基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿的仿真研究朱永强¹，刘文华¹，邱东刚²，刘炳¹，卢军峰¹（1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；
2．北京经济技术投资开发总公司，北京100176）
摘要：单相STATCOM由于具有输出无功电流谐波含量低、响应速度快等优点而适合于不平衡负荷的平衡化补偿。文中给出了采用单相STATCOM实现平衡化补偿的两种主电路结构及电压-无功综合控制方法。三相补偿电流相量采用对称分量法通过矢量变换获得，单相无功功率采用单相瞬时无功功率算法得到，单相逆变器采用特定谐波消除PWM算法（SHE-PWM），以保证输出无功电流的谐波总畸变率小于5，同时保证直流侧电容电压的稳定。对所给出的补偿方法进行了仿真研究，结果验证了单相STATCOM进行快速平衡化补偿的能力比较强。
关键词：无功发生器；不平衡负载；平衡化补偿
1引言
电网中，尤其是配电网中，存在着很多种类的三相不平衡负荷，其中容量较大、不平衡程度比较严重的包括电力机车和电弧炉等。电压、电流不平衡可能给系统中的用户带来多种危害^[1]，如：引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力；引起以负序分量为启动判据的保护元件误动，这可能对电网的安全运行造成严重影响及其他方面的危害。
为了减轻电弧炉等不平衡负荷对系统造成的危害，出现了多种解决方案。其中比较常见的是使用SVC来进行分相电纳（无功）补偿^[2]。SVC虽然具有成本较低，响应速度较快的优点，但是它也具有几个重要的缺点：
（1）其中含有较多的无源器件¾¾电抗器或者电容器，体积庞大。
（2）TCR这些类型的SVC本身还产生低次谐波电流，也需要安装滤波器。通常采用无源滤波器与SVC并联使用，这样会增加成本，而且如果设计不仔细，实际运行时有可能由于系统发生或接近于谐振而使某些谐波严重放大而不是衰减。
（3）SVC的工作范围较窄，当系统电压降低到一定程度时，输出无功将随着电压下降而下降，无法对系统提供足够的无功支持。
本文给出了一种新型的基于三单相无功发生器的分相补偿不平衡负载的方法，并进行了仿真研究。这种方法可以对任何三相不接地不平衡负载进行平衡化补偿，不平衡的有功功率及全部无功功率均可以被补偿，使得经补偿后该负载对系统来说是一个平衡的有功负载。和SVC装置相比，该装置有如下优点：①采用无功发生器发出无功，而不是靠电容、电抗补偿无功，使得装置体积小，重量轻；②装置发出的无功电流谐波含量小，电流谐波总畸变率（THD）小于5，不需对装置进行谐波滤波；③装置具有快速的补偿速度，无功发出响应时间小于30ms。该装置可以广泛应用于对三相380V至10kV的配电网上的不平衡负载进行平衡化补偿，如电气化铁路牵引负载、冶炼电弧炉负载等。
2采用单相STATCOM补偿的原理
任何三相不接地的不平衡负载都可以转换为等效的三相三角形接线。在一个确定的时刻，每相负载都可以等效地看作一个电阻和电容（或电感）的并联。其中纯电感和纯电容负载都可以通过与之并联阻抗值相等的电容/电感，使并联回路发生并联谐振，以实现平衡化^[3]。并联电感/电容相当于在支路中进行容性或是感性的无功补偿，因此，凡是能够实现分相无功补偿的装置，都可以用于不平衡负荷补偿。补偿并不改变供电电源与负载间的有功交换。SVC就是采用并联电容或电抗补偿不平衡负载的一种方法。同样，可以分相控制的无功发生器也可用于补偿不平衡负载^[4]。下面先介绍单相无功发生器的基本原理^[5]。
图1给出了单相无功发生器与供电电源系统的连接图，其中代表系统电压，代表单相逆变器输出电压的基波分量。假设逆变器损耗为0，即R=0，则和同相位。因此当U_I>U_S时，STATCOM发出无功功率；反之，STATCOM吸收无功功率。当U_S=U_I时，STATCOM与系统之间没有无功功率的交换。因此，只要控制逆变器输出电压大小，就可以控制逆变器与系统交换无功的大小和方向，也就可以应用于不平衡负荷补偿。实际逆变器损耗并不为0，因此稳态时有

式中K_m为逆变器输出电压基波有效值与直流电压之比（称为调制比）；U_d为直流电压，Q_s为STATCOM输出到系统的无功功率，a=arctan(X/R)，δ为领先的相角。
由式(1)、(2)可知，只要同时控制δ和K_m，就可以控制单相无功发生器与系统交换的无功功率的大小和方向，且可以保持直流电容电压的稳定。
3采用单相STATCOM的平衡化补偿主电路
主电路分为两种结构，第一种是没有隔离变压器的主电路结构，第二种是有隔离变压器的主电路结构。
第一种主电路结构由3个无隔离变压器的单相电压型逆变电路及3个连接电抗组成。3个单相电压型逆变电路对应于A、B、C三相，每个单相电压型逆变电路由N（N=1，2，…）个单相电压型逆变桥组成，N个单相电压型逆变桥的输出串联得到该单相逆变电路的输出。A相逆变电路的输出串联A相连接电抗后并联接到负载的A相和B相间，B相逆变电路的输出串联B相连接电抗后并联接到负载的B相和C相间，C相逆变电路的输出串联C相连接电抗后并联接到负载的C相和A相间，如图2所示。每个单相桥的直流电容独立。第二种主电路结构由3个有隔离变压器的单相电压型逆变电路及3个连接电抗组成。3个单相电压型逆变电路对应于A、B、C三相，每个单相电压型逆变电路由N（N=1，2，…）个单相电压型逆变桥及N个单相隔离变压器组成，N个单相电压型逆变桥的输出分别接到N个单相变压器的原边，N个单相变压器的副边串联而得到该单相逆变电路的输出。A相逆变电路的输出串联A相连接电抗后并联接到负载的A相和B相间，B相逆变电路的输出串联B相连接电抗后并联接到负载的B相和C相间，C相逆变电路的输出串联C相连接电抗后并联接到负载的C相和A相间。如图3所示。直流侧可以共电容。每个电压型单相逆变桥可采用单相电压型两电平逆变桥或单相电压型三电平逆变桥。为使单相逆变器能在开关频率较低时能输出接近正弦波的输出电流波形，单相逆变器的脉冲调制最好采用特定谐波消除PWM（SHE-PWM）调制的方法。
4电压无功综合补偿控制
为了控制无功发生器输出补偿所需要的无功功率，需要知道每相负载各需要的无功功率补偿量。用负载线电流表示的每相需要补偿的电纳为

而每相需要补偿的电流为

通过对称分量法的矢量变换，可得到除正序电流相量的实部（即有功[1][2]下一页