静止无功补偿技术STATCOM
静止同步补偿器(STATCOM)技术的应用及发展现状
浅谈STATCOM技术的应用及发展现状戚莹莹，吴江峰西安理工大学自动化学院，陕西西安710048摘要静止同步补偿器（STATCOM）是柔性交流输电系统的核心。
详细分析了静止同步补偿器的基本工作原理、分类、元器件选择等，对静止同步补偿器的控制方式进行了综合与比较，综述了静止同步补偿器的应用及发展现状，并提出今后静止同步补偿器的发展趋势。
关键字静止同步补偿器；逆变器；控制方式AbstractKeywords1 概述静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM ）是柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）的核心装置和核心技术之一。
在此之前，又称ASVG、SVG、STATCON、ASVC，直至1995 年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会建议采用静止同步补偿器（STATCOM）[1]。
静止同步补偿器采用新一代的电力电子器件，如：门极可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极型晶体管（IGBT），集成门极换向晶闸管（IGCT），并且采用现代控制技术，其在电力系统中的作用是补偿无功，提高系统电压稳定性，改善系统性能。
与传统的无功补偿装置相比，STATCOM 具有调节连续，谐波小，损耗低，运行范围宽，可靠性高，调节速度快等优点，自问世以来，便得到了广泛关注和飞速发展。
我国电力工业发展迅速，其需求将保持持续、快速的增长态势而且需求规模在增大，当前我国电力事业可靠性要求高、实用性强；经济效益突出；节能，环保、高效成为主要趋势。
STATCOM 的广泛应用使得电力系统更加稳定高效，符合当今社会电力工程发展趋势。
2 STATCOM 的工作原理2.1 基本工作原理STATCOM大体上分为电压源型和电流源型，在实际应用中大多使用电压源型（采用电压型变换器Voltage-sourced inverter，VSI）。
图1 用以简单说明基于VSI的STATCOM的工作原理。
静止无功补偿器STATCOM在电力系统中比较分析
２ ． ３ ． １并联 电容器 （ 或电抗器 Ｆ Ｃ） 并 联 电容 器 （ 或 电抗 器 Ｆ Ｃ） 是 通 过 断 路
器 来 进 行控 制 的 ， 同 时 利 用 电抗 器 或 者 电容 器
４结束语
由于 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ 的优 点 很 多， 因而 ，新
时期 的无功 功率 补偿 装置 的发 展趋 势就 是将 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ ＯＭ 当成一种 新型的无功功 率补 偿调节 装置 ，丽 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ ＯＭ 已经逐步成为 国际电力行 业的重要研究课题 。然而 ，依然存在一些 因素 （ １ ）和 电力系统对无 功容量的要求相 比， 逆变器的容量还不够大 ，如今 ，只有采 用先进
闸管投切 电容 器 （ Ｔ Ｓ Ｃ ）、磁 阀式可控 电抗器 制 约 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ ＯＭ 的发 展 ，其 中包 括 ： 具有如下特点 能适应 负荷变化 比较快 的场合
响应时间短 ，约为 １ ０ ｍｓ 。
的技术、有效消除谐波与提高 电压等级 、链式
连接技术和多 电平技术来提高逆变器容量 。
电子技术 ・ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
静 止无功 补偿器 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ 在 电力系统 中比较分析
文／ 王 杰
就 可以得到交变的电压波。在去除里面的谐波 最 终使 得输 电线 路稳 态传输 功率 极 限得 以提
现 如 今 ， 电 力 系 统 的 规 模 越 来越 大，电 力电 子技 术 的发展 速 度 也 在 不 断加 快 ，Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ以其 独 特 的性 能成 为 了新 时期 的无 功补 偿装 置 。本 文主要 介 绍静 止 无功 补偿 器Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ基 本 原 理 、 技 术 特性及其优越性相 关内容 。
