Ryszard STRZELECKI
Akademia Morska w Gdyni
Grzegorz BENYSEK
Uniwersytet Zielonogórski

UKŁADY STATCOM I ICH ROLA

W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

Streszczenie

W referacie przedstawiono właściwości i możliwości układów STATCOM. Rozpatrzono graniczne możli-

wości zwiększenia przesyłu energii elektrycznej w linii przez zastosowanie kompensatorów rozproszonych.
Omówiono wybrane aspekty pracy takich układów oraz najważniejsze topologie stosowanych przekształtników.
Ponadto rozpatrzono możliwości zastosowania i współpracy układów D-STATCOM oraz układów hybrydowych
z kompensatorami tradycyjnymi typu VSC oraz FC/TCR w sieciach dystrybucyjnych.

Słowa kluczowe: kompensatory statyczne STATCOM, D-STATCOM, przekształtniki energoelektroniczne

1. Wprowadzenie

Początki rozwoju systemów elektroenergetycznych i związanych z nimi technik sterowa-

nia napięciem i przepływem energii elektrycznej datują się na koniec XIX - początek XX w.
Stosowane w tym celu łączniki mechaniczne nie miały praktycznie alternatywy aż do końca
lat 60-tych zeszłego stulecia (rys.1). Stan ten zmieniły pierwsze tyrystory dużej mocy, zapo-
czątkowujące rozwój tzw. układów FACTS (Flexible AC Transmission System). Kolejny
przełom spowodowały w pełni sterowalne przyrządy energoelektroniczne (tyrystory GTO i
IGCT, tranzystory IGBT). Budowane na ich podstawie urządzenia energoelektroniczne, w
szczególności falowniki prądu i napięcia, umożliwiają sterowanie napięciem oraz przepły-
wem energii elektrycznej w liniach zasilających, oraz poprawę parametrów zasilania i odbioru
energii elektrycznej, z nieosiągalną wcześniej jakością i dynamiką [1],[3],[9],[10],[14].

Łączniki

mechaniczne

1900

2000

1990

1980

1970

Łączniki

tyrystorowe

Falowniki

napięcia - prądu

El

as

ty

cz

no

ść

-

Na

kła

dy

FACTS

FACTS

St

er

owanie

napi

ęciem

i p

rzep

ływ

em

en

er

gii

Dynamika

Stan

ustalony

Rys.1. Tendencje rozwojowe układów sterowania napięciem i przepływem energii elektrycznej.

Przełom w układach FACTS z lat 90-tych (rys.1) zapoczątkowały statyczne kompensato-

ry synchroniczne STATCOM (STATic COMpensator). Mimo, że nastąpiło to przeszło 15 lat
temu (rys.2) i od tego czasu opracowano nowe układy o większych możliwościach regulacyj-
nych [1],[3],[10]÷[14], kompensatory STATCOM, w tym również D-STATCOM (Distribu-
tion STATCOM) są ciągle rozwijane i licznie instalowane. Wiąże się to z wagą problemów,
jakie nastarcza moc bierna. Prostymi, aczkolwiek istotnymi przykładami są tutaj zwiększone
straty w liniach (patrz np. rys.3), zjawisko flicker’a, niestabilność napięcia. Informacje za-
mieszczone w tabl.1 i tabl.2 umiejscawiają układy STATCOM wśród innych urządzeń steru-
jących stosowanych niekiedy zamiennie w systemach elektroenergetycznych.

Obciążenie linii (MVA)

Straty czynne

Straty bierne

St

ra

ty

(M

W

o

ra

z M

V

ar

)

0

0

100

150

50

-100

800

700

600

300

200

400

500

-50

100

200

150

Linia 230 kV

Linia 435 kV

Rys.2. Wygląd zewnętrzny 1-go na świecie ukła-

du STATCOM (80 MVAr, 154 kV), zainstalo-

wanego w podstacji Inuyama (Japonia) w 1991 r.

Rys.3. Przykładowe straty w liniach 230 kV i 435 kV o dłu-

gości ok. 100 km zasilanych dwustronnie

w funkcji obciążenia.

Tabela

1

.

