STATCOM电压补偿

基于STATCOM的动态和不平衡电压补偿

Shu-Jen Steven Tsai，IEEE会员和Yun Chang

摘要——本文探讨无功补偿策略，以减轻电力系统中的电压质量问题，如闪烁，凹陷，肿胀和不平衡。我们选择利用STATCOM装置（静止同步补偿器），它具有但不局限于以下优点：快速响应时间，能够在低压情况下提供无功，并且提供电压补偿。基于STATCOM的操作原理，我们设计了一个动态平衡电压补偿器。对于不平衡电压补偿，建议使用两个测量相电压振幅和负序分量的不平衡控制器。使用设计的补偿器在PSCAD / EMTDC下进行仿真，以显示所提出的控制器设计的有效性。

关键词——电压质量，电压不平衡，STATCOM，脉冲宽度调制。

I. 导言

由于近来高新技术产业的快速发展，高精度工业设备得以广泛应用。如果不能提

①

供可靠的电能，将导致这些高精度仪器的损害，从而造成收入的损失。这就是现在电能质量分析和解决方案变得越来越重要的原因之一。在台湾，新竹是高科技的主要基地。从2005年1月至2006年12月,记录了42次电压骤降事件[1]。高精度控制和制造设备对电压骤降都非常敏感。如果产生轻微的电压骤降，产量将减少；另一方面，如果发生严重的电压骤降，这些设备将会跳闸。这就是为什么电压质量是一个需要公用事业和生产企业同时处理的重要问题了。

根据IEEE- 1159-1995标准，电压骤降和电压膨胀被列为短期变化事件。这种情况下电压在0.5周期和1分钟[2]的时间帧里下降到0.1〜0.9pu额定值或上升到1.1〜1.8pu额定电压。电压骤降可能是由于切入沉重负载，电机启动，闪电或盐侵蚀引起的。由此可见，电压骤降是电力系统中最常见的事件之一。

①

这项工作得到格兰特 NSC 95-2221-E-194-003下的国家科学委员会的支

持。

S.S.Tsai 和 Y.Chang都在台湾嘉义621国立中正大学电子工程学系 工作（电子邮件：stsai@ee.ccu.edu.tw）

公用事业必须提供可靠的电能给终端用户，与此同时，许多快速变化的负载，例如电弧炉，在系统中存在。这些快速变化的负载会在系统中引起电压波动。电压波动会影响照明。人们的眼睛对于照明变化感应灵敏。因此电压波动通常被称为电压闪烁。

在电力系统中，由于负载分布和系统拓扑结构，电压或电流可能不会达到完美平衡。不平衡的原因可根据根源进行分类。例如，非对称分布系统配置，由于输电线路不能传输引起的阻抗不平衡，单相接沉重负荷，沉重负荷的波动，或系统故障（单相接地，相间短路，两相接地）引起的阻抗不平衡。

如果在电力系统中存在电压不平衡，就会有不平衡电流在电机中流动。从而导致机械过热，效率下降，投震动和噪音生成。国家电气制造商协会（NEMA）定义了一个曲线来说明不平衡对于中级-电压机械等级的影响。如果不平衡电压超过1％，则异步电动机的等级将开始下降[3]。此外，电压不平衡会引起变压器和传输线中阻抗和电压中性线的增加。它将对信号传输造成干扰。

由于电力电子行业的发展，高等级和快速开关的电力电子元器件在电力系统中使用广泛。柔性交流输电系统（FACTS）的形成就基于这些元器件。快速的响应速度，以减轻电力系统中的扰动和提高电力质量问题，是FACTS[4]的一些优势。静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS的一种形式。STATCOM专门设计为系统动态提供或吸收无功功率。此外，它也可以执行由不同控制设计[5]的功率因数校正，谐波补偿等。

为缓解三相不平衡电压，我们通常是可以利用有源无功补偿装置，如。基于STATCOM的STATCOM，有源滤波器和静止同步串联补偿器（SSSC）

补偿装置，[6]的作者基于对称分量提出一个控制器。在此正序分量和负序分量分别得到补偿以改善三相不平衡的状况。在[7]里面，作者将负序分量看做正序分量的负一阶。在[8]里面，研究者提出了解耦控制方法，通过控制在直流侧的二次谐波来抑制负序组件和减轻谐波电流输出。

