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摘 要：STATCOM是以三相桥三平逆电器为主要电路设计的，设计STATCOM的单馈入输电系统更是利用仿真软件建立的。对电流波形的瞬时值进行实时追踪反馈控制（直接电流控制）的一种常用的技术方法就是跟踪型PWM控制技术。
关键词：STATCOM;三相桥三电平逆变器;电能质量;控制系统
随着电能逐步的渗透人们日常生活的方方面面，与人们的生活紧紧相连，输配电技术也随人们生活水平快速发展，从而让“人们对输电系统的受端电能质量也有了更高的要求。提高电能质量有着许多的优点，尤其对输电系统和受端都有重要的作用。而谐波、电压波动、功率损耗等都是影响电能质量的主要因素。如今我国为提高电能质量而使用的方式是对电力系统进行功功率补偿。而电力系统功率补偿方式和补偿装置种类分为很多种，而如今生活中使用最广最多的补偿装置是并联型的静止同步补偿器——STATCOM。STATCOM比统的补偿装置有着更多的优点。其中最主要的优点有能够快速的提高功率因数和稳定接入点电压的电能质量、响应速度快丶占地面积小等。
如今，全世界各国研究人员对改善电能质量和无动补偿进行了大量的研究和改进，而大部分的研究都在无功补偿装置的类型及装置容量上。为了取得更高的动态响应性能这一成就，科研人员们采用了各种各样的智能控制算法。通过各种研究，在理论上和和实际中都取得了一定的成就，不仅改善了电网的电能质量，甚至取得了部分的补偿效果。但是，很少有研究人员研究和讨论无功补偿装置内部电力电子器协调控制、装置成本和装置利用率等相问题，而这些问题尤其是无功补偿装置内部电力电子协调控制技术的研究十分匮乏导致其内部产生了谐波，从而污染了电网的电能质量。
通过利用MATLAB/SIMULINK仿真软件模拟设计了单馈入输电系统，STATCOM的主要电路也是由三相三平逆变器设计。
1、STATCOM的工作原理及数学建模
1.1 STATCOM的工作原理
STATCOM的工作原理：利用关断大功率电力的电子器件（如GTO，IGBT等）组成自抄换相桥式电路和电抗器并联在电网上。不仅可以控制其幅袭值和相位，还可以控制电路的吸收或者发出无功电流，以使其达到动态无功补偿的作用，前者是通过控制桥式电路交流测，后者是直接控制桥式电路交流测电流。如图，如果此时使U1﹥Us，STATCOM就会发出无功功率，这个原理其实就相当于调电容器。相反，如果使U1<Us，STATCOM就会开始吸收无功功率，此时它就相当于可调电抗器。然而如果使U1=Us，此时STATCOM和电网就完全没有了无功交换。
1.2 STATCOM主电机构
STATCOM（Static Synchronous Compensator，简称STATCOM，我们又叫它为静止同步补偿器），当用在配电网时，又被为DSTATCOM。要想控制无功电流源自动补偿系统所需要的无功功率就需要将STATCOM并联在电网之中，这样做的目的就是并联后它就等效为一个可变的无功电流源。这样做可以使得并联电容器装置中的电力电子器件的谐波干扰污染问题得以解决，使得谐波得以抑制或治理，从而改善电能质量。
从理论上来说STATCOM 可以有使用电容和电感两种形式，因而，能够将其分为电压源型和电流源型两种，两种源型如下图所示：
电压桥型式电路结构是本文中STATCOM的主电路使用的结构，电容储能是这种STATCOM的直流侧储能元件。而其主电路的核心是逆变器的电路设计。如下图所示，该逆变器运用的是以IGBT的中点钳位（NPC）三相三平电压型逆变电路。从图上可以看出三相桥三电平逆变器的每一条线路上只了了承受了二分之一的直流电压。因此，该电路解决了因为电压升高而导致的器件间的串联问题，从而使得装置的可靠性得以加强，也提高了交流侧输出电压波形的級数，不仅改善增进了输出电压的波形，还减少了谐波的含量。
2、 STATCOM的控制方式
对电流波形的瞬时值实时检测反馈控制（直接电流控制）的一种常用技术方法就是跟踪型PWM控制技术。跟踪型PWM控制技术利用的比较方式是三角波比较方式（控制原理图如下图所示），这种控制是使用d-q坐标分解法来直接电流控制的方式，就是用瞬时电流的无功分量的参考值或者也可以用无功电流的参考值乘以滞后系统电压900度的正弦波，然后再将得到的结果加上电流有功分量的瞬时参考值就可以取得最终的结果。这种控制方式的使用使得STATCOM的动态响应特性得到了很大程度上的改善。
3、输电系统仿真模型的建立
3.1 STATCOM的仿真模型建立
两个电压源型换流器（VSC）用变压器的结构并联组成STATCOM的主电路，并联后的STATCOM主电路再利用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行实时反馈管制由此完成对输出电压的波形质量进行实时监测控制。