Wybrane ograniczenia w systemach przesyłowych i możliwe zastosowaniem urządzeń sterujących

Zagadnienie

Zjawisko

SC

SR

TCSC

AS

C/SSS

C

SVC

STATCOM

TCPAR

QBT

IPC

UPF

C

Przeciążenie linii

X X X

X X X X

Termiczne

Samoczynne wyłączanie obwodów równoległych

X

X X X X

Niskie napięcie przy dużym obciążeniu X

X X X

X X X

Wysokie napięcie przy małym obciążeniu

X X X X

X X X

Sterowania
napięciem i
mocą bierną

Uchyb napięcia w następstwie przerwy

X X X X X X X X

Podział obciążenia pomiędzy linie równoległe

X X X X

X X X X

Podział obciążenia po uszkodzeniu linii

X X X X

X X X X

Przepływu
energii

Sterowanie przepływem

energii

X X X X

Brak momentu synchronizującego

X X

X

Sterowanie przepływem w stanach nieustalonych

X X X X X

X

Oscylacje

mocy

X X X

X X

X

Dynamiki i
stabilności

Stabilność napięcia X

X X X

X

X

gdzie: SC - załączany kondensator; SR - załączany dławik; TCSC - sterowany tyrystorowo kondensator szere-

gowy; ASC/SSSC - udoskonalony kompensator szeregowy/statyczny szeregowy kompensator synchro-
niczny; SVC - statyczny kompensator mocy biernej; STATCOM - statyczny kompensator synchroniczny;
TCPAR - sterowany tyrystorowo przesuwnik kąta fazowego; QBT - kwadraturowy transformator dodaw-
czy; IPC - międzyfazowy sterownik mocy; UPFC - zunifikowany sterownik przesyłu energii.

Tabela 2. Charakterystyka porównawcza najważniejszych urządzeń regulacji napięcia

Koszty

Typ

urządzenia

Odpowiedź,

reakcja na

zaburzenie

Zdolność

podtrzymania napięcia

Inwestycyjne

(na kVAr)

Eksploatacyjne Alternatywne

Generator Szybka

Bardzo dobra, dodatkowa

krótkotrwała przeciążalność

Trudne do

ustalenia

Wysokie Są

Maszyna

synchroniczna

Szybka

Bardzo dobra, dodatkowa

krótkotrwała przeciążalność

30-35 USD

Wysokie

Nie ma

SC

Wolna,

schodkowa

Słaba, spada z V

2

8-10 USD

Bardzo niskie

Nie ma

SVC Szybka Słaba, spada z V

2

45-50 USD

Umiarkowane

Nie ma

STATCOM

Szybka

Dobra, spada z V

50-55 USD

Umiarkowane

Są

Celem niniejszego referatu jest przedstawienie podstaw teoretycznych, właściwości oraz

wybranych rozwiązań i korzyści z zastosowania układów STATCOM i D-STATCOM.

2. Podstawy teoretyczne

Praca kompensatorów równoległych w systemie elektroenergetycznym, w tym również

układów STATCOM, z założenia powinna prowadzić do stabilizacji napięcia w punkcie przy-
łączenia i do kompensacji mocy biernej. Na tej podstawie, jako model idealnego kompensato-
ra równoległego przyjmuje się zazwyczaj źródło napięcia o zadanej amplitudzie i fazie
[1],[9]. Taki model pozwala na prostą i ogólnie właściwą ocenę zmian przepływów energii w
systemie, spowodowane dołączeniem kompensatorów.

a)

X/2

X/2

I

S

V

S1

V

S2

V

m

b)

X/2

X/2

I

S1

I

S2

V

S1

V

S2

V

m

c)

X/4

X/4

I

S1

I

12

V

S1

V

S2

V

m1

X/4

I

23

V

m2

X/4

I

S2

V

m3

Rys.4. Dwuźródłowy model systemu elektroenergetycznego: a) bez kompensacji; b) z idealnym kompensato-

rem w punkcie środkowym linii; c) z idealnymi kompensatorami rozproszonymi wzdłuż segmentów linii.

a)

I

S

V

S1

V

S2

V

m

V

X

=jI

S

X

δ

/2

δ

/2

b)

I

S1

V

S1

V

S2

V

m

δ

/2

δ

/2

I

S2

jI

S1

X/2

jI

S2

X/2

c)

I

S1

V

S1

V

m1

I

S2

jI

S1

X/4

I

12

I

23

V

S2

V

m2

V

m3

jI

12

X/4

jI

23

X/4

jI

S2

X/4

Rys.5. Wykresy wskazowe dla modeli systemu przedstawionych odpowiednio na: a) rys.4a; b) rys.4b; c) rys.4c

