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摘要：未来的能源结构将依赖于可再生能源的组合，如水电，风能，太阳能和潮汐能。这意味着电网必须加以调整，以便于处理这些新能源发出的电，并尽可能地以最佳的方式使用它们。在配电侧，可再生能源发电机组必须进行改进，以使它输入电网的电力与传统发电机发出的电力一样稳定。
为了保持高效的输电和配电，需要控制系统中无功功率的平衡。无功供应不足会导致高的电网损耗、设备过负荷、无法接受的电压等级、电压不稳定甚至供电中断。ABB公司提供了一系列全面的无功补偿产品和专门的解决方案，以应对这些挑战。解决方案之一就是PCS 6000 STATCOM，该产品被证明对英国风力发电场来说是一个可靠、强大而高效的补充。
关键词：STATCOM；无功补偿；风电场
Abstract: the structure of energy in the future will depend on the combination of renewable energy, such as electricity, wind, solar and tidal power. This means that the power grid will have to be adjusted in order to deal with these new energy out of electricity, and as far as possible on the best way to use them. In the distribution side, renewable energy generator must be improved, in order to make it input electricity from the grid and traditional generator as stable as a power.
In order to maintain efficient transmission and distribution, the need to control system reactive power balance. Reactive power supply deficiency can lead to high power loss, equipment, cannot accept over load voltage grade, voltage unstable and even the power failure. ABB company provides a comprehensive suite of reactive compensation products and special solutions to deal with these challenges. One of the solutions is PCS 6000 STATCOM, this product has been shown to British wind farm, it is a reliable, strong and efficient added.
Keywords: STATCOM; Reactive power compensation; Wind farms
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0引言
风电作为一种新型无污染的可再生能源，具有较成熟的技术、优越的经济性和巨大的市场潜力。然而，随着风电场的装机容量越来越大，它已不再是小规模的、单一的分布式发电机组。它对所连接网络的影响越来越大，不能再被忽视。因此电力运营商制訂了详细的电网技术规范，对风电场并网做出了严格的规定。该规范包括动态无功补偿，连续的电压控制和故障穿越能力等方面的要求。目前常用风力发电机的设计不能满足电网技术规范要求。使用这些风机的风电场如要并网，则需要安装额外的设备，如STATCOM、SVC等。STATCOM与SVC相比具有更优越的运行特性，更灵活的适用范围，欠压条件下无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。目前ABB公司已设计数个STATCOM装置并成功应用于风电场。
1STATCOM的解决方案
1.1STATCOM原理
STATCOM的基本原理是一个通过电感连接到电网上的电压源型换流器（VSC），无功功率可以通过调节VSC的电压幅值来改变。
目前，实际应用的大容量STATCOM基本上都采用电压源型换流器(voltage source converter，VSC)，下面以基于VSC的STATCOM来说明其工作原理。STATCOM的主电路包括作为储能元件的电容和基于电力电子器件的VSC，变换器通过连接电抗（或变压器）接入系统。理想情况下（忽略线路阻抗和STATCOM的损耗），可以将STATCOM的输出等效成“可控”电压源UI*，系统视为理想电压源US*，两者相位一致，当UI>US 时，从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90°，STATCOM工作于“容性”区，输出感性无功：反之，当UI