3.2 输电系统仿真模型建立
本输电系统模型是在MATLAB/SIMULNK的基础上建立的，此系统分别有B1、B2、B3三条母线，从B1到B2的输电距离有18km，相当于π型等值电路;而母线B2到母线B3的输电距离为2km，相当于电感模拟电路。将一个“3MW、0.2Mvar”的用电负荷接在母线B2之上，将母线B3通过一个降压变压器与一个“1MW”的固定负载和一个可变负载相连，同时，母线B3之上在装上一个±3Mvar。
4、仿真结果分析
4.1输电系统电压波动时STATCOM的补偿效果
通过对仿真结果进行分析，结果显示STATCOM能够在系统电压出现波动后快速的发出或吸收相应的无功功率，从而使输电系统电压保持稳定，拥有优秀的解耦控制作用。
4.2 STATCOM在受端负荷引起电压波动时的补偿效果
通过相关结果显示，在受端负荷引起电压波动时，STATCOM能够很快的做出反应，从而迅速稳定电压，降低了系统电压波动的恢复时间和幅度，使得输电系统的电能质量得以大幅度提高。同时，STATCOM在其各种不同情况下会作出各种不同相应的反应。
4.3 STATCOM内部谐波的抑制
STATCOM内部拥有许多的电力电子产品，在接入电网之后，电力电子器件会产生谐波污染。在引入三相三电平和二重化技术后，用三相电压调制波生成的并联二重化运行的电压源型变流器来消除脉冲，再经过第二个电压型变流器载波转动半圈，从而达到二重化运行的效果，使得STATCOM内的电力电子产业产生的谐波污染得以消除，减少其对输电系统的污染，提高输电系统的电能质量。
结论：
在使用MATLAB/SIMULNK仿真软件中建立了STATCOM输电系统仿真模型，从仿真实验中可以得出以下结果：①STATCOM运用输入输出法是正确的，它很好的表现出了无功补偿装置的主要特性。②验证了三电平技术和二重化技术的有效性。③在各种情况之下，STATCOM都体现出了优良的补偿效果对输电系统以及受端电能质量的提高有着极其重大的作用。
参考文献：
[1]吴天民.MATLAB电力系统设计与分析【M】.北京：国防工业出版社，2009.
[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用【M】.北京：清华大学出版社，2008
[3]朱志健，王杰.三相电压型PWM整流器的二自由度内膜控制【J】.电网与清洁能源，2015，31（11）：1-6.
（福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108）
关键词：STATCOM;三相桥三电平逆变器;电能质量;控制系统
随着电能逐步的渗透人们日常生活的方方面面，与人们的生活紧紧相连，输配电技术也随人们生活水平快速发展，从而让“人们对输电系统的受端电能质量也有了更高的要求。提高电能质量有着许多的优点，尤其对输电系统和受端都有重要的作用。而谐波、电压波动、功率损耗等都是影响电能质量的主要因素。如今我国为提高电能质量而使用的方式是对电力系统进行功功率补偿。而电力系统功率补偿方式和补偿装置种类分为很多种，而如今生活中使用最广最多的补偿装置是并联型的静止同步补偿器——STATCOM。STATCOM比统的补偿装置有着更多的优点。其中最主要的优点有能够快速的提高功率因数和稳定接入点电压的电能质量、响应速度快丶占地面积小等。
如今，全世界各国研究人员对改善电能质量和无动补偿进行了大量的研究和改进，而大部分的研究都在无功补偿装置的类型及装置容量上。为了取得更高的动态响应性能这一成就，科研人员们采用了各种各样的智能控制算法。通过各种研究，在理论上和和实际中都取得了一定的成就，不仅改善了电网的电能质量，甚至取得了部分的补偿效果。但是，很少有研究人员研究和讨论无功补偿装置内部电力电子器协调控制、装置成本和装置利用率等相问题，而这些问题尤其是无功补偿装置内部电力电子协调控制技术的研究十分匮乏导致其内部产生了谐波，从而污染了电网的电能质量。
通过利用MATLAB/SIMULINK仿真软件模拟设计了单馈入输电系统，STATCOM的主要电路也是由三相三平逆变器设计。
1、STATCOM的工作原理及数学建模
1.1 STATCOM的工作原理
STATCOM的工作原理：利用关断大功率电力的电子器件（如GTO，IGBT等）组成自抄换相桥式电路和电抗器并联在电网上。不仅可以控制其幅袭值和相位，还可以控制电路的吸收或者发出无功电流，以使其达到动态无功补偿的作用，前者是通过控制桥式电路交流测，后者是直接控制桥式电路交流测电流。如图，如果此时使U1﹥Us，STATCOM就会发出无功功率，这个原理其实就相当于调电容器。相反，如果使U1<Us，STATCOM就会开始吸收无功功率，此时它就相当于可调电抗器。然而如果使U1=Us，此时STATCOM和电网就完全没有了无功交换。
