实时跟踪监测系统无功功率的需求，由静止同步补偿器吸收或发出所需的无功功率，更好地平衡系统的无功功率，以维持系统电压在规定的允许范围之内。
1.STATCOM基本原理
静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，简称STATCOM）较传统的无功补偿装置SVC等具有补偿范围宽、响应时间快、补偿功能多样化、占地面积小等技术优势，有着广阔的应用前景，可产生明显的社会效益和经济效益，是目前无功补偿相关领域的研究热点。
STATCOM是当今无功补偿领域最新技术应用的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需要的无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。一方面有效解决了谐波干扰及投切并联电容器组（或电抗器）装置的问题，另一方面，可根据用户实际要求抑制或治理谐波，改善电能质量。将电压型逆变器（Voltage Sourced Converter，简称VSC），经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源补偿装置，不仅可以跟踪补偿冲击型负荷的冲击电流，而且也可以对谐波电流进行跟踪补偿。
2.STATCOM技术特点
IGBT型补偿装置STATCOM相对于传统的固定电容补偿、机械开关投切电容器，晶闸管投切电容器为主要代表的补偿方式，有着无可比拟的优势。
1）具备抗谐波功能，更保障系统安全。STATCOM是可控电流源，只补偿基波无功电流，系统谐波电流不会造成补偿设备损坏，使其寿命延长、维护工作量少。同时避免电容器组可能造成的谐波放大，防止系统其他设备及补偿设备因谐波过电压而损坏。
2）动态连续平滑补偿，更高的响应速度，使电压闪变的补偿效果更好。STATCOM可随负荷变化，动态连续补偿功率因数，可以发无功，也可吸收无功，彻底杜绝了无功倒送的情况。
3）能够解决负荷的不平衡问题。
4）不仅不产生谐波，而且能在补偿无功功率的同时动态补偿谐波。
5）电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响，而传统SVC具有阻抗型特性，输出电流随母线电压线性降低。STATCOM用于电压控制时具备很大的优势，系统电压越低，越需要动态无功支撑电压，STATCOM输出无功电流与系统电压没有关系；而系统电压越低，SVC输出无功电流的能力越下降。
3.STATCOM工作原理
PSC-9583静止无功发生器（STATCOM）系统基于电压型变流器，采用目前最为先进的无功补偿技术，不再采用大容量的电容和电感器件，将IGBT构成的桥式电路经过变压器或电抗器接到电网上，适当地调节桥式交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态调整控制目标侧电压或者无功的目的，图1为STATCOM的基本拓扑结构。
STATCOM的三种运行方式下电压、电流的幅值和相位关系如下图2、图3所示（UI—STATCOM输出电压，US—系统电压）：
1）空载运行：当UI= US时，STATCOM不起任何补偿作用；
2）发无功：当UI> US时，STATCOM输出的无功电流超前电网电压，STATCOM发出容性无功，且无功功率可连续调节；
3）吸收无功：当UI< US时，STATCOM输出的无功电流滞后电网电压，STATCOM吸收容性无功，且无功功率可连续调节。
IGBT换流原理：H桥结构及输出波形如图4所示，换流器接入交流系统后，交流电对直流电容充电，在Uds的正半周充电电流经VD1→C+→C-→VD3形成回路，在Uds的负半周充电电流经VD2→C+→C-→VD4形成回路，电容器充电后，IGBT具备触发条件，通过控制加在IGBT控制极的触发脉冲，使IGBT工作在逆变状态，将电容器的直流电压转变为交流电压，且还能通过改变触发角的大小来调节输出电压的大小，从而调节补偿容量。