本文重点运用STATCOM对无功控制器进行设计以减轻电压变化。针对平衡和不平STATCOM和PWM的主要背景在第 II 节和第III节得到介绍。

衡状况设计的控制器在第IV节和第V节推出。不同平衡电压变化的仿真在第VI节展示。不同不平衡电压情况的仿真在第VII节展示。最后，本项工作的结论在

第 VIII节展示。

II. STATCOM模型

基于其配置可将STATCOM分为VSI（电压源逆变器，图1）和CSI（电流 源逆变器）。可调触发角（e.g.GTO）VSI由一个用来调节直流母线电压的电容器，的功率电子开关，和一个连接到系统的耦合变压器组成。对于一个单级STATCOM，转换器由6个功率开关构成。每个开关包含一个与可逆二极管并联的GTO电路。在直流母线中，电容是并联的，用来稳定直流电压。

图像1.STATCOM拓扑

STATCOM通常是通过升压变压器（Tr）耦合到电网（P.C.C.）的，其中转换器的额定电压是降低的。这个电压通过GTO和并联二极管进行纠正继而给直流电容充电。基于系统的状态，STATCOM可以通过脉冲宽度调制（PWM）调节无功功率，反过来稳定该系统的电压。假设STATCOM与耦合到系统的变压器之间的有效电阻是零，我们可以得到STATCOM所提供的无功功率是：[5,9]：

其中，E是STATCOM的电压有效值，V是位于变压器二次侧的电网电压有效值，X是STATCOM与电网之间的等效电抗，θ是E和V之间的相角差。

从方程（1）可以看出，无功功率可以通过控制STATCOM的开关来调节STATCOM与电网之间的相角差，进而得到控制。

III. 脉冲宽度调制

STATCOM是由若干可以将直流电压转换为交流电压的门控半导体开关构

成的。有不同的开关模式。例如，方波开关，脉冲宽度调制（PWM）。其中，PWM容易实现并因此被广泛采用。

正弦脉宽调制PWM是一个典型的PWM技术[10,11]。其工作原理是利用一个正弦波作为高频载波信号（通常三角波）的参考信号。当载波信号的幅度比正弦波要大，开关关闭，否则开关打开。于是，可以得到一组不同宽度的方波。如图2所示，可以用它来控制STATCOM的开关模式。

上图：正弦参考信号和载波信号;下图：开关门信号，Fig.2.脉冲宽度调节的插图。

其中1代表打开，0表示关闭。

空间矢量脉宽调制是另一种开关模式，它包括低次谐波失真，提高直流电压利用率。这个电压可以通过Clark转换理论转化到α-β平面。α-β平面可以分为6个部分，每个部分的边界由每相元件的开关状态代表。每个开关状态的占空比由各部分边界向量对应的电压矢量所决定。如果占空比没有添加到统一状态，那么正交向量将会全部打开或关闭并添加到切换状态。

IV. 平衡条件下的控制器设计

负载的快速变化或故障可能导致电压波动/闪烁，凹陷或膨胀。基于能量流动方程，我们可以设计控制器，以减轻无功能量波动，以致电压。此外，在STATOCM对系统变化的反应中使用比例积分控制器可以迅速减轻电压的变化。基于能量流动方程，在总线 i(Qi)之间的无功功率可以表示为[12]：

其中Qi ：从STATCOM传输到系统的无功功率。

i:母线的索引号 n：母线数目 Y：系统的导纳矩阵 θ：母线到支路的相角差 V：母线电压有效值

从方程（2），我们可以知道，当θ达到零，无功功率（Q）很大程度上是由电压振幅(V)而不是θ影响的。因此，控制器的设计可以基于测量的无功功率、系统电压和过滤噪声。将测量值与参考电压比较以获得一个误差信号。然后把误差信号送入控制器，将会获得一个开关传输角α。上述的控制器设计在图像3中得以显示。由正弦表示这个传输角α，产生一个调制角△α。然后把△α送给逻辑门，为转换器生成开关控制信号。全面控制结构如图4所示。

