1.引言
隨著工業化進程的加快，對電能質量要求也變得日益嚴格，如何提高現代電力系統可靠性、可控性、快速性已成為亟待解決的問題[1]。靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是現代柔性交流輸電系統(Flexible AC TransmissionSystems，FACTS)的核心裝置，與傳統的無功補償裝置相比，STATCOM 具有響應速度快，吸收無功連續，諧波電流小，損耗低，體積小等優點，因此，STATCOM已成為無功和諧波補償裝置研究發展的重要方向[2,3]。針對 STATCOM 的控制設計有多方面的研究。文獻[4]分析電壓外環、電流內環結構的靜止無功發生器直接電流控制方法，并對該控制方法進行仿真驗證。文獻[5]給出裝置發出純容性無功功率時電容兩端電壓過高的原因及解決的方法，仿真給出了直接電流法控制下系統發出感性和容性無功時電流和電容兩端電壓的仿真波形。文獻[6]應用瞬時功率檢測理論將采集的功率實時解耦成有功和無功分量，利用功率和開關量的關系對有功和無功分別控制，通過仿真驗證了控制的有效性。上述仿真效果都還可以進一步改善。
本文通過研究STATCOM 的工作原理，根據三角載波直接電流控制方法，搭建Matlab 仿真模型進行研究，驗證其控制和補償效果。
2.STATCOM 的工作原理
簡單地說，STATCOM 的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，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。從結構上說STATCOM 分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。實際上，由于運行效率的原因，實際應用的大多采用的是電壓型橋式電路。因此STATCOM 專指采用自換相的電壓橋式電路作為動態無功補償的裝置。裝置主電路結構如圖1 所示，功率開關器件采用具有自關斷能力的開關器件IGBT。
STATCOM 工作時通過電力半導體的開關通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓，相當于一個電壓型逆變器，在這里等效為一個幅值和相位可控的交流電壓源[7]。實際單相等效電路與相量圖如圖2 所示，考慮到電路損耗，可將損耗作為連接電抗器的電阻考慮。其中電網電壓和STATCOM 輸出的交流電壓為VS 和VSTA，電抗器電壓為VL，電抗器等效阻抗為R，感抗為X，電流為I。
由圖 2 分析可知，電網電壓VS 與電流I 的相位差不是90°，而是比90°小了δ 角，電網提供了有功功率來補充電路中的損耗，此時當VSTA> VS 時，電流超前電壓，STATCOM 等效為連續可調的電容，為容性運行模式，吸收容性無功;當VSTA
3.STATCOM 直接電流控制策略
STATCOM 的控制方法有電流間接控制和直接控制兩種[8]。間接電流控制是把STATCOM 視為電壓源，通過對變流器側所產生交流電壓基波的相位和幅值的控制，來間接控制的交流側電流。通過調節輸出電壓和系統電壓的相位差δ，或者結合控制脈沖寬度θ對系統進行補償;直接電流控制是采用跟蹤型PWM技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制。由于間接電流控制方法相對簡單，控制精度不高，響應速度較慢，而直接電流控制方法能夠快速響應，且有很高的控制精度，能夠達到間接控制實現不了的效果，故本文選擇直接電流控制方法。
圖 3 為瞬時無功及諧波電流檢測框圖，其中Ia、Ib、Ic 是三相負載電流，Udcref 為設定直流側電壓參考值，Udc 為檢測到的直流側電壓。首先Ia、Ib、Ic 通過進行abc 三相坐標轉變為α-β 兩相坐標，求得ip 和iq，該過程包括檢測a 相電壓Ua，并通過鎖相環節PLL獲取與a 相電壓同相位的正余弦信號。為獲取電流諧波和無功信號，斷開無功通道iq(即令iq=0)，并將直流側控制信號與濾波后有功信號ip 相比較作為有功通道信號ip*，經過坐標反轉變為abc 三相坐標，計算出基波有功電流信號。
跟蹤型PWM 控制技術可以采用滯環比較方式，也可采用三角波比較方式[9,10]。在調制環節中，滯環調制中開關頻率會隨補償電流變化而變化，從而引起較大的脈動電流和開關噪聲，而采用三角波調制法，開關頻率等于三角載波頻率，脈動電流小，并且輸出電壓中所含諧波較少。基于上述優勢，本文采用三角波比較方式。三角波比較控制是將檢測得到的電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波相比較，所得到的脈沖作為逆變器各開關器件的控制信號，從而在逆變器輸出端獲得所需的電流波形，其詳細控制流程如圖4 所示。
圖 4 所示的控制方式與其它用三角波作為載波的PWM 控制方式不同，它不直接將指令信號與三角波比較，而是將指令電流與補償電流的偏差經放大器A后再與三角波比較。放大器A 往往采用比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統可以把偏差信號控制為最小。
上述三角載波直接電流控制方法該可以實現無功和諧波的同時補償，而直流側電壓的控制可以使直流側的電壓保持穩定，從而實現穩定、精確的補償效果。
4.建模及仿真分析
本文利用MATLAB 7.1 的Simulink 元件庫搭建線電壓為220V/50Hz 的STATCOM 的仿真模型，如圖5所示，該模型主要包括電源模塊、負載模塊、檢測模塊和控制模塊四個部分。其中負載模塊由兩部分組成，一部分是整流型負載，模擬產生電流型諧波;另一部分為無功負載，設置在0.1s 投入該負載模擬電網中無功的變化。
圖 6 為補償前后A 相電壓電流波形。由圖(a)可以看出，補償前整流型負載產生的諧波較為明顯，0.1s 時無功負載的投入也引起了電流的變化。圖(b)為補償后的電壓電流波形，補償后系統在0.02s 趨于穩定。當系統在0.1s 接入一無功負載引起波動時，補償裝置能夠迅速響應，達到很好的補償效果。圖(b)中前0.02s 的波動是由于裝置剛投入時的沖擊引起的。
以看出，補償前電流畸變率為21.80%，比較嚴重。而補償后能夠降低到2.45%，電流質量明顯得到改善。圖 8 為補償前后A 相電路的功率因數變化情況，圖(a)(b)比較可得，補償穩定后A 相電路的功率因數基本為1，可見STATCOM 對無功功率具有良好的補償性能。
圖 9 為補償過程中的電流跟蹤效果，即發出的無功電流與檢測的指令信號比較。由圖可以看出，該裝置發出的無功電流與指令信號在0.01s 后基本上已經重合，實現了精確、快速的跟蹤效果。
圖10 為直流側電容電壓波形，補償穩定后，直流側電容電壓能夠穩定到設定值，而且當負載突然投入后，仍可以快速穩定到設定值。
5.結論
本文通過對STATCOM基本工作原理的分析以及三角波調制直接電流控制方法的研究，利用MATALB仿真軟件搭建仿真模型，詳細分析了STATCOM 對整流型負載電路的無功及諧波的補償特性。仿真結果表明，STATCOM 采用直接電流控制策略達到了對無功及諧波電流的快速跟蹤效果，對系統無功及諧波具有良好的補償特性。