1）在0—α1期间，T1和T2导通，T3和T4关断，H桥输出电压为0。
2）在α1—α2期间，T1和T3导通，T2和T4关断，H桥输出电压为+VDC。
3）在α2—α3期间，T3和T4导通，T1和T2关断，H桥输出电压为0。
4）在α3—α4期间，T2和T4导通，T1和T3关断，H桥输出电压为-VDC。
5）在α4—2π期间，T1和T2导通，T3和T4关断，H桥输出电压为0。
多个桥级联后，输出电压相互叠加，输出电压接近正弦波，如5个H桥级联，共11个电平，输出效果如下图5所示：
3.STATCOM系统接线及主要元件的作用
STATCOM系统接线图如图6所示：QS—隔离刀闸，QF1—支路开关，QF2—旁路开关，R—启动电阻。
连接电抗器：STATCOM的输出通过连接电抗器接入到35kV系统，可以实现能量缓冲，降低输出电流纹波。
启动装置：STATCOM系统在启动时需要先对直流侧电容进行充电，为了减小充电电流，降低对系统的冲击，采用启动装置来减小对系统的影响，启动装置原理接线如下图所示，主要由充电限流电阻R和旁路开关1KM组成。启动时先通过限流电阻R对STATCOM系统的直流侧电容进行充电，待电容电压达到预定值之后闭合旁路开关1KM后即可进入解锁并网状态。
4.STATCOM控制保护系统配置及各设备的作用
STATCOM控制保护系统主要由以下装置组成：1.STATCOM协调控制屏（PCS—9583：静止无功发生器（SVG）控制单元（主控单元PCP），PCS—9583 IO单元）；2.STATCOM控制保护屏A/B（PCS—9583：静止无功发生器（SVG）控制单元（主控单元PCP）），PCS—9583 IO单元）；3.STATCOM阀控屏（PCS—9589阀基控制单元VBC）4.阀组控制保护子单元（SMC）5.旁路开关操作回路及网络屏（CJX操作继电器箱，PCS—9882以太网交换机）6.STATCOM就地界面屏；7.STATCOM故障录波屏；8.STATCOM接口屏（DFU410：测量控制装置）；9.STATCOM阀冷控制屏（PCS—9532阀冷控制保护单元）。
STATCOM协调控制屏或控制保护屏接收来自直流站控系统的无功功率和电压控制目标参数，跟踪监测系统无功功率和电压实时运行参数，进行相应的运算和逻辑处理，转变成控制IGBT模块的系列触发脉冲，送到阀控屏，阀控屏再将触发脉冲转变为光信号，通过光纤送到各IGBT模块，由IGBT模块的控制单元SEC将光触发脉冲转化为电触发脉冲，控制IGBT模块的导通或截止，以改变STATCOM输出功率的大小或方向，维持系统无功功率（或电压）的平衡。同时IGBT模块的运行状态信息也通过光纤送到控制保护屏，以监测IGBT模块的运行状态和实时信息。控制保护屏还实时监测STATCOM系统的电压、电流、功率等运行信息，实现STATCOM系统的各种保护功能。
主控单元（PCP）：完成采样数据的接收和计算处理、同步锁相、有功和无功的控制或相关逻辑计算，开入开出处理，装置管理，对上位机通信，接收VBC上送的阀组总信息，发送命令至VBC；完成一次系统电压电流模拟量的采集和逻辑运算处理，实现相关的保护功能。PCS-9583静止无功发生器控制保护系统设置了三层保护，主要针对阀组和系统故障提供有效的保护功能，分别为器件级保护、换流链级保护和系统级保护。器件级由模块控制板卡完成，由硬件电路检测阀组内部器件级的故障并将其上送至VBC；换流链级主要针对角形接线换流链层级的保护；系统级保护主要针对STATCOM系统进行保护，此类故障一般为较严重的故障，当发生系统级故障时，STATCOM延时保护跳闸。
阀控单元（VBC）：对各功率阀组的状态信息和直流电容电压值进行汇总并通过光纤送到PCP，同时通过光纤接收PCP下发的信号，完成各功率阀组之间有功和无功的分配，实现各链接电容电压的平衡。