图像3 控制器设计

图像4 平衡控制结构

V. 不平衡条件下的控制器设计

当STATCOM应用于实际电力系统的操作时，系统可能由于负载变化和/或不平衡故障的出现无法实现三相平衡。在这里，我们在系统不平衡条件下为STATCOM提出新的控制器设计。这项设计是基于第IV节中平衡控制器的增大进行的。这里建议两项控制器设计：不平衡相电压补偿和负序电压补偿。对于每个控制器，补偿信号基于不平衡电压进行修改，以减轻系统中的不平衡电压。 A：不平衡相电压补偿

不平衡相电压补偿是根据脉宽调制（PWM）中的调制指数和相电压之间的关系进行设计的。方程（3）[11]提供了调制指数。调制指数可以进行调整，以调节STATCOM的输出电压。基于此设计，三相电压可以增加从而在幅度上达到平衡。

（3） 峰值()VVA0调制指数 VVref1cardc2其中Vref为参考信号的最大值，Vdccar是载波信号的最大值，（VA0）1是输出电

压的基本组成部分，V是直流电容两端的电压。

该不平衡相电压控制器的结构在图像5中显示。设计的调制指数补偿在图像6中显示。在设计的调制指数补偿中，采取每个单元的最大三相电压有效值作为参考电压，并与每相电压有效值进比较。误差信号乘以一个增益，并通过一个限制器来获得一个新的调制指数信号。平衡条件下的调制指数根据不平衡条件下新的调制指数进行调节。不平衡电压补偿信号的产生是用来减轻电压不平衡的。

图像5 不平衡三相电压控制器结构

图像6 三相不平衡电压控制器设计

B. 负序不平衡电压补偿器

三相电压可以由方程（4）[12]分解为正序，负序和零序。在平衡方程中，只有正序存在；在不平衡的条件下，正、负序分量存在，零序分量根据不同的不平衡状况可能出现或不出现。

在这里；

v，vab和v 是相电压；

c和

是零序，正序和负序分量。

在相量域，负序分 负序不平衡电压补偿器是基于对称分量分解方法设计的。

量可以被视为正序分量的反向旋转电压。因此不平衡补偿器的不平衡调制信号可由负序电压信号减去平衡电压来获得。补偿的方法如图7所示，控制结构如图8所示。在图9中，补偿器的设计得以详细介绍。

图7 负序补偿图示

图8 负序不平衡补偿器的控制结构

图9 为负序补偿器设计的控制器

VI. 平衡电压仿真与缓和

在本节中，我们首先开发模型来模拟电压骤降，膨胀和闪烁。然后我们利用第四节中所设计的平衡补偿器以显示其有效性。 A：电压骤降和膨胀

首先我们在以电压骤降和膨胀结束 STATCOM通过一个变压器连接到系统。

的系统中模拟电压变化。电压骤降通过含有故障阻力的三相接地故障模拟进行仿真。电压膨胀通过插入一个有着较高的并行等级的电压源进行模拟。模拟系统在图像10中显示。电压骤降在1.0秒开始，在0.5 秒STATCOM在系统中是切除的。后移除。电压膨胀在1.5秒开始并持续0.5秒，然后将额外电压源移除。电压档如图11所示。

STATCOM在0.5秒切换上线，系统电压的变化是动态减轻的。补偿系统电压在图像12中显示。电压可以回归到接近预定义的评价值（1.0pu），鉴于电压骤降发生于1.0秒，电压膨胀发生于2.0 秒。此外，我们还可以观察到，在短期，由于STATCOM对于系统状态变化的初步反应，电压会经历短暂的下降或上升。