1.2STATCOM的实现
STATCOM所需要的电压型换流器包括自换向的换流器和一个直流环节。ABB公司设计的STATCOM是PCS 6000系列产品的一员，这一系列产品的应用范围很广。它和广泛使用的ACS 6000中压设备一样都使用了最先进的电源技术。这些电力电子模块的标准化在成本和质量上提供了很大的优势。随着ACS和PCS 6000在全球范围的销售，这种换流器组被证明有很好的业绩和较高的可靠性。这种换流器组的基础是三级的IGCT模块。IGCT（集成门极换流晶闸管）是功率经济范围内的最先进的半导体器件。使用中高压电力电子设备是最符合成本效益的。因此，基于IGCTs电力电子模块可用于模块化的电压源转换器。
2 STATCOM的功能
2.1 无功功率及电压控制
与电力频率不同，联络线上每一点的频率必须相同，电压是一个局部参数，它的变化取决于其在电网中的位置及网络中流动的负荷。在负载为纯电阻性的电路中，电压与电流波形同相位且传输的有功功率为最大值。然而，电网的感性性质意味着电流的流动是变化的，这样电压和电流波形不同相位。在直流电源供电电路，阻抗就等于电路的总电阻。在交流供电电路中，然而，电路中的电力装置，如电感（发电机，变压器），电容，甚至是传输电缆本身，构成了阻抗。
电感和电容产生或消耗无功功率，从而产生电流。为了减少这种无功功率的影响，在电网中应该小心安装阻抗匹配的装置以使有功的传输最大化。
在需要大量无功功率的领域，例如，电网中装有许多异步电动机的地方，局部电压减小并且需要引入很多的电容器来匹配电机的阻抗并维持额定电压等级。保持额定电压水平是很重要的，因为大多数电气元件只能耐受小的电压偏差。如果电压过低或过高，电网将变得不稳定，元件会发生故障或损坏。
除了影响的电压以外，无功功率流动也会增加输电线路及变压器的负荷，从而限制其有功的输送能力。通过降低输电线中的无功电流，可以增加容量降低损耗。该解决方案比建立额外的输电线路更快，成本更低。
ABB公司提供了一系列全面的无功补偿的产品和专门的解决方案，以应对这些挑战。其中一个方案是电力变换系统6000静止同步补偿器，众所周知的是PCS 6000 STATCOM。该系统满足最严格的动态响应要求，即使在电压突降也能传输满载无功电流，这使它成为风电场完美的解决方案。这使得风电场满足高要求的电网准则，稳定工厂中正序和负序电压，并在薄弱的输电网中为电机启动及动态电压控制提供无功补偿器。
2.2 STATCOM的控制
ABB的STATCOM由一个高性能控制装置——交流800PEC（电力电子控制器）来控制的。该控制器提供快速且精确的闭环控制和保护功能以及缓慢的协调过程，如监督控制冷却装置以及通过一个用户界面进行通信，所有的这些都由单个装置完成。
该控制系统出货前要在瑞士安装调试。一个小尺寸的硬件仿真器在出货之前要进行全面的调整及软件测试，这样在工厂调试时只需要很小范围的微调即可。
风电场或输电线中使用的STATCOM常常以U-Q 控制模式运行。电网运营商指定某一个设定点电压 和一个斜率N，如左图所示
STATCOM可以测电网电压并在适当的时候注入无功功率，这使得测量电压与设定点电压之差线性变化。如果测得的电压低于设定点电压，STATCOM 就像一个电容器一样向电网注入无功以提高电网电压。如果测量电压远高于设定电压STATCOM就像电感器一样降低电压。斜率定义了STATCOM的输出与设定点与测量电压之差的比值。
2.3 谐波特性
与电网连接变换器必须满足一定的电网谐波要求，如IEEE 519 或IEC 61000-2-12。由装置大小决定的，多层次的拓扑结构使得PCS 6000 STATCOM在没有谐波滤波器时也满足这些要求。如果需要，可以提供一个合适的可选滤波器，要么补充STATCOM的无功功率输出或滤除电网中已存在的特定次谐波。
ABB公司的STATCOM的一個非常有价值的好处是其输入阻抗可调以适应一定范围内的谐波。这一点对阻尼共振系统非常有用。 Little Cheyne Court的 STATCOM的一个姊妹装置受控，这样STATCOM的输入阻抗在给定范围内基频的倍频次时呈电阻性。
这意味着，在这个频率范围内，STATCOM 从电网中吸收能量并在基频时再将能量注入回电网。这样风电场中的共振可以缓解。高频振荡将引起轮机控制中的谐波故障并导致涡轮立即断开。ABB公司的STATCOM允许风电场产生清洁能源而不需要等待无源元件来解决这一问题，如图2所示。STATCOM断开时测得的电网电压示于图2a。 观察知谐波电压是完全强加于基波电压上的。图2b表示当电网装置STATCOM后谐波电压消失。
图2风电场中33 kV母线电压
图2a未装配STATCOM
图2b装配了STATCOM
3 STATCOM的实际应用
电网运营商最早引入的可满足风电场无功要求的“电网准则”的国家之一是英国。在这里ABB公司的STATCOM现已投入运行，静止和动态地支持电网。最近，一个24MVAr的STATCOM已安装并成功运作，以确保Little Cheyne Court风电场的运行。这个风电场位于英国东南部肯特郡的Rye附近，其满足国际电网准则。
Little Cheyne Court中的STATCOM连接到了风电场中110kV /33kV变压器的二次侧。 STATCOM通过变压器产生的电压降落稳定了风电场的局部电压。然而，根据客户要求或电网准则，STATCOM 应该直接连接到风电场主变压器的一次侧的传输线上。