Na rys.4 przedstawiono modele dwuźródłowe systemu elektroenergetycznego bez kom-

pensatora (rys.4a) i z kompensatorami dołączonymi wzdłuż segmentów linii (rys.4b i rys.4c).
Modele te uzupełniają odpowiednie wykresy wskazowe pokazane na rys.5. Wyznaczone na
ich podstawie moce czynna P

S

i bierna Q

S

źródeł zasilających V

S1

i V

S2

oraz moc bierna poje-

dynczego kompensatora Q

m

, w zależności od liczby N=1,2,4 równych segmentów, wynoszą:

(a)

1

=

N

,

δ

sin

max

P

P

S

=

,

(

)

δ

cos

1

max

−

= P

Q

S

, 0

=

m

Q

(b)

2

=

N

,

( )

2

sin

2

max

δ

P

P

S

=

,

( )

(

)

2

cos

1

2

max

δ

−

= P

Q

S

,

( )

(

)

2

cos

1

4

max

δ

−

= P

Q

m

(1)

(c)

4

=

N

,

( )

4

sin

4

max

δ

P

P

S

=

,

( )

(

)

4

cos

1

4

max

δ

−

= P

Q

S

,

( )

(

)

4

cos

1

8

max

δ

−

= P

Q

m

gdzie:

δ

- przesunięcie fazowe i V – amplituda napięć źródeł V

S1

i V

S2

; P

max

=V

2

/X

L

- maksy-

malna moc czynna, możliwa w systemie jak na rys.4a; X

L

- reaktancja linii.

Dla dowolnej liczby N segmentów linii zależności (1) przyjmują postać:

(

)

N

NP

P

S

δ

sin

max

=

,

(

)

(

)

N

NP

Q

S

δ

cos

1

max

−

=

,

(

)

(

)

N

NP

Q

m

δ

cos

1

2

max

−

=

(2)

Jak z tego wynika z przedstawionych powyżej zależności (1) i (2) oraz ilustrujących je

wykresów (rys.6 i rys.7), zwiększenie liczby wydzielonych segmentów linii z dołączonymi
kompensatorami

równoległymi zwiększa możliwości przesyłu mocy czynnej i zmniejsza

ob-

a)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

Q

S

/P

max

P

S

/P

max

b)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

Q

m

/P

max

P

S

/P

max

Q

S

/P

max

c)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

Q

m

/P

max

P

S

/P

max

Q

S

/P

max

Rys.6. Zmiany mocy w systemach przedstawionych odpowiednio na: a) rys.4a; b) rys.4b; c) rys.4c.

a)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

P

S

/P

max

N=2

N=3

N=4

N=5

N=6

b)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

Q

S

/P

max

N=2
N=3
N=4

N=5

N=6

c)

4

3

2

1

0

π/2

π

δ

Q

m

/P

max

N=2

N=3

N=4

N=5

N=6

Rys.7. Zmiany mocy w systemie przedstawionym na rys.4c przy różnej liczbie N segmentów linii:

a) moc czynna P

S

przesyłana między źródłami V

S

; b) moc bierna Q

S

obciążająca źródła V

S

;

c) moc bierna Q

m

obciążająca idealne kompensatory V

m

Rys.8. Względna wartość sumarycznej mocy biernej Q

mN

wszystkich

kompensatorów (wszystkich źródeł V

m

), odniesiona do mocy biernej Q

m2

pojedynczego kompensatora w linii dwusegmentowej (N=2)

ciążenie źródeł i pojedynczych kompensatorów zasilających
mocą bierną. W przypadku granicznym N→∞ mamy:

δ

max

P

P

S

→

, 0

=→

S

Q

, 0

→

m

Q

Wraz ze wzrostem liczby segmentów wzrasta jednak suma-
ryczna moc bierna zainstalowanych kompensatorów:

(

)

(

)

(

)

N

P

N

N

Q

mN

δ

cos

1

1

2

max

−

−

=

(3)

i dla N→∞ dąży do wartości Q

n∞

=P

max

δ

2

(rys.8). Uwzględ-

niając ten fakt i coraz mniejsze możliwości zwiększenia prze-

syłanej mocy P

S

wraz ze wzrostem liczby N, nieracjonalnym wydaje się podział linii bezod-

pływowej na więcej niż 2-3 segmenty. Może to być uzasadnione tylko w przypadkach, jeśli
kompensator dołączony jest w węźle odpływowym obciążonym dużą mocą bierną.
Zwiększenie możliwości przepływu energii w linii po zainstalowaniu dynamicznego
kompensatora równoległego, jakim bez wątpienia jest układ STATCOM, ma bardzo duże
znaczenie praktyczne dla stabilnej pracy systemu energetycznego, w szczególności przy du-
żym obciążeniu. Rys.9 ilustruje poglądowo zmiany w systemie dwuźródłowym, dwulinio-

2

1

0

π/2

π

δ

Q

mN

/Q

m2

N=2

N=3

N=4

N=5

N=6

N=

∞

wym w przypadku zwarcia doziemnego w jednej linii i ciągłemu zapotrzebowaniu na moc P

1

.