图像10 电压凹陷和膨胀模型

图像11 无偿的VRMS

图像12 补偿后的VRMS

B.电压波动

其大小一般 电压波动是电压包络的系统性变化或电压变化的一个随机序列，

不超过由ANSI C84.1规定的0.9至1.1pu[13]的电压范围。在仿真中，我们可以将电压波动模拟为在电压有效值基础之上的一个调制过的较小的电压有效值的变化。在这里，将调制正弦信号假设成一个方波，用来表示考虑到电压变化斜率时的电压波动的极端情况。干扰电压源的生成原理如图13所示，假定额定电压为。 115kV并且波动电压的变化为5.75千伏（峰峰值）

在该系统中，电压波动从电压源上进行模拟。仿真系统如图14所示。

图像13 受干扰的电压波形

图像14 电压闪烁仿真系统

以5.75kV（峰峰值）电压变化为例，PCC的电压使用不同的控制器，如第IV节和第V节中所示，补偿前后如图像15中所示。 当STATCOM在1秒内被切入后，STATCOM的3种不同的控制器设计可以将电压由平均水平调整到额定水平（1pu）。3种控制器补偿的比较见表1。

这三个控制器具有非常类似的补偿效果。其中， 正如我们可以很容易地看出，

不平衡相电压补偿器具有更好的性能。原因是相电压控制器直接调节各相电压，因此即使系统引入波动从而产生轻微的不平衡电压时，也可以检测到任何偏差。从而它相对于其他两个有更好的性能。

图像15.当干扰电压是5.75kV（5％额定）时的电压有效值波形(a)平衡控制器，

(b)相电压控制器，(c)负序控制器

表1.电压波动补偿器比较

控制器类型 未补偿 平衡控制器 ΔV/V(%) 5.42367 4.98411 提高(%) 8.1048 相电压补偿器 4.85697 10.4489 负序补偿器

VII. 不平衡电压仿真与补偿

4.97167 8.3341

许多因素都可能引起电力系统的不平衡，例如不平衡负荷，非对称故障，或传输线没有正确换位。在这里，不平衡的情况通过应用在源端的不对称故障进行模拟；因此，不平衡电压可引入STATCOM。仿真系统在图16显示。

图16 不平衡仿真系统

图17（a）显示在系统终端发生C相单相接地故障时的瞬间相电压。在此，不平衡因素是9.523％。当平衡控制器应用于这一不平衡状况时，相电压在图17（b）中显示。从图17（b）中，虽然我们可以看到相电压有一些缓解，但波形是扭曲的。当应用不平衡控制器时，补偿后的电压波形更接近于正弦曲线，如图17（c）和（d）所示。

因 我们不能通过瞬时电压波形简单地评价不同控制器对不平衡电压的改进。此我们首先使用PSCAD（图18）中的 FFT模型得到序分量，从而可以计算出基本频率时的序分量。然后，电压不平衡可以由负序不平衡因素（NSUF）[14]评估：

负序电压有效值负序不平衡因素 （5）正序电压有效值此外，国家电气制造商协会（NEMA）对三相电压不平衡的定义为：

线电压不平衡 （6）

其中v(t)是瞬时线电压，

vavg（t）是瞬时平均线电压，max()代表评估组的最大LL值。

图像17. 瞬时电压波形（a）无偿，（b）平衡补偿器，（c）相电压补偿器，（d）

负序电压补偿器

图像18 PSCAD中的对称构件计算模型。输入的相电压是Va，Vb和Vc。基频

Pa(+),Na(-),Za(0)时的对称分量输出。

利用负序不平衡因素（NSUF），如公式（5）所示，以评估设计控制器的有效性，补偿情况的比较在图像19中显示。在这里不平衡故障（单相接接地故障）发生于1秒。没有STATCOM的补偿，NSUF为10.2％。在应用平衡控制器，相电压不平衡控制器或负序控制器后，NSUF分别下降到7.5％，2.5％或1.2％。

另一方面，如果运用到NEMA的线电压不平衡因素和相同的不平衡故障，不同补偿器补偿前后的不平衡因素都显示在图像20中。如图20所示， NEMA的因素有一些振荡。这是由于NEMA的因素是通过瞬时线电压的最大偏差计算的，以及不同相间的偏差是变化的。所以运用NEMA的因素计算的结果可能不会像运用NSUF那么平滑。