1.2 STATCOM主电机构
STATCOM（Static Synchronous Compensator，简称STATCOM，我们又叫它为静止同步补偿器），当用在配电网时，又被为DSTATCOM。要想控制无功电流源自动补偿系统所需要的无功功率就需要将STATCOM并联在电网之中，这样做的目的就是并联后它就等效为一个可变的无功电流源。这样做可以使得并联电容器装置中的电力电子器件的谐波干扰污染问题得以解决，使得谐波得以抑制或治理，从而改善电能质量。
从理论上来说STATCOM 可以有使用电容和电感两种形式，因而，能够将其分为电压源型和电流源型两种，两种源型如下图所示：
电压桥型式电路结构是本文中STATCOM的主电路使用的结构，电容储能是这种STATCOM的直流侧储能元件。而其主电路的核心是逆变器的电路设计。如下图所示，该逆变器运用的是以IGBT的中点钳位（NPC）三相三平电压型逆变电路。从图上可以看出三相桥三电平逆变器的每一条线路上只了了承受了二分之一的直流电压。因此，该电路解决了因为电压升高而导致的器件间的串联问题，从而使得装置的可靠性得以加强，也提高了交流侧输出电压波形的級数，不仅改善增进了输出电压的波形，还减少了谐波的含量。
2、 STATCOM的控制方式
对电流波形的瞬时值实时检测反馈控制（直接电流控制）的一种常用技术方法就是跟踪型PWM控制技术。跟踪型PWM控制技术利用的比较方式是三角波比较方式（控制原理图如下图所示），这种控制是使用d-q坐标分解法来直接电流控制的方式，就是用瞬时电流的无功分量的参考值或者也可以用无功电流的参考值乘以滞后系统电压900度的正弦波，然后再将得到的结果加上电流有功分量的瞬时参考值就可以取得最终的结果。这种控制方式的使用使得STATCOM的动态响应特性得到了很大程度上的改善。
3、输电系统仿真模型的建立
3.1 STATCOM的仿真模型建立
两个电压源型换流器（VSC）用变压器的结构并联组成STATCOM的主电路，并联后的STATCOM主电路再利用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行实时反馈管制由此完成对输出电压的波形质量进行实时监测控制。
3.2 输电系统仿真模型建立
本输电系统模型是在MATLAB/SIMULNK的基础上建立的，此系统分别有B1、B2、B3三条母线，从B1到B2的输电距离有18km，相当于π型等值电路;而母线B2到母线B3的输电距离为2km，相当于电感模拟电路。将一个“3MW、0.2Mvar”的用电负荷接在母线B2之上，将母线B3通过一个降压变压器与一个“1MW”的固定负载和一个可变负载相连，同时，母线B3之上在装上一个±3Mvar。
4、仿真结果分析
4.1输电系统电压波动时STATCOM的补偿效果
通过对仿真结果进行分析，结果显示STATCOM能够在系统电压出现波动后快速的发出或吸收相应的无功功率，从而使输电系统电压保持稳定，拥有优秀的解耦控制作用。
4.2 STATCOM在受端负荷引起电压波动时的补偿效果
通过相关结果显示，在受端负荷引起电压波动时，STATCOM能够很快的做出反应，从而迅速稳定电压，降低了系统电压波动的恢复时间和幅度，使得输电系统的电能质量得以大幅度提高。同时，STATCOM在其各种不同情况下会作出各种不同相应的反应。
4.3 STATCOM内部谐波的抑制
STATCOM内部拥有许多的电力电子产品，在接入电网之后，电力电子器件会产生谐波污染。在引入三相三电平和二重化技术后，用三相电压调制波生成的并联二重化运行的电压源型变流器来消除脉冲，再经过第二个电压型变流器载波转动半圈，从而达到二重化运行的效果，使得STATCOM内的电力电子产业产生的谐波污染得以消除，减少其对输电系统的污染，提高输电系统的电能质量。
结论：
在使用MATLAB/SIMULNK仿真软件中建立了STATCOM输电系统仿真模型，从仿真实验中可以得出以下结果：①STATCOM运用输入输出法是正确的，它很好的表现出了无功补偿装置的主要特性。②验证了三电平技术和二重化技术的有效性。③在各种情况之下，STATCOM都体现出了优良的补偿效果对输电系统以及受端电能质量的提高有着极其重大的作用。
参考文献：
[1]吴天民.MATLAB电力系统设计与分析【M】.北京：国防工业出版社，2009.
[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用【M】.北京：清华大学出版社，2008
[3]朱志健，王杰.三相电压型PWM整流器的二自由度内膜控制【J】.电网与清洁能源，2015，31（11）：1-6.
（福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108）