与无源元件不同，如电容电感等，STATCOM即使在低电压时也可输出最大无功电流，其只有在需要有功时才会限制其补偿损失的能力。系统无功输出能力与电压成线性关系，而对于无源元件，无功输出与电压的平方成正比。
PCS 6000 STATCOM包含一个电压源变换器，它通过一个变压器连接到电网。该转换器包含由极换向晶闸管（IGCTs）组成的电力电子模块。20世纪90年代发展起来的IGCT结合了IGBT和GTO的优点，即开关和导通损耗较低，有快速的开关能力和鲁棒性。中压驱动器上使用同样的IGCT平台，频率转换器用在铁路网中，全功率转换器用于大型风力发电机。
所有的STATCOM均用水冷却，要么使用外部的水空气热交换器或自来水冷却回路。水冷却装置使风机变得非必要，从而减少甚至消除空气与环境的交换，可以防止灰尘，沙子和盐颗粒进入转换器。这反过来又会降低维护需求。
ABB公司的STATCOM可以安装在建筑物内或一个成本较低的户外电气柜里（如图4）。该电气柜包括一个冷却装置，一个具有人机界面（HMI）控制系统，装有空调的控制室和有热水器的转换室。在出货之前要进行完全的缠绕及测试，以减少安装和调试时间。
4 结论
ABB公司的PCS 6000 STATCOM的是一个功能强大，可靠且高效的设施，它作为一个附属设备适合于风电场，使风电符合电网连接规则或作为电力公司的一个快速和动态无功补偿器。气候方面对ABB公司的STATCOM要求仍很高，随着风轮机以及其他不太可靠的电源的广泛使用，持续而稳定地供电必须满足，尤其是当未来的电力网延伸到发展中国家。随着多电平技术、多重化技术、PWM技术的应用,STATCOM 的调节性能更加优越。鉴于种种优点,STATCOM 将毫无疑问成为未来改善电能质量的主要方式，也必将成为将来的热点之一。
参考文献
[1] 谢小荣，姜齐荣 . 柔性交流输配电系统的原理与应用 [M]. 北京：清华大学出版社，2006.
[2] 姜齐荣. 新型静止无功发生器建模及控制的研究 [ D ]. 北京：清华大学，1997.
[3] 荣芳. 浅谈配电网动态无功补偿新技术STATCOM [ J ]. 电气应用，2009, 28（13）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
为了保持高效的输电和配电，需要控制系统中无功功率的平衡。无功供应不足会导致高的电网损耗、设备过负荷、无法接受的电压等级、电压不稳定甚至供电中断。ABB公司提供了一系列全面的无功补偿产品和专门的解决方案，以应对这些挑战。解决方案之一就是PCS 6000 STATCOM，该产品被证明对英国风力发电场来说是一个可靠、强大而高效的补充。
关键词：STATCOM；无功补偿；风电场
Abstract: the structure of energy in the future will depend on the combination of renewable energy, such as electricity, wind, solar and tidal power. This means that the power grid will have to be adjusted in order to deal with these new energy out of electricity, and as far as possible on the best way to use them. In the distribution side, renewable energy generator must be improved, in order to make it input electricity from the grid and traditional generator as stable as a power.
In order to maintain efficient transmission and distribution, the need to control system reactive power balance. Reactive power supply deficiency can lead to high power loss, equipment, cannot accept over load voltage grade, voltage unstable and even the power failure. ABB company provides a comprehensive suite of reactive compensation products and special solutions to deal with these challenges. One of the solutions is PCS 6000 STATCOM, this product has been shown to British wind farm, it is a reliable, strong and efficient added.