图19 采用负序不平衡因素进行补偿的比较（1秒后从上到下：没有STATCOM

的，平衡控制器，相电压不平衡控制器，负序控制器）

图20 NEMA的相电压不平衡因素。(a)平衡控制器(b)相电压不平衡控制器(c)负

序控制器

我们进一步调查不同故障下控制器的性能。表2列出了控制器相对于单相接地故障，两相接地故障和相间短路改善的百分比。这三者的负序分量因素（正序分量的大小除以负序分量的大小）分别为9.523%,9.27%和 9.376%。

从表2中我们可以看出，如不平衡因素所表明：NSUF 和 NEMA，负序控

制器比另外两个控制器（名为平衡控制器和相电压不平衡控制器）表现的好。这是因为相电压不平衡控制器只是使用相电压大小来规范调制指数，不平衡电压不仅包含大小不平衡还有相位角的变化。因此，在不平衡状况下，在大小不平衡的基础上，单相不平衡需要被补偿。

表2.比较不同的控制器对于严重不平衡的改善程度

故障类型 素 不平衡因 改善(%) 平衡控制 偿 单相接地 NEMA 38.53 68.27 86.25 NSUF 45.51 72.14 88.42 两相接地 NEMA 31.16 65.94 83.79 NSUF 36.45 71.29 87.53 相间短路 NEMA 43.22 85.59 87.19 NSUF 44.46 89.01 89.89

表3列出了轻微故障情况出现时不平衡因素的改善。负序因素对于单相接地故障，两相接地故障和相间短路分别是5.345％，5.27％和5.292％。我们再次可以看到负序补偿器的性能比其他2个控制器更好。

表3 不同控制器对于不平衡的改善的比较

故障类型 法 评价方 改善(%) 平衡控制 相电压补负序补偿 相电压补负序补偿

偿 单相接地 NEMA 83.39 83.92 87.59 NSUF 85.16 85.43 90.40 两相接地 NEMA 81.56 81.75 86.81 NSUF 84.91 85.07 89.75 相间短路 NEMA 46.46 83.28 85.89 NSUF 48.70 87.79 88.96 在以上仿真研究的基础上，我们可以得出这样的结论：负序补偿器比平衡和相电压补偿器有更好的补偿效果。这是由于负序分量在此控制器中予以考虑。因此电压大小与相位可以在不平衡和平衡状态下适当地补偿。使用硬件来实现进一步的调查正在计划当中。

VIII. 结论

本文利用无功功率补偿，相电压差别和负序分量的原理设计了3种控制器，即平衡控制器，三相电压不平衡控制器和负序控制器。我们调查这3种控制器在电压骤降，膨胀，波动，和不平衡状况下的有效性。平衡电压的变化，如骤降，膨胀和波动分别建模为三相故障，原始电压源附加电压和调制电压源。不平衡电压变化建模为不同的故障类型，如单相接地故障，两相接地故障和相间短路故障。仿真结果显示，虽然平衡控制器和相位幅度控制器可以为电压变化提供补偿，但一般情况下该负序控制器对于平衡和不平衡电压变化具有更好的补偿效果。这是由于负序部件在控制回路中运用，其中不平衡大小与相位都得到了补偿。

IX. 参考文献

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X. 履历

舒仁史蒂芬蔡（S'98，M'05）是台湾嘉义国立中正大学电机工程学系的一个助理教授。他从弗吉尼亚理工学院和州立大学（弗吉尼亚理工大学）获得电气工程博士学位（2005年）和硕士学位（2002年）；分别从卡耐基梅隆大学和国立中央大学获得机械工程硕士学位（1998年）和学士学位（1995年）。他在量子公司的研发部门工作。他的研究领域包括电能质量，电力系统动态，广域频率测量应用，FACTS和可再生能源系统。通过stsai@ee.ccu.edu.tw可以联系到他。

他分别在国立中正大学 云昌在台湾嘉义国立中正大学电机系攻读博士学位。

和南台科技大学获得电机工程硕士学位（2007年）和学士学位（2005年）。他的研究方向是电力系统分析，电能质量和FACTS应用。