阀组控制保护子单元（SMC）：对各功率阀组的状态信息和直流电容电压监视进行采集，并通过光纤上送到VBC，同时接收VBC下发的相关控制命令和脉冲触发信号。
PCS—9700监控系统：监视STATCOM各部件的运行状态，根据系统情况及要求配置不同的控制方式和控制参数，使STATCOM运行在不同的模式下，达到预定的补偿目标，且可通过通信接口与站控和上级控制（或调度中心）保持相互传送信息和运行命令。
接口屏DFU410测控单元：完成STATCOM一次设备（开关、刀闸、地刀等）运行状态信号、电流和电压运行参数的采集处理，并上送到监控系统在后台显示，同时还可接收监控系统和控制保护系统下发的开关、刀闸的操作命令，完成相关设备的操作控制。
直流电容上的电压送到电源取能板供给驱动板和模块测控板的工作电源，还送到模块测控板变为光信号后送到控制保护屏，以监测模块电容电压。驱动板将控制屏送来的触发脉冲光信号转变为电信号，以触发可控硅。SCE测控板还接受控制保护系统发出的模块旁路开关的分/合闸信号，实现旁路开关的分/合操作。
5.结论
富宁换流站共装设3台STATCOM，每台容量为±100 Mar，总容量为±300 Mar，根据运行方式的变化，STATCOM可在不同的控制方式和控制策略下运行，实现无功功率的同步补偿或电压调节。
STATCOM的控制方式有协调控制方式和自主控制方式。协调控制方式时，STATCOM 的主要控制策略由 CCU 实现，包括无功控制模式、电压控制模式以及暂态控制模式。在协调控制无功控制模式下，STATCOM 根据 CCU 下发的无功指令值输出无功功率，每台STATCOM总无功限值设定在感性无功和容性无功分别为 60Mar。在协调控制电压控制模式下，协调控制器控制 STATCOM 的电压死区比直流控制系统的电压死区宽 1%（默认5.25kV），在电压死区内，STATCOM 保持固定的无功出力 Qref。直流控制系统将定电压控制的电压上限值和下限值经通讯传给协调控制器，协调控制器将相应的电压死区加宽。一旦当前 500kV 母线电压越过加宽后的上限和下限，协调控制器将调整出力控制母线电压重新进入加宽后的上限和下限内。
当STATCOM 控制保护系统在监视到退出协调控制模式下，进入自身的控制保护策略逻辑，主要有定无功控制策略和定电压控制策略。其中定无功控制策略下，通过遥调设定手动触发无功指令后，STATCOM 将依据该遥调指令以设定的无功调节速率完成无功调节控制，控制精度在 1%以内。当 STATCOM 接入的 500kV 系统电压进入暂态过程时系统从定无功模式下转入暂态控制模式，调节 500kV 电压至一定允许范围内。
STATCOM在额定电压下输出的实际无功功率可用测量值按下列公式确定：
式中：
Qact—— STATCOM 在额定电压下输出的实际无功功率；
Qmea——测量的无功功率；
Vnom——STATCOM 的额定电压；
Vmea——测量的母线电压。
参考文献：
[1]南瑞继保，《PCS-9583静止无功发生器（STATCOM）系统说明书》.
[2]陈思范，《基于TSC+STATCOM的无功补偿装置主电路的研究》.
[3]徐莉 陈林，《STATCOM技术分析与研究》.
[4]司马小，《STATCOM控制策略与装置结构设计》.
[5]张茂松，查晓明等，《链式D-STATCOM的无源控制》.
作者简介：
段文学：男，高级技师，变电四级助理技能专家，云南电网有限责任公司文山供电局。
谭武光：男，高级讲师，云南省中等职业教育电气运行省级学科带头人。
论文作者:段文学1,谭武光2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/8
标签：电压论文; 系统论文; 功率论文; 电流论文; 谐波论文; 单元论文; 电容论文; 《电力设备》2016年第16期论文;