W stanie ustalonym przed zwarciem system pracuje punkcie O

1

. Podczas zwarcia maksymal-

na mocy dostarczana z systemu jest za mała na pokrycie zapotrzebowania. Po odłączeniu
zwartej linii niedobór energii A

1

w czasie zwarcia musi być skompensowany energią A

2

. Jeśli

jest to spełnione system powraca do stanu równowagi w nowym punkcie pracy O

2

. Obszar

∆

A

m

, odpowiadający różnicy między maksymalną energią, jaką można uzyskać z systemu po

odłączeniu zwartej linii, a energią A

2

=A

1

potrzebną na sprowadzenie systemu do nowego

punktu pracy O

2

, charakteryzuje margines stabilności przejściowej. Im obszar

∆

A

m

jest więk-

szy, tym system energetyczny szybciej i pewniej powraca do stanu równowagi. Idealny kom-
pensator równoległy zainstalowany w punkcie środkowym linii dwuźródłowej (rys.4b) wielo-
krotnie zwiększa ten obszar w porównaniu z systemem bez kompensatora, co ilustruje rys.10.
Podobnymi właściwościami wyróżniają się układy STATCOM.

a)

m

V

S1

V

S2

X

T

X

T

X/2

X/2

X/2

X/2

zwarcie

b)

P

max

0

π/2

π

δ

przed

zwarciem

podczas

zwarcia

P

1

A

1

A

2

δ

1

δ

2

δ

3

δ

gr

po odłączeniu

linii

∆

A

m

O

1

O

2

Rys.9. Przykład zmian punktu pracy

systemu dwuliniowego w wyniku zwar-

cia w jednej z linii: a) model systemu; b)

kryterium równości energii w stanie nie-

ustalonym (lewy).

Rys.10. Ocena zapasu stabilności

przejściowej

∆A

m

w systemie dwuźró-

dłowym: a) bez kompensacji; b) z ide-

alnym kompensatorem (prawy)

a)

2

1

0

π

δ

P

S

/P

max

∆

A

m

A

1

A

2

δ

1

δ

2

δ

3

δ

gr

b)

2

1

0

δ

P

S

/P

max

A

1

δ

1

δ

2

δ

3

δ

gr

=

π

A

2

∆A

m

3. Właściwości i budowa

Właściwości podstawowe

Układy STATCOM mogą być budowane zarówno na podstawie falowników napięcia

(VSI) jak i falowników prądu (CSI) (rys.11a). W pierwszym rozwiązaniu, układy VSI są do-
łączane do linii zasilającej przez dławik sprzęgający (filtrujący) L

F

, w drugim na wyjście

układu CSI musi być dołączany równoległy kondensator C

F

(rolę sprzęgającego może speł-

niać transformator Tr). W obu rozwiązaniach moc czynna może być pobierana lub oddawana
przez STATCOM jedynie w ilości pokrywającej straty, lub wynikającej z konieczności
wstępnego zmagazynowania wymaganej energii w elementach biernych obwodu DC. Bez-
stratny układ kompensatora w stanach ustalonych, nie może pobierać i generować mocy
czynnej, tj. musi być spełniony warunek P

C

=0. W przeciwnym razie, napięcie kondensatora

C

D

(układ VSI) lub prąd dławika L

D

(układ CSI) ulegałyby jednokierunkowej zmianie, powo-

dując awarię układu lub jego niezdolność do pracy. Podobne ograniczenia nie występują dla
mocy biernej generowanej przez układy STATCOM. Wartość maksymalną tej mocy ograni-
czają jedynie parametry prądowo-napięciowe użytych elementów. Modelując taki kompensa-
tor źródłem napięcia V

C

(rys.11a), na podstawie analogii do wzoru (1) nietrudno zauważyć, że

moc bierna zależy wyłącznie od różnicy napięć V

C

-V

T

oraz indukcyjności dławika L

F

(uwzględniając w tym indukcyjność rozproszenia transformatora Tr). Omówioną powyżej za-
sadę pracy układów STATCOM ilustrują wskazowe przedstawione na rys.11b.

