◎许伟

（作者单位：日新电机（无锡）有限公司）

引言随着大功率非线性负荷的增加，电网的无功消耗不断上升。而大容量无功补偿手段的不足，使电网母线电压随运行方式变化很大，导致系统稳定性降低，线路损耗增加。尤其是风力发电等大型电动机对电网无功的消耗更为严重。大规模风电并网必然会对电网的电能质量和稳定运行产生很不利的影响，因此，对大容量动态无功补偿装置的需求更加紧迫，本文介绍了自行研制的容量为5M Var 的补偿装置，对于提高大功率设备的功率因数，改善电网电能质量有重要意义。

一、高压SVG 总体设计方案

1.基本原理。

图1 为装置与系统连接的等效原理图，US为系统电压，UI为装置输出电压，两者同相位。L 为连接电抗器，R 为线路阻抗和装置损耗的等效阻抗。规定电流方向朝装置侧为正方向。

理想情况下，可将装置等效成可控电压源，系统视为理想电压源，两者相位一致。当UI>US时，从系统流向装置的电流超前系统电压90o，装置工作于容性区，输出感性无功；反之当UI

图1 SVG 系统原理图

2.主电路设计。

主电路采用单相桥串联的方案，即所谓的链式结构，如图2。对每个单相桥采用不同的驱动脉冲，是每个桥输出电压所含谐波大小和方向不同，最终叠加起来所含谐波量很小。针对10kV系统，相电压有效值约为5773V，我们选择每相12 个模块串联，采用11+1 的控制方式，由11 个模块做脉冲叠加，1 个模块用脉宽调制的方法跟踪输出电流，使输出电流按照预先设定的形状变化，达到稳定电流的作用。

3 控制系统设计。

高压SVG 的控制系统分为主控、三相分控和光线发送接收三部分。各个模块与控制器之间完全通过光线通信，以起到电气隔离的作用。主控制器核心部分采用tms320c6713 DSP 芯片，通过采集到的系统电压电流值及相为关系计算系统的无功量，完成装置动态无功功率跟踪和控制，直流侧电压平衡和PWM 脉冲角度数据的计算，发送到各相分控。分控控制器接收到主控计算出的数据控制对应相各模块中IGBT 的开关状态，输出幅值和相位可调的电压。此外，系统的过压、过流保护，装置的启动也是由主控制器来负责。

二、脉宽调制跟踪输出电流

为了使输出电流更加稳定，每相12 个模块中的一个用来做电流跟踪。这里要预先设定好一个标准正弦信号，用实测的电流信号与其比较，控制实际电流按照设定值变化。

如上图，规定从系统流向装置的电流方向为正方向，如果实际测量电流值大于设定电流值，使1、3 导通，使反向电流增大，抵消实际输出电流；若实际测量电流值小于设定电流值，使2、4 导通，增大实际输出，最终使输出电流围绕设定好的波形做锯齿形变化。用标准正弦信号与实际输出电流Im 的乘积就是最终得到的电流输出波形，对标准正弦信号进行翻转，就可以控制输出无功的性质。

下图中黄色、绿色、粉色分别代表A、B、C 三相电压，蓝色是B相电流波形，可见，电流跟踪效果很好，手动使装置输出感性，所以电流滞后电压90 度。这种控制方法直接电流控制方法引入了输出电流的反馈控制回路，使得STATCOM 的输出电流能够实时跟随指令电流的变化。直接电流控制方法动态响应速度快，输出电流谐波小，实际应用中效果较好。

三、直流电容电压平衡控制

级联STATCOM 直流侧电容互相独立，在理想情况下直流侧不消耗有功功率，能很好地维持各直流电压平衡。由于各个开关器件的开关特性、并联损耗，每个直流电容的充、放电时间不同等差异，造成各个模块直流电压不平衡，从而导致输出电压的畸变，影响输出电压和电流的质量，使各个开关器件电压应力不均，以致烧毁开关器件危害装置的安全运行，因此在级联STATCOM 中必须对直流侧不平衡进行控制。谐波和串联型损耗的差异不会造成电容电压不平衡；电容器容量差异会影响动态过程中电容电压的分配，但不会造成稳态时电容电压不平衡；稳态时电容电压不平衡是由于混合型损耗、并联型损耗差异以及脉冲延时不同造成的。