Keywords: STATCOM; Reactive power compensation; Wind farms
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0引言
风电作为一种新型无污染的可再生能源，具有较成熟的技术、优越的经济性和巨大的市场潜力。然而，随着风电场的装机容量越来越大，它已不再是小规模的、单一的分布式发电机组。它对所连接网络的影响越来越大，不能再被忽视。因此电力运营商制訂了详细的电网技术规范，对风电场并网做出了严格的规定。该规范包括动态无功补偿，连续的电压控制和故障穿越能力等方面的要求。目前常用风力发电机的设计不能满足电网技术规范要求。使用这些风机的风电场如要并网，则需要安装额外的设备，如STATCOM、SVC等。STATCOM与SVC相比具有更优越的运行特性，更灵活的适用范围，欠压条件下无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。目前ABB公司已设计数个STATCOM装置并成功应用于风电场。
1STATCOM的解决方案
1.1STATCOM原理
STATCOM的基本原理是一个通过电感连接到电网上的电压源型换流器（VSC），无功功率可以通过调节VSC的电压幅值来改变。
目前，实际应用的大容量STATCOM基本上都采用电压源型换流器(voltage source converter，VSC)，下面以基于VSC的STATCOM来说明其工作原理。STATCOM的主电路包括作为储能元件的电容和基于电力电子器件的VSC，变换器通过连接电抗（或变压器）接入系统。理想情况下（忽略线路阻抗和STATCOM的损耗），可以将STATCOM的输出等效成“可控”电压源UI*，系统视为理想电压源US*，两者相位一致，当UI>US 时，从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90°，STATCOM工作于“容性”区，输出感性无功：反之，当UI
1.2STATCOM的实现
STATCOM所需要的电压型换流器包括自换向的换流器和一个直流环节。ABB公司设计的STATCOM是PCS 6000系列产品的一员，这一系列产品的应用范围很广。它和广泛使用的ACS 6000中压设备一样都使用了最先进的电源技术。这些电力电子模块的标准化在成本和质量上提供了很大的优势。随着ACS和PCS 6000在全球范围的销售，这种换流器组被证明有很好的业绩和较高的可靠性。这种换流器组的基础是三级的IGCT模块。IGCT（集成门极换流晶闸管）是功率经济范围内的最先进的半导体器件。使用中高压电力电子设备是最符合成本效益的。因此，基于IGCTs电力电子模块可用于模块化的电压源转换器。
2 STATCOM的功能
2.1 无功功率及电压控制
与电力频率不同，联络线上每一点的频率必须相同，电压是一个局部参数，它的变化取决于其在电网中的位置及网络中流动的负荷。在负载为纯电阻性的电路中，电压与电流波形同相位且传输的有功功率为最大值。然而，电网的感性性质意味着电流的流动是变化的，这样电压和电流波形不同相位。在直流电源供电电路，阻抗就等于电路的总电阻。在交流供电电路中，然而，电路中的电力装置，如电感（发电机，变压器），电容，甚至是传输电缆本身，构成了阻抗。
电感和电容产生或消耗无功功率，从而产生电流。为了减少这种无功功率的影响，在电网中应该小心安装阻抗匹配的装置以使有功的传输最大化。
在需要大量无功功率的领域，例如，电网中装有许多异步电动机的地方，局部电压减小并且需要引入很多的电容器来匹配电机的阻抗并维持额定电压等级。保持额定电压水平是很重要的，因为大多数电气元件只能耐受小的电压偏差。如果电压过低或过高，电网将变得不稳定，元件会发生故障或损坏。
除了影响的电压以外，无功功率流动也会增加输电线路及变压器的负荷，从而限制其有功的输送能力。通过降低输电线中的无功电流，可以增加容量降低损耗。该解决方案比建立额外的输电线路更快，成本更低。
ABB公司提供了一系列全面的无功补偿的产品和专门的解决方案，以应对这些挑战。其中一个方案是电力变换系统6000静止同步补偿器，众所周知的是PCS 6000 STATCOM。该系统满足最严格的动态响应要求，即使在电压突降也能传输满载无功电流，这使它成为风电场完美的解决方案。这使得风电场满足高要求的电网准则，稳定工厂中正序和负序电压，并在薄弱的输电网中为电机启动及动态电压控制提供无功补偿器。
2.2 STATCOM的控制
ABB的STATCOM由一个高性能控制装置——交流800PEC（电力电子控制器）来控制的。该控制器提供快速且精确的闭环控制和保护功能以及缓慢的协调过程，如监督控制冷却装置以及通过一个用户界面进行通信，所有的这些都由单个装置完成。
该控制系统出货前要在瑞士安装调试。一个小尺寸的硬件仿真器在出货之前要进行全面的调整及软件测试，这样在工厂调试时只需要很小范围的微调即可。