a)

STATCOM

VSI

I

DC

= 0

U

DC

C

D

I

C

V

C

L

F

Tr

V

T

STATCOM

CSI

I

DC

U

DC

= 0

L

D

V

C

I

C

C

F

Tr

V

T

P

C

=0

P

C

=0

b)

V

C

V

T

I

C

= 0

V

C

V

T

V

L

I

C

- pojemnościowy

V

C

V

T

V

L

I

C

- indukcyjny

V

L

= 0

δ >

0 to P

C

< 0

V

C

V

T

V

L

I

C

δ

δ <

0 to P

C

> 0

U

DC

lub I

DC

V

T

V

C

V

L

I

C

δ

U

DC

lub I

DC

Rys.11. Zasada pracy układów STATCOM:

a) z zastosowaniem falownika napięcia (VSI) lub prądu (CSI); b) wykresy wskazowe

Ważną cechą układów STATCOM jest pomijalny wpływ pojemności C

D

(indukcyjności

L

D

) w obwodzie DC na generowaną moc bierną. Ponieważ w obwodach DC moc bierna nie

występuje, to przy względnie dużej częstotliwości łączeń elementów półprzewodnikowych
pojemność C

D

(indukcyjność L

D

) może być bardzo mała. Ta cecha, bardzo dobre właściwości

dynamiczne oraz przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej wyznaczającej możliwości
zmian przepustowości linii (rys.12), stawiają układ STATCOM pod względem technicznym i
funkcjonalnym na pierwszym miejscu wśród w innych kompensatorów mocy biernej stoso-
wanych w systemach elektroenergetycznych. Nieco wyższe koszty instalacji STATCOM’u
(tabl.2) są w ten sposób szybko zwracane [6]÷[8].

W wielu przypadkach możliwości generacji przez STATCOM mocy biernej indukcyjnej

nie są wykorzystywane lub są wykorzystywane częściowo. W licznych przypadkach kompen-
sowana moc bierna indukcyjna jest znacznie większa od kompensowanej mocy biernej po-
jemnościowej. W takich sytuacjach racjonalnym jest doposażenie kompensatora STATCOM
w baterię kondensatorów, tj. budowa układu hybrydowego (rys.13a) [9],[10]. Np. dobierając
dodatkową baterię kondensatorów na moc bierną równą połowie maksymalnej mocy biernej
generowanej przez STATCOM, 1,5 razy zwiększamy możliwości kompensacji mocy biernej
indukcyjnej. Zmniejszenie przy tym 2 razy możliwości kompensacji mocy biernej pojemno-
ściowej jest w przedstawionej sytuacji bez znaczenia. Dodatkową zaletą kompensatora hybry-
dowego są mniejsze straty mocy w wymaganym zakresie regulacji mocy biernej (rys.13b).
Budowa

Jak już wspomniano STATCOM może być budowany zarówno na podstawie falowników

napięcia (VSI) jak i falowników prądu (CSI). Z przyczyn konstrukcyjnych falowniki CSI są
jednak o wiele rzadziej stosowane i tylko w przypadkach bardzo dużych mocy. W przeważa-
jącej liczbie, zainstalowane dotychczas układy STATCOM i wszystkie D-STATCOM zostały
zbudowane z zastosowaniem falowników VSI.

a)

V

T

C

L

I

Lmax

I

Cmax

0

C

V

T

L

I

b)

V

T

STATCOM

I

Lmax

I

Cmax

0

C

V

T

L

I

2

1

0

δ

P

S

/P

max

π

SVC

1

4

3

2

P

D

P

G

π/2

2

1

0

δ

P

S

/P

max

π

STATCOM

1

4

3

2

P

D

P

G

π/2

Rys.12. Charakterystyki napięciowo-prądowe i zmiany przepustowości linii z zastosowaniem kompensatorów:

a) SVC; b) STATCOM.

Spośród przedstawionych na rys.14 podstawowych modułów 3-fazowych falowników

VSI, najczęściej stosowanym jest moduł typowy (rys.14a) i niekiedy moduł składający się z
mostkowych falowników 1-fazowych. Tylko w nielicznych przypadkach (np. w liniach 4
przewodowych nN), w tzw. układach mini-STATCOM wykorzystywane są inne moduły.