statcom原理及控制方法
1、前言静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，是目前最先进的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。
STATCOM 的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90 ，从而对系统所需的无功进行动态补偿。
早期有文献称之为静止无功发生器(Static Var Generator, SVG) 。
利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在20 年前就已经为人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。
直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO 的出现，才极大的推动了STATCOM 的开发和应用。
STATCOM 是并联型FACTS 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器SVC 相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代SVC 成为新一代的无功电压控制设备。
目前，世界上已有多台投入运行的大容量STATCOM 装置，如表1-1 所示。
由此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了STATCOM 的应用开发技术。
2006 年 2 月28 日，由上海电力公司、清华大学、许继集团公司等单位共同研制的±50Mvar STATCOM 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。
表1-1 国内外已在输电系统投运的STATCOM 装置（UPFC 并联部分为STA TCOM）表1-1 中除最后一项外，全部采用了变压器多重化的主电路方案，主电路拓扑为图1-1。
变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波。
然而，多重化变压器的引入带来了很多问题：首先，它的价格非常昂贵，约为成本的1/3～1/4；其次，它使装置增加了50％左右的损耗和40％左右的占地面积；第三，变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，同时也是引发装置故障的重要原因。
无功补偿技术的比较研究
无功补偿技术的比较研究无功补偿技术是电力系统中常用的一种技术手段，广泛应用于电力传输和分配过程中。
本文将对当前常见的三种无功补偿技术进行比较研究，包括静态无功补偿、动态无功补偿和混合无功补偿技术。
一、静态无功补偿技术静态无功补偿技术是通过静止性电子器件实现的无功补偿。
常见的静态无功补偿技术包括静态无功补偿装置（SVC）和静态同步补偿装置（STATCOM）。
SVC通过可控硅器件来实现电容和电感的不同接入方式，并通过控制这些器件的导通使无功功率补偿装置进行补偿。
STATCOM则通过采集电网电压的信息，在电源侧通过控制逆变器输出的电流来补偿无功功率。
静态无功补偿技术具有调节速度快、无功补偿效果好的特点，尤其适合对系统电压稳定性要求较高的场合。
然而，静态无功补偿技术的造价较高、容量限制较大，因此在大型电力系统中应用较多。
二、动态无功补偿技术动态无功补偿技术是通过旋转机械设备实现的无功补偿。
常见的动态无功补偿技术包括同步电动机无功补偿装置（SVC）和风力发电机组无功补偿装置。
同步电动机无功补偿装置通过调节同步电动机的励磁电流来实现无功功率的补偿。
它具有快速响应、无功补偿效果好等特点，但是同步电动机的容量相对较大，造价较高。
风力发电机组无功补偿装置则通过调节风力发电机组的功率特性，实现无功功率的补偿。
它具有无需外部电源、容量可调节等优点，但在风电系统中的应用场景有限。
三、混合无功补偿技术混合无功补偿技术是将静态和动态无功补偿技术相结合的一种补偿方式。
常见的混合无功补偿技术包括STATCOM与风力发电机组的组合、SVC与同步电动机无功补偿装置的组合等。
混合无功补偿技术通过充分发挥静态和动态无功补偿技术的优势，提高了无功补偿的效果和灵活性。
它既能提供快速响应的能力，又能在容量限制方面更加灵活。
然而，混合无功补偿技术的内部机构复杂，控制难度较大。
总结：静态无功补偿技术、动态无功补偿技术和混合无功补偿技术各有其优缺点。
静止式动态无功补偿器(STATCOM)拓扑结构研究的开题报告
静止式动态无功补偿器(STATCOM)拓扑结构研究的
开题报告
1、研究背景和意义
