statcom

STATCOM——靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, 簡稱STATCOM）是當今無功補償領域最新技術的代表，屬於靈活柔性交流輸電系統（FACTS）的重要組成部分。STATCOM並聯於電網中，相當於一個可控的無功電源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償電網系統所需無功功率，對電網無功功率實現動態無功補償。

基本介紹

• 中文名：靜止同步補償器
• 外文名：Static Synchronous Compensator
• 簡稱：STATCOM
• 領域：無功補償領域
• 系統：靈活柔性交流輸電系統的組成部分
• 連線方式：並聯

基本原理

STATCOM的基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件（如IGBT，GTO等）組成自換相橋式電路，經過電抗器並聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

STATCOM控制系統框圖

STATCOM分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。對電壓型橋式電路，還需再串聯上連線電抗器才能併入電網；對電流型橋式電路，需在交流側並聯上吸收換相產生的過壓的電容器。實際上，由於運行效率的原因，迄今為止投入使用的STATCOM大多採用電壓型橋式電路，因此，STATCOM往往專指採用自換相電壓型橋式電路作動態無功補償裝置。

分類

從理論上可以將STATCOM分為電壓源型和電流源型。就其電路結構來說，電壓源型STATCOM直流側並聯有大電容，保證在持續充放電或器件換向過程電壓不會發生很大的變化，橋側串聯電感，而電流源型STATCOM則是直流側串聯大電感，保證在器件換向或充放電器件電流不會有大的波動，橋側並聯電容。如圖2所示。

在實際套用中，常用的大容量STATCOM 採用的基本都是電壓源型結構。但是可以將SVG控制為電流源來進行無功補償[2-3]。文獻[4]提出了一種新的STATCOM 控制策略即採用電壓控制電流源（VCCS）的策略和改進的電壓控制電壓源（VCVS）的策略來補償電力系統公共連線點（Pointof Common Coupling，PCC）電壓不平衡，特別是在較小容量時採用VCCS 方式將能達到最好的補償效果。

按構成基本單元

逆變器模組，可以將STATCOM 分為單相橋二電平，三相橋二電平，三相橋多電平。在大容量高電壓等級的套用場合中，往往需要將多個低壓小容量變換器通過變壓器耦合（即多重化）[5] 或採用變壓器在交流輸入輸出側進行升壓或降壓，這樣會產生耗能、諧波含量大、系統效率低等缺點。而多電平變換器開關器件所承受的電壓應力小（如三電平變換器每個開關器件所承受的電壓應力是二電平的一半[6]），諧波含量少，損耗降低，因此在大容量場合得到廣泛套用和發展。

按構成元器件

可以將STATCOM 分為GTO型，IGBT 型，IGCT 型，SCR 型，GTR 型，MOSFET型。基於功率變換的FACTS 設備一般都採用全控型器件，主要是在GTO、改進型GTO（IGBT、MTO、ETO 等）和（HV）IGBT等器件中選擇。國際上第一個採用GTO 作為逆變器功率器件的STATCOM，是由美國EPRI 與西屋電氣公司研製的，容量依1Mvar。我國依20Mvar STATCOM和日本關西電力系統Inuyama 開關站依80Mvar STATCOM 均是採用GTO 作為功率器件的。IGBT 適用於小容量場合，由ABB公司研製的配電STATCOM（Distribution STATCOM，D-STATCOM），開關器件採用多個IGBT串聯[7]。

按電壓等級

可以將STATCOM 分為高壓輸電網補償和低壓配電網補償。在高壓輸電網中STATCOM需要通過變壓器連線到電網中。在低壓配電網中，通過電抗器並聯或直接並聯電網，即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是將橋式電路通過電抗器或直接並聯在電網上，適當調節電路交流側輸出電壓的幅值或相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路系統收穫發出滿足要求的無功電流，從而實現動態補償無功的目的。另外可以通過脈寬調製採用特定諧波消除的方法來消除特定諧波

現狀

國外

靜止無功發生器(SVG)也被稱為靜止同步補償器(STATCOM),是在20世紀80年代以來出現的更為先進的靜止無功補償裝置。STATCOM的研製一開始就受到日本、美國、德國政府和科研單位的重視，1980年日本研製出第一台20Mvar STATCOM。到90年代取得突破性的研究進展，1991年和1994年日本和美國分別研製成功一套80Mvar和一套100Mvar的採用GTO晶閘管的STATCOM裝置，並最終成功地投入商業運行。德國西門子公司的單機容量為8Mvar的STATCOM裝置也於1998年投入運行。

在國外，由於STATCOM理論研究起步較早，已步入工業化套用階段。另一方面，STATCOM的工業化套用對理論研究起了非常大的推動作用，新的理論研究成果不斷出現。我國在STATCOM研究方面起步較晚，直到進入九十年代以後，一些高等院校和科研機構開始進行STATCOM的研究，理論和套用都取得了很大進展，特別是2006年2月在上海黃渡分區西郊變電站併網試運行的±5OMvar STATCOM，核心技術達到了國際領先水平。