Typowy moduł VSI jest również chętnie stosowany w układach STATCOM śN i wN do

budowy falowników wielopoziomowych z transformatorem wielouzwojeniowym (rys.15a).
W ten sposób można łatwo dopasować napięcia falownika do poziomu napięcia linii, oraz
uzyskać się bardzo dobrą jakość napięcia wyjściowego V

C

przy małej częstotliwości pracy

łączników (IGBT, GTO, IGCT). Transformator może jednocześnie spełniać funkcję dławika
sprzęgającego L

F

. Ponadto istnieję pewna dowolność w połączeniu kondensatorów C

D

.

Oprócz pokazanego jednego rozwiązania wielopoziomowego falownika z transformato-

rem wielouzwojeniowym (rys.15a) znane są również

i

inne układy VSI z transformatorami, w

a)

V

T

STATCOM

C

I

Lmax

I

Cmax

0

C

V

T

L

I

b)

1

0

0,5

-0,5

0,8

0,4

0,6

0

0,2

STATCOM

STATCOM/FC

Q

L

Q

C

Str

at

y,

%

Rys.13. Układ hybrydowy kompensatora STATCOM z baterią kondensatorów (STATCOM/FC): a) charaktery-

styka prądowo napięciowa; b) typowe krzywe strat dla układów STATCOM i STATCOM/FC.

a)

F

A
Z
A

3

F

A
Z
A

1

C

D

F

A
Z
A

2

i

C1

i

C2

i

C3

b)

i

C1

i

C2

i

C3

C

D1

C

D2

F

A
Z
A

3

F

A
Z
A

1

F

A
Z
A

2

i

C0

0

c)

i

C3

FAZA 1

C

D1

FAZA 2

FAZA 3

i

C1

i

C2

d)

i

C1

i

C2

i

C3

i

C0

0

C

D

F

A
Z
A

3

F

A
Z
A

1

F

A
Z
A

2

Rys.14. Podstawowe moduły falowników napięcia (VSI) stosowane w układach STATCOM

a)

C

D

C

D

C

D

Szer. Rów.

C

D

i

C1

i

C2

i

C3

Tr

MODUŁ 1

MODUŁ 2

MODUŁ N

b)

M

O
D
U

Ł

1

C

D1

M

O
D
U

Ł

2

C

D2

F

A
Z
A

2

F

A
Z
A

3

M

O
D
U

Ł

N

C

DN

F

A
Z
A

1

F

A
Z
A

2

F

A
Z
A

3

i

C1

i

C2

i

C3

F

A
Z
A

1

F

A
Z
A

1

F

A
Z
A

2

F

A
Z
A

3

c)

i

C1

i

C2

i

C3

F

A
Z
A

1

C

D

C

D

C

D

C

D

C

D

F

A
Z
A

2

N.2

N.1

N.N

F

A
Z
A

3

N.2

N.1

N.N

N.2

N.1

N.N

d)

C

D

i

C1

i

C2

i

C3

FAZA 1

FAZA 2

FAZA 3

Rys.15. Topologie wielopoziomowych falowników napięcia (VSI) stosowane w układach STATCOM.

tym zasługujące na szczególną uwagę oryginalne rozwiązanie krajowe [2]. Od paru jednak już
lat, uwaga konstruktorów, w szczególności układów D-STATCOM, coraz częściej kieruje się
w stronę beztransformatorowych, wielopoziomowych falowników napięcia [1],[3],[4]. Ich
bezsporną zaletą jest brak strat w transformatorze oraz mniejsze gabaryty. Przykłady najczę-
ściej stosowanych rozwiązań takich falowników przedstawiono na rys15b,c,d [10]. Ich wła-
ściwości szczegółowo omawiają liczne, niecytowane publikacje specjalistyczne.

Do falowników wielopoziomowych zalicza się również oryginalny układ przedstawiony

na rys.16a. Układ ten, powstały przy współudziale autorów, został zastosowany w modelu la-
boratoryjnym mini-STATCOM’u. W celu zmniejszenia pulsacji napięcia w obwodach DC
mostków jednofazowych, ich kondensatory były sprzęgnięte z sobą przez dwukierunkowe
przetwornice DC/DC z wysokoczęstotliwościowym transformatorem separującym. Otrzyma-
ne, przykładowe przebiegi napięć wyjściowych i prądów kompensujących pokazano na
rys.16b. Szersze badania potwierdziły zakładane walory opracowanego mini-STATCOM’u.

a)

b)

Rys.16. Wielopoziomowy falownik VSI zastosowany w modelu laboratoryjnym układu mini-STATCOM:

a) schemat ideowy ; b) przebiegi napięć V

C

; i prądów kompensujących i

C

(2 fazy).