静止式动态无功补偿器(STATCOM)是一种新型的柔性交流输电技术，能够有效地解决电网的无功问题和电压稳定问题，使电网变得更加稳定
和可靠。
因此，STATCOM的研究对于提高电网的稳定性和可靠性具有重要的意义。
当前，国内外对于STATCOM的研究越来越多。
针对STATCOM的控制策略、模型建立、拓扑结构等方面进行了深入的研究。
但是，目前还
存在一些问题，如何将STATCOM的性能进一步提高，如何从拓扑结构上对其进行优化等等。
2、研究内容和方法
本研究的主要内容是对于STATCOM拓扑结构的研究，主要包括以
下方面：
1）分析现有的STATCOM拓扑结构，对其进行分类，并对其进行优化分析；
2）运用MATLAB/Simulink等软件进行仿真分析；
3）对优化后的拓扑结构进行实验验证，对比分析拓扑结构优化前后的性能差距。
3、研究计划和进度安排
1）第一年：分析现有的STATCOM拓扑结构，并进行优化分析；
2）第二年：进行仿真分析，验证拓扑结构的优化效果；
3）第三年：对优化后的拓扑结构进行实验验证，进行性能差距的分析。
4、研究预期结果
本研究的预期结果为：
1）对现有的STATCOM拓扑结构进行分类，并对其进行优化分析；2）提出拓扑结构的优化方案，提高其性能；
3）通过仿真和实验验证，对比分析结构优化前后的性能差距。
并联静止补偿器SVC和STATCOM
可控并联补偿能有效支撑电压，提高输电能力，增强 暂态稳定性。 中点电压调节能显著提高暂态稳定裕度。 实际并联补偿器容量问题。
7
1 并联补偿目的4：阻尼功率振荡
电力系统欠阻尼，小扰动导 致整个机电系统乃至输电功 率振荡。 阻尼功率振荡：发电机加 速，需增大输电功率；发电 机减速，需减小输电功率。 容性无功为正，感性无功为 负，Bang－Bang工作模式与 连续可调工作模式。
15
V 4 sin cosn n cos sin n I Ln 2 n n 1 L
2 可控无功产生方法：变阻抗型（TCR、TSR）
方法1：m 个TCR并 联，其中 1个触发 延迟角控 制，其它 TSR开关 顺序控制
2 可控无功产生方法：变阻抗型（FC＋TCR）
同步定时 电路： PLL； 把无功电 流（导纳） 变换为触 发角：模 拟和数字 方法； 计算所需 的基波电 抗电流； 24
产生SCR触发脉冲：磁耦合或光触发。
2 可控无功产生方法：变阻抗型（FC＋TCR）
FC＋TCR相当于提供可变的无功导纳，产生可变的无功补偿电流，其V －I工作区见上图，同样受电压、电流耐量的限制； 动态性能与TCR的触发角控制有关，存在传输延时Td； 单相TCR，平均传输延时Td＝T/2，三相6脉冲TCR，平均传输延时Td＝ T/3，三相12脉冲TCR，平均传输延时Td＝T/6 。 1 Td s 25 G s ke k 1 Td s
8
1 并联补偿目的：对补偿器的要求
在所有工况下，补偿器都必须与交流电力系统同步 运行，故障清除时，补偿器必须能立即再次捕获同 步运行； 补偿器必须能按照系统要求进行电压调节以支撑端 电压、提高暂态稳定性、阻尼功率振荡； 双机系统的最佳无功补偿位置是其中点，而单机系 统的最佳无功补偿位置是其负载端； 不同无功补偿方法的功能特性、响应时间、投资费 用、运行成本、安装要求和损耗各有不同。
静止无功补偿技术STATCOM
1 STATCOM参数估计——控制角范围
1 2 P * R
*
* PN
Q
*
1 R
*
输出额定无功时
*
R
1 2 * N R 1 * Q N 1 * N
譬如：X =0.2，X/R=5 * R =0.04 * N ， =2.3 P =4% 额定损耗决定了的范围！
N P R
一、STATCOM的基本工作原理
1 STATCOM的等效电压源特性 设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制 方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压
• 与电源电压同步（频率相同）
• 幅值可调 • 相位可调（以电源电压为参考）
＝同步发电机
U g
Udc
U U g g
控制与驱动
可调电压源的一种实现方法示例
8 标幺化模型的基准选择 交流侧
U base U S .N
Sbase QSTATCOM . N
Z base
2 U base
uVSI
3 U dc sint 2
Sbase
直流侧
UVSI kV U dc
1 Ubase.dc？ U base kV
9 标幺化模型
交流侧 简化
U S sin
R I
U g U S cos U S sin Ug US cos sin
X R
X X 1 R R
7 基于损耗的潮流分析模型
2 US 2 US Q sin 2 2R
Q
P
R
(sin ) 2
P