國內

在我國普遍採用的無功補償裝置主要是並聯電容器和晶閘管控制電抗器(TCR}及晶閘管投切電容器(TSC}。為了改變上述情況，在1994年，研製大容量STATCOM被列為電力部重點科研攻關項目，同年在電力部的支持下，河南電力局決定和清華大學共同研製±20Mvar的STATCOM。1999年3月清華大學FACTS研究所與河南電力局共同研製的用於220kV電網的±20MvarSTATCOM在河南電網成功投入運行。2001年2月國家電力公司電力自動化研究院也將士2OOkvar STATCOM投入了運行。通過以上研究獲得很多實踐經驗，並在理論上有顯著的發展，STATCOM套用規劃仿真研究也已相繼展開。

清華大學FACTS研究所在河南±20Mvar STATCOM研製經驗基礎之上，繼續研製上海西郊變±5OMvar STATCOM的關鍵技術。±5OMvar STATCOM裝置是一種新型的動態無功補償裝置，採用了基於IGCT的鏈式逆變器，具有可分相控制和運行、輸出動態無功回響速度快、輸出電流諧波小、輸出無功電流大小與系統電壓無關、不需多重化變壓器、占地面積小等特點。裝置的研製在建模、主電路及參數設計方法、分散式鏈節控制與保護、系統控制策略等方面取得重大突破，核心技術達到了國際領先水平。2006年2月28日，±5OMvarSTATCOM在上海黃渡分區西郊變電站併網試運行。

STATCOM的研究仍然是FACTS領域內一個重要課題，主要從構成大功率STATCOM主電路拓撲結構、多電平逆變器的調製方法、無功補償與儲能系統的結合、STATCOM的控制方法等幾個方面進行。

套用前景

動態無功及諧波補償裝置越來越廣泛地套用於電網及電力用戶端，用於提高電網電壓穩定性、改善用戶電能質量並達到節省電能的目的。

STATCOM可在如下幾個方面改善電力系統的性能：

（1）輸電和配電系統中的動態電壓控制；

（2）輸電系統中功率振盪的阻尼；

（3）暫態穩定性；

（4）電壓閃變的控制；

（5）如具有直流電源，不但可以控制無功功率，而且根據需要也可以控制所連線路上的有功功率。

STATCOM是靈活柔性交流輸電系統（FACTS）技術和定製電力（CP）技術的重要組成部分，用於配電系統中的STATCOM一般稱為D-STATCOM。STATCOM可直接接入400V~35kV電壓等級母線，克服傳統無功補償和諧波治理裝置存在的不足，為電網或用電負荷提供快速、連續有源動態無功補償和諧波濾波，可有效提高電網電壓暫態穩定性、抑制母線電壓閃變、補償不平衡負荷、濾除負荷諧波及提高負荷功率因數。

STATCOM可廣泛套用於：

電網樞紐變電站：提高系統暫態電壓穩定性，確保系統運行安全；

風力發電場：提高母線電壓穩定性，抑制振盪；

冶金行業、石化行業、礦山及電氣化鐵路：抑制電壓閃變、補償不平衡負荷、濾除負荷諧波及提高負荷功率因數；

其他行業：抑制電壓波動、濾除負荷諧波及提高功率因數。

套用

電能質量問題

（1）我國電網建設落後於電源建設，電網相對薄弱，在城市地區短路容量大，但在偏遠一些的地區，電網本身短路容量低，給電鐵供電的電網短路容量低；

（2）短路容量小及單相供電制式，導致負序問題突出，電壓不對稱問題凸顯；

（3）諧波問題還將在一段時間長期存在；

（4）功率因數低的問題將逐步得到解決；

（5）電壓波動與閃變問題一段時間將長期存在，因此動態無功補償是重點；

（6）弱供電網與機車的諧振隱患依然存在。

靜止同步補償

（1）牽引側兩相式STATCOM （RPC）

牽引變壓器二次側安裝的兩台（Single Static Power Conditioner）裝置，用於抑制三相電壓不平衡，該裝置能綜合治理諧波、無功、負序等功能諧振抑制等功能，稱為RPC（Railway Static Power Conditioner）。

（2）牽引變高壓側三相STATCOM

（3）系統側三相STATCOM

在牽引變接入點安裝三相STATCOM，主要目標是控制負序注入系統。

方案優缺點

（1）增大牽引變短路容量成本高；

（2）改進電力機車或加補償無法補償負序；

（3）平衡變壓器要求兩橋臂負荷大小相等、功率角相同才能消除負序，其它情況效果差；對於無功、諧波無效；

（4）高壓側SVC可有效消除負序與諧波，功率因數可為1；抑制供電臂上電壓波動效果差，抑制諧振效果差，占地面積大，回響速度>40毫秒；

（5）低壓側SVC補償功率因數、諧波效果好，但負序補償度差，占地面積稍大；

（6）高壓側STATCOM裝置比同容量SVC占地小1/3～1/2，回響速度快，對機車橋臂電壓波動補償效果差，損耗比SVC小，但造價高；

（7）低壓側STATCOM裝置除RPC外，負序補償能力差；

（8）RPC裝置是目前為止性能最好的電能質量補償裝置。

綜上所述，在保證STATCOM的高性能、高可靠性的條件下，RPC裝置是目前為止性能最好的電能質量補償裝置。STATCOM可廣泛套用於諧波、負序、電壓波動超標的牽引站，採用三相STATCOM進行治理。具體的治理方案需根據牽引站和電力系統情況，可以採用牽引站供電臂側和系統側等兩種安裝方式。