4. Wybrane zastosowania

Układy STATCOM powyżej 50 MVAr z przeznaczeniem do zwiększenia przepustowo-

ści linii w stanach nieustalonych i tłumienia oscylacji w systemie elektroenergetycznym jak
dotychczas zainstalowano w Japonii, USA i jednostkowo w Anglii. Poza pierwszą na świecie
instalacją (rys.2) zrealizowaną przez firmę Mitsubishi Electric’s, kompensatory STATCOM

dużej mocy zastosowano między innymi

w

stacji: Sul-

livan/USA/1995 (±100 MVAr/161 kV); na północy Anglii/
1996 (+225/-52 MVAr); Nadova/Japonia/2001 (±50 MVAr/
500kV);

Essex/USA/2001

(+120/-30

MVAr/115 kV); Tele-

ga/USA/2002

(±100 MVAr/138 kV); Glenbrook/USA/ 2003

(±50 MVAr/115 kV). W Anglii i w stacji Essex zastosowa-
no układy hybrydowe, przy czym w pierwszy z nich zreali-
zowano na podstawie falownika CSI. W pozostałych sta-
cjach zastosowano falowniki VSI.

W USA, Japonii oraz Kanadzie, Brazylii i Rosji ciągle

rozpatrywane są kolejne projekty ich budowy, co w dużym
stopniu wiąże się z występowaniem w tych krajach długich
linii przesyłowych. Funkcje STATCOM’u są także realizo-
wane przez przekształtniki na stacjach Tokio Electic’s Skin-
shinano (Japonia) i stacji Inez (USA).W pierwszym przy-
padku jest to funkcja dodatkowa terminalu prądu stałego, w
drugim układu UPFC.

Tą funkcję spełnia także rekonfigu-

rowany układ IPFC,

działający

w

USA od 2003

r.

Dopuszczalne

0,3

∆

U

/U

N

6

0,2

0,1

0

4,5

1,5

3

P

M

, MVA

STATCOM / FC

bez kompensatora

Rys.17. Względne wahania napięcia

podczas rozruchu silników klatko-

wych w funkcji ich mocy, w przy-

padku zastosowania i bez układu

STATCOM/FC (±2MVAr ).

V

C

i

C

Znacznie

częściej od układów STATCOM dużej mocy, są instalowane D-STATCOM’y.

Ich zastosowanie i płynące z tego korzyści są bardzo różnorodne i często związane z utrzy-
maniem wymaganej jakości zasilania i odbioru energii elektrycznej. Szczególnie dużo zasto-
sowań układów D-STATCOM wiąże się ze stabilizacją napięcia.

a)

b)

0,2

0,3

0,4

sekundy

z ukladem STATCOM

bez kompensatora

0,1

0,4

0,8

0

0,6

1

0,2

V

,

%

V

+

V

-

c)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

sekundy

bez kompensatora

z ukladem STATCOM

0,97

0,99

0,95

0,98

1

0,96

V

+

, %

Rys.18. Wpływ układu D-STATCOM na stabilizację napięć w systemie elektroenergetycznym: a) schemat sys-

temu; b) zmiany składowych zgodnych V

+

i przeciwnych V

-

napięcia w przypadku zwarcia 1-fazowego (zapad

napięcia - 50%); c) zmiany składowej V

+

napięcia przy wahaniach obciążenia z częstotliwością 5 Hz.

a)

Obszar wiejski

Obszar

zurbanizowany

Wartość

dopuszczalna

9

7

3

5

1

na dzień

na godzinę

na minutę

na sekundę

Wartości zmierzone

∆

U

, %

b)

Obszar wiejski

Obszar

zurbanizowany

Wartość

dopuszczalna

9

7

3

5

1

Wartości zmierzone

na dzień

na godzinę

na minutę

na sekundę

∆

U

, %

Rys.19. Przypadki flicker’a , zarejestrowane przez 24 godz. w linii 25 kV zasilającej zakład obróbki drewna:

a) przed załączeniem D-STATCOM’u; b) po załączeniu D-STATCOM’u zainstalowanego w pobliżu zakładów.