本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。
静止无功补偿技术
4静止无功补偿技术_STATCOM
主要内容无功补偿技术的发展 静止无功补偿器（SVC ）技术 静止同步补偿器（STATCOM ）技术一、无功补偿技术的发展补偿方式——动态补偿/静态补偿：是从补偿原理上来讲的。
动态补偿是指补偿电流能自动跟随负荷无功电流的变化而连续变化；静态补偿是指补偿容量在相对比较长的一段时期内（譬如1min以上）是固定不变的。
补偿装置——静止补偿器/机械开关式补偿器：是从补偿装置的调节机构来讲的。
静止补偿器（装置）是指补偿装置的调节机构中没有机械运动部件，譬如SVC、SVG、STATCOM等。
一般而言，静止补偿器属于动态补偿。
两个基本概念⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧有源型无源型按原理划分串联型并联型按结构划分基本类型无功补偿装置的基本类型无功补偿技术的进展慢速无功设备快速无功设备第一代机械开关投切断路器延迟MSC/MSR晶闸管相控开关第二代2 -3 周波SVCPWM 调制开关GTO, IGBT, IGCT第三代1-2 周波STATCOM无关有关有关有关补偿性能与系统阻抗较小较高无负荷时较小无负荷时较高功率损耗小大无无谐波发生量平滑调节平滑调节有级投切有级投切补偿方式快较快快慢响应特性+Q LD ~ -Q LD+Q LD ~ -Q LD Q LD ~0Q LD ~0补偿范围Q VSI = Q LDQ C =Q L =Q LDQ C = Q LD Q C = Q LD 额定容量GTO、IGBT 晶闸管晶闸管接触器、断路器开关器件STATCOM TCR型SVC TSC型SVC FC 固定电容器项目无功补偿装置技术性能的比较DSTATCOM 的特点z响应时间快。
受电容器放电时间所限制，自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟；SVC的响应时间约为20~100ms；STATCOM装置补偿响应时间可达5ms以内，真正实现动态补偿。
抑制电压闪变或跌落。
STATCOM装置可以有效的抑制电压闪变或跌落。
z 连续补偿，功率因数接近于1.0。
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静止无功补偿技术STATCOM
一、STATCOM的基本工作原理
静止无功补偿技术STATCOM
1 STATCOM的等效电压源特 性
设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制 方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压
• 与电源电压同步（频率相同）
• 幅值可调
＝同步发电机
• 相位可调（以电源电iL.p+ iL.q
电
负
uc
荷
u abc iL .abc
iC = iL.q
负荷无功 电流计算
IL.q + -
IC
δ 调节器 λ
PLL wt
PWM 发生器
PWM信 号
驱动电路
静止无功补偿技术STATCOM
DSTATCOM
U S
o
3 VSC变换器的四象限运行区
间
U g I U S UG
静止无功补偿技术STATCOM
1 STATCOM参数估计——控制角范
围
P*
1 R*
2
Q* 1
R*
输出额定无功时
PN*
1 R*
2 N
1 R*
N
QN*
1
譬如：X*=0.2，X/R=5 R*=0.04 =2.3，PN*=4%
额定损耗决定了的范围！
N PN* RN *
静止无功补偿技术STATCOM
2 STATCOM参数估计——直流电压范
• （9）STATCOM产生的无功电流，基本上不受系统电压的影响。对系统 电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，仍可保持最大无功电流。
•
正因为如此，STATCOM作为一种新型的无功补偿调节装置，应该
说是目前性能最好的无功补偿装置，也是现代无功补偿装置的发展方向。
它是国内外电力系统行业的重点研究课题之一。
围
Q* 1
R*
Ud*c
1
X* R*
零无功输出时
Q0000
U
* dc.0
1
增量
连接电抗决定了
直流电压逆变电压 无功的输出范围！
Ud*cUd*cUd*.c0X R**
U g
U dc
U g U g
控制与驱动
静止无功补偿技术STATCOM
可调电压源的一种实现方法示例
u
ur uc
•双极
O
t •2电平
uo
u of
uo
Ud
•载波比
•调制深 度
O -U d
图 6 - 6静止无功补偿技术STATCOM
t •载波 •调制波
2 低压STATCOM的典型电路
ua
用
ub
jX
jX