风电场或输电线中使用的STATCOM常常以U-Q 控制模式运行。电网运营商指定某一个设定点电压 和一个斜率N，如左图所示
STATCOM可以测电网电压并在适当的时候注入无功功率，这使得测量电压与设定点电压之差线性变化。如果测得的电压低于设定点电压，STATCOM 就像一个电容器一样向电网注入无功以提高电网电压。如果测量电压远高于设定电压STATCOM就像电感器一样降低电压。斜率定义了STATCOM的输出与设定点与测量电压之差的比值。
2.3 谐波特性
与电网连接变换器必须满足一定的电网谐波要求，如IEEE 519 或IEC 61000-2-12。由装置大小决定的，多层次的拓扑结构使得PCS 6000 STATCOM在没有谐波滤波器时也满足这些要求。如果需要，可以提供一个合适的可选滤波器，要么补充STATCOM的无功功率输出或滤除电网中已存在的特定次谐波。
ABB公司的STATCOM的一個非常有价值的好处是其输入阻抗可调以适应一定范围内的谐波。这一点对阻尼共振系统非常有用。 Little Cheyne Court的 STATCOM的一个姊妹装置受控，这样STATCOM的输入阻抗在给定范围内基频的倍频次时呈电阻性。
这意味着，在这个频率范围内，STATCOM 从电网中吸收能量并在基频时再将能量注入回电网。这样风电场中的共振可以缓解。高频振荡将引起轮机控制中的谐波故障并导致涡轮立即断开。ABB公司的STATCOM允许风电场产生清洁能源而不需要等待无源元件来解决这一问题，如图2所示。STATCOM断开时测得的电网电压示于图2a。 观察知谐波电压是完全强加于基波电压上的。图2b表示当电网装置STATCOM后谐波电压消失。
图2风电场中33 kV母线电压
图2a未装配STATCOM
图2b装配了STATCOM
3 STATCOM的实际应用
电网运营商最早引入的可满足风电场无功要求的“电网准则”的国家之一是英国。在这里ABB公司的STATCOM现已投入运行，静止和动态地支持电网。最近，一个24MVAr的STATCOM已安装并成功运作，以确保Little Cheyne Court风电场的运行。这个风电场位于英国东南部肯特郡的Rye附近，其满足国际电网准则。
Little Cheyne Court中的STATCOM连接到了风电场中110kV /33kV变压器的二次侧。 STATCOM通过变压器产生的电压降落稳定了风电场的局部电压。然而，根据客户要求或电网准则，STATCOM 应该直接连接到风电场主变压器的一次侧的传输线上。
与无源元件不同，如电容电感等，STATCOM即使在低电压时也可输出最大无功电流，其只有在需要有功时才会限制其补偿损失的能力。系统无功输出能力与电压成线性关系，而对于无源元件，无功输出与电压的平方成正比。
PCS 6000 STATCOM包含一个电压源变换器，它通过一个变压器连接到电网。该转换器包含由极换向晶闸管（IGCTs）组成的电力电子模块。20世纪90年代发展起来的IGCT结合了IGBT和GTO的优点，即开关和导通损耗较低，有快速的开关能力和鲁棒性。中压驱动器上使用同样的IGCT平台，频率转换器用在铁路网中，全功率转换器用于大型风力发电机。
所有的STATCOM均用水冷却，要么使用外部的水空气热交换器或自来水冷却回路。水冷却装置使风机变得非必要，从而减少甚至消除空气与环境的交换，可以防止灰尘，沙子和盐颗粒进入转换器。这反过来又会降低维护需求。
ABB公司的STATCOM可以安装在建筑物内或一个成本较低的户外电气柜里（如图4）。该电气柜包括一个冷却装置，一个具有人机界面（HMI）控制系统，装有空调的控制室和有热水器的转换室。在出货之前要进行完全的缠绕及测试，以减少安装和调试时间。
4 结论
ABB公司的PCS 6000 STATCOM的是一个功能强大，可靠且高效的设施，它作为一个附属设备适合于风电场，使风电符合电网连接规则或作为电力公司的一个快速和动态无功补偿器。气候方面对ABB公司的STATCOM要求仍很高，随着风轮机以及其他不太可靠的电源的广泛使用，持续而稳定地供电必须满足，尤其是当未来的电力网延伸到发展中国家。随着多电平技术、多重化技术、PWM技术的应用,STATCOM 的调节性能更加优越。鉴于种种优点,STATCOM 将毫无疑问成为未来改善电能质量的主要方式，也必将成为将来的热点之一。
参考文献
[1] 谢小荣，姜齐荣 . 柔性交流输配电系统的原理与应用 [M]. 北京：清华大学出版社，2006.
[2] 姜齐荣. 新型静止无功发生器建模及控制的研究 [ D ]. 北京：清华大学，1997.
[3] 荣芳. 浅谈配电网动态无功补偿新技术STATCOM [ J ]. 电气应用，2009, 28（13）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。