目前，已有一些控制直流侧电压平衡的方法应用到级联STATCOM 中，并取得了较好的效果，实际上直流侧电压平衡也一直是研究的热点和重点。在最近的一些控制方法中，文献[6]采用调节各个单元逆变器的输出电压的相位的方法来维持直流侧电压平衡，但是调节的相位范围小，控制能力较弱；另外，角度的调节通常需要在控制中加入直流平衡PI 环，每个模块的直流电容电压需要一个控制环，PI 参数的调节非常复杂，随着级联个数的增加，算法的复杂程度急剧增加。文献采用外部交换功率的方法来实现直流侧电压平衡，其缺点是在直流侧有辅助的高频耦合母排，带有AC/DC 转换电路，导致模块结构复杂、布局困难以及成本的增加。循环交换触发脉冲也能处理电容电压不平衡，通过发脉冲的轮转，使同一桥臂内各个模块的导通时间基本相同，消除由调制方式造成的直流侧电压不平衡。理想情况下循环交换能够平衡各个直流电压，实际各个开关并不能等效为理想开关，因此并不能解决直流侧电压不平衡问题。

系统上电瞬间，系统通过IGBT 反向并联的二极管，为直流侧电容充电，自然充电理论上可充到系统相电压最大值，约为670V。如图，黄色、绿色、红色分别代表系统线电压（幅值较高）和系统相电压（幅值较低）的ABC 三相。当A 相过零时，将A 相所有模块短接，此时为B 相充电，理论上可充到系统线电压最大值；同理，B 相过零时，将B 相所有模块短接，为C 相充电，C 相过零时，将C 相所有模块短接，为A 相充电。但根据实际运行需要，控制短路时间就可以控制充电的多少，这里将工作电压设定为800V。

在理想情况下，直流侧不消耗有功功率，能很好地维持各直流电压平衡。但由于各个开关器件的开关特性、并联损耗，每个直流电容的充、放电时间不同等差异，造成各个模块直流电压不平衡，从而导致输出电压的畸变，影响输出电压和电流的质量，造成电压波动，会影响装置的安全和稳定运行，必须加以控制。理想情况下，每个模块的电容充放电是相等的，我们把输出电压波形等分成400 个点，每10 个点作为一个大点，每一个点作为一个小点，单个模块中加一个循环比较，每个模块跟设定电压值进行比较，通过左右移点改变模块的充放电，使每个模块电压稳定在设定值。

四、保护系统的设计

STATCOM 的保护系统既包含了传统意义上保护的功能，也包含了在装置瞬时性故障及电力系统故障或扰动发生时所采取的控制措施，称为控制性保护[1]。只有通过两者的有机结合，才能使STATCOM 在保证自身安全的前提下，充分发挥其在电力系统中应有的作用。分级动作的过电流、过电压保护是整个装置保护系统的核心，针对不同形式的过电流和过电压，应该采用不同的保护方法。而分级保护体系设计的依据就是STATCOM 所处的工作状态，即除了正常运行状态之外的异常、紧急和故障3种状态。

如果异常状态下的控制性保护措施不能对装置的电压、电流进行有效限制，那么装置便会进入紧急状态。装置进入紧急状态的原因通常是系统发生了故障或大的扰动，或者是装置自身出现了故障。如果装置自身的故障是短时间的或瞬时的（主要包括同步信号的抖动、脉冲不对称引起的偏磁饱和、突发干扰引起的误触发等），那么装置可以停留在紧急状态，当瞬时性故障消失后可以从紧急状态回到异常状态（如果系统仍处于故障期间）或正常状态。此外，某些系统辅助设备如监测系统、水冷系统以及变压器风机故障时，装置也会处于紧急状态，等待值班人员进行处理。进入紧急状态后，装置处于“封锁脉冲运行方式”，即指关断STATCOM 中所有的GTO 但却不将STATCOM 与电力系统解列的运行方式。也就是说，该方式仅仅停止逆变器的逆变过程，而保留逆变器的整流过程。当封锁GTO 但是STATCOM 不与系统解列时，系统电压将通过由续流二极管构成的整流桥对直流侧电容充电。

五、结论

文中介绍了±5Mvar STATCOM 在的应用背景，给出了大容量STATCOM 的总体方案设计方法及±5Mvar STATCOM 在系统中的接线，并给出了对装置各部分的设计思路及功能，这些经验为今后更大容量STATCOM 的设计提供了一定的参考。