1.引言
随着工业化进程的加快，对电能质量要求也变得日益严格，如何提高现代电力系统可靠性、可控性、快速性已成为亟待解决的问题[1]。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是现代柔性交流输电系统(Flexible AC TransmissionSystems，FACTS)的核心装置，与传统的无功补偿装置相比，STATCOM 具有响应速度快，吸收无功连续，谐波电流小，损耗低，体积小等优点，因此，STATCOM已成为无功和谐波补偿装置研究发展的重要方向[2,3]。针对 STATCOM 的控制设计有多方面的研究。文献[4]分析电压外环、电流内环结构的静止无功发生器直接电流控制方法，并对该控制方法进行仿真验证。文献[5]给出装置发出纯容性无功功率时电容两端电压过高的原因及解决的方法，仿真给出了直接电流法控制下系统发出感性和容性无功时电流和电容两端电压的仿真波形。文献[6]应用瞬时功率检测理论将采集的功率实时解耦成有功和无功分量，利用功率和开关量的关系对有功和无功分别控制，通过仿真验证了控制的有效性。上述仿真效果都还可以进一步改善。
本文通过研究STATCOM 的工作原理，根据三角载波直接电流控制方法，搭建Matlab 仿真模型进行研究，验证其控制和补偿效果。
2.STATCOM 的工作原理
简单地说，STATCOM 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。从结构上说STATCOM 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。实际上，由于运行效率的原因，实际应用的大多采用的是电压型桥式电路。因此STATCOM 专指采用自换相的电压桥式电路作为动态无功补偿的装置。装置主电路结构如图1 所示，功率开关器件采用具有自关断能力的开关器件IGBT。
STATCOM 工作时通过电力半导体的开关通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，相当于一个电压型逆变器，在这里等效为一个幅值和相位可控的交流电压源[7]。实际单相等效电路与相量图如图2 所示，考虑到电路损耗，可将损耗作为连接电抗器的电阻考虑。其中电网电压和STATCOM 输出的交流电压为VS 和VSTA，电抗器电压为VL，电抗器等效阻抗为R，感抗为X，电流为I。
由图 2 分析可知，电网电压VS 与电流I 的相位差不是90°，而是比90°小了δ 角，电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，此时当VSTA> VS 时，电流超前电压，STATCOM 等效为连续可调的电容，为容性运行模式，吸收容性无功;当VSTA
3.STATCOM 直接电流控制策略
STATCOM 的控制方法有电流间接控制和直接控制两种[8]。间接电流控制是把STATCOM 视为电压源，通过对变流器侧所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制的交流侧电流。通过调节输出电压和系统电压的相位差δ，或者结合控制脉冲宽度θ对系统进行补偿;直接电流控制是采用跟踪型PWM技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。由于间接电流控制方法相对简单，控制精度不高，响应速度较慢，而直接电流控制方法能够快速响应，且有很高的控制精度，能够达到间接控制实现不了的效果，故本文选择直接电流控制方法。
图 3 为瞬时无功及谐波电流检测框图，其中Ia、Ib、Ic 是三相负载电流，Udcref 为设定直流侧电压参考值，Udc 为检测到的直流侧电压。首先Ia、Ib、Ic 通过进行abc 三相坐标转变为α-β 两相坐标，求得ip 和iq，该过程包括检测a 相电压Ua，并通过锁相环节PLL获取与a 相电压同相位的正余弦信号。为获取电流谐波和无功信号，断开无功通道iq(即令iq=0)，并将直流侧控制信号与滤波后有功信号ip 相比较作为有功通道信号ip*，经过坐标反转变为abc 三相坐标，计算出基波有功电流信号。
跟踪型PWM 控制技术可以采用滞环比较方式，也可采用三角波比较方式[9,10]。在调制环节中，滞环调制中开关频率会随补偿电流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声，而采用三角波调制法，开关频率等于三角载波频率，脉动电流小，并且输出电压中所含谐波较少。基于上述优势，本文采用三角波比较方式。三角波比较控制是将检测得到的电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到的脉冲作为逆变器各开关器件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的电流波形，其详细控制流程如图4 所示。
图 4 所示的控制方式与其它用三角波作为载波的PWM 控制方式不同，它不直接将指令信号与三角波比较，而是将指令电流与补偿电流的偏差经放大器A后再与三角波比较。放大器A 往往采用比例积分放大器。这样组成的一个控制系统可以把偏差信号控制为最小。
上述三角载波直接电流控制方法该可以实现无功和谐波的同时补偿，而直流侧电压的控制可以使直流侧的电压保持稳定，从而实现稳定、精确的补偿效果。
4.建模及仿真分析
本文利用MATLAB 7.1 的Simulink 元件库搭建线电压为220V/50Hz 的STATCOM 的仿真模型，如图5所示，该模型主要包括电源模块、负载模块、检测模块和控制模块四个部分。其中负载模块由两部分组成，一部分是整流型负载，模拟产生电流型谐波;另一部分为无功负载，设置在0.1s 投入该负载模拟电网中无功的变化。
图 6 为补偿前后A 相电压电流波形。由图(a)可以看出，补偿前整流型负载产生的谐波较为明显，0.1s 时无功负载的投入也引起了电流的变化。图(b)为补偿后的电压电流波形，补偿后系统在0.02s 趋于稳定。当系统在0.1s 接入一无功负载引起波动时，补偿装置能够迅速响应，达到很好的补偿效果。图(b)中前0.02s 的波动是由于装置刚投入时的冲击引起的。
以看出，补偿前电流畸变率为21.80%，比较严重。而补偿后能够降低到2.45%，电流质量明显得到改善。图 8 为补偿前后A 相电路的功率因数变化情况，图(a)(b)比较可得，补偿稳定后A 相电路的功率因数基本为1，可见STATCOM 对无功功率具有良好的补偿性能。
图 9 为补偿过程中的电流跟踪效果，即发出的无功电流与检测的指令信号比较。由图可以看出，该装置发出的无功电流与指令信号在0.01s 后基本上已经重合，实现了精确、快速的跟踪效果。
图10 为直流侧电容电压波形，补偿稳定后，直流侧电容电压能够稳定到设定值，而且当负载突然投入后，仍可以快速稳定到设定值。
5.结论
本文通过对STATCOM基本工作原理的分析以及三角波调制直接电流控制方法的研究，利用MATALB仿真软件搭建仿真模型，详细分析了STATCOM 对整流型负载电路的无功及谐波的补偿特性。仿真结果表明，STATCOM 采用直接电流控制策略达到了对无功及谐波电流的快速跟踪效果，对系统无功及谐波具有良好的补偿特性。