S U I*
P
P USUg sin
Us
X
Q
Ug
UL
Q US US Ug cos
X
0 ~ 2
静止无功补偿技术STATCOM
4 STATCOM的理想运行区间
o Us
Ug
P=0 UL Q
P0
Q US US Ug X
0
静止无功补偿技术STATCOM
5 STATCOM的实际运行区间
R
P
Q
U
2 S
sin2
2R
Q
本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。
静止无功补偿技术STATCOM
8 标幺化模型的基准选择
交流侧
UbaseUS.N
uVSI
3 2
U
dc
sint
SbaseQSTATC.O NM
Zbase
U b2ase Sbase
直流侧
UVSI kVUdc
Ubase.dc？
1 kV
o
Us
Ug
P
0 ~ 6
UL Q P USUg sin
X
Q US US Ug cos X
静止无功补偿技术STATCOM
US 0
I
US sin IR P (US sin ) I
Q (US cos ) I
6 STATCOM的损耗分
析
jX
R
Ug
P, Q, i
STATCOM
UG—是一
个理想的 纯无功发 生源
US cos
U S
jIX
U g
US sin
IR
I US sin
R
P
U
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2
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Ug
US
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U S
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X R
Q
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)
2R
U g cos sin X 1 X
US
R
R
静止无功补偿技术STATCOM
7 基于损耗的潮流分析模型
P
U
2 S
(sin )2
• （7）连接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，除能将变流器和电 网这两个交流电压连接起来，所以所需的电感量不大，量值远远小于补 偿容量相同的TCR等SVC装置所需电感量。如果运用降压变压器将 STATCOM接入电网，还可利用降压变压器的漏抗，进一步减小使所需 的连接电抗；
• （8）STATCOM端电压，对外部运行条件和结构变化不敏感。当外部系 统容量与补偿器容量接近时，SVC将会变得不稳定，但STATCOM仍可 保持系统电压稳定；
静止无功补偿技术
静止无功补偿技术STATCOM
STATic synchronous COMpensator
STATCOM ——静止同步补偿器技术
静止无功补偿技术STATCOM
STATCOM的优点 • STATCOM是基于GTO或IGBT的电压型逆变器和直流电容器构成的。
它是现代柔性交流输电系统（FACTS）的核心部分，同以往的静止无功 补偿装置相比较，STATCAM具有以下优点： • （1）静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，没有磨损，也没有机 械噪声，很大程度上提高了装置的使用寿命； • （2）在提高系统的暂态稳定性，阻尼系统振荡等方面，STATCAM也 是传统的同步调相机所不能比拟的； • （3）在STATCOM装置中，采用直流电容器来替代交流电容器，可以 省去常规装置中的大电感，大电容及相关的切换机构，故能减少 STATCOM装置的体积，降低损耗； • （4）STATCOM为电压源逆变装置，电容器的容量小，在网络中普遍 使用，不容易产生谐振；
静止无功补偿技术STATCOM
• （5）STATCOM控制灵活，调节范围广，无论在感性还是容性的工况下， 都可持续快速调节，响应时间为20~30ms。基于PWM调制的 STATCOM装置，其最快的响应时间可在10ms左右
• （6）谐波量小。在STATCOM中，一般采用桥式交流电路的多重化技术 和多电平技术，或者PWM技术进行处理，以消除较低此谐波，使较高次 谐波如7，11次谐波等，减小到可接受的程度；
Ubase
静止无功补偿技术STATCOM
9 标幺化模型
P*
1 R*
sin2
Q* 1 sin2
2R*
交流侧 简化
P*
1 R*
2
Q* 1
R*
直流侧
Ud*cUg *1X R1X R**
静止无功补偿技术STATCOM
二、STATCOM的工作参数估计
STATCOM系统的工作参数除了交流电源 的参数和本身的额定容量外，主要有两个：控 制角和直流侧电压。