Rys.7 pokazuje wpływ zainstalowania hybrydowego układu D-STATCOM na wahania

napięcia podczas bezpośredniego rozruch silnika indukcyjnego. Działanie układu o mocy 2
MVAr z dodatkową baterią kondensatorów 2 MVAr eliminuje niedopuszczalne wahania na-
pięcia dla silników o mocy do 4,3 MVA. Efekt stabilizacji napięcia i związana z tym kom-
pensacja flickera w przypadku zainstalowania układu D-STATCOM są bardzo widoczne w
systemach elektroenergetycznych (rys.18) i na podstacjach zasilających odbiorniki niespokoj-
ne. Jako przykład można tu wskazać wyniki pomiarów flickera w linii zasilającej zakład ob-

róbki drewna, przed i po załączeniu układu D-STATCOM (rys.19). Korzystne rezultaty daje
również instalacja układu D-STATCOM w przypadku innego bardzo trudnego

odbiornika

niespokojnego – pieca łukowego (rys.20a). W omówionym w publikacji [8] przypadku,

po za-

łączeniu D-STATCOM’a, standaryzowany parametr

∆10 zmniejszył się 2-krotnie (rys.20b).

Ten rezultat osiągnięto stosując kompaktowy D-STATCOM z transformatorem wielouzwoje-
niowym [5], sterowanym na podstawie teorii p-q [10].

Parametr

∆10 Parametr ∆10

b)

№

pomiaru

Maks.

STATCOM

Wył.

STATCOM

Zał.

Poprawa

1 1,30 0,58

55,1

%

2 1,12 0,47

58,3

%

a)

V

T

STATCOM

STEROWNIK

Opcjonalna bateria

kondensatorów

Linia zasilająca

Piec

łukowy

3 1,09 0,42

61,7%

Rys.20. Zastosowanie kompaktowego układu D-STATCOM (rys.21) do pieca łukowego: a) uproszczony sche-

mat podłączeń; b) mierzone maksymalne wartości flicker’a przed i po załączeniu układu STATCOM.

a) b)

Transformator wielouzwojeniowy

V
2

W
1

U
1

U
2

W
2

V
2

U
3

W
3

V
3

U
4

W
4

V
4

Blok 3

Blok 1

Blok 2

Blok 4

U
1

U
2

U
3

U
4

V
2

V
3

V
4

V
2

W
1

W
2

W
3

W
4

Napięcie

wyjściowe

Prąd i napięcie

modułu VSI

3 x 22kV

R

egul

at

or

pr

ądu

ODBIÓR

Filtr

a-b-c

p-q

a-b-c

p-q

+

-

PW

M

i

C(a,b,c)

i

L(a,b,c)

i

Lp

i

Lq

_

i

C(a,b,c)

*

i

Lp

~

V

T

GT

O -

VS

I

i

Lq,

i

Lq

~

c)

d)

Rys.21. Kompaktowy 20MVA/22kV D-STATCOM (Mitsubishi Electric): a) uproszczony schemat układu;

b) konfiguracja obwodu sterowania c) konstrukcja falownika w bloku; d) wygląd zewnętrzny instalacji.

W zakończeniu należy zaznaczyć, że realizacja D-STATCOM’ów wymaga znacznie

mniejszych nakładów finansowych i ich okres zwrotu jest szybszy niż układów STATCOM w
systemach przesyłowych. Dlatego poza wielkimi koncernami (Siemens, Toschiba, Mitsubishi
Electric’s, Alstom) na ten rynek wchodzą coraz częściej mniejsze firmy. Również i Polsce ist-
nieją techniczne możliwości realizacji układów D-STATCOM przez firmy rodzime.

Literatura

[1] Ghosh A., Ledwich G: Power Quality Enhancement Using Custom Power Devices. Klu-

wer Academic Publishers, Boston, 2002.

[2] Hashad M., Iwaszkiewicz J.: A Novel Orthogonal Vectors Based Topology of Multi-

level Inverters. IEEE Transaction on Industrial Electronics, Special Issue on Multilevel
Inverters, 2002.

[3] Hingorani N. G., Gyugi L.: Understanding FACTS. Concepts and Technology of Flexi-

ble AC Transmission Systems. IEEE Press, New York, 2000

[4] Hochgraf C., Lasseter R.: A Transformer-less Static Synchronous Compensator Employ-

ing a Multi-level Inverter. IEEE Power Engineering Society, Summer Meeting 1996, 96
SM 452-3 PWRD.

[5] Iyodaj L, Hosokawa, Y., Kinoshita, H.: Development of Compact STATCOM (Active

Type Static Reactive Power Compensator). Mitsubishi Electric Corporation.

[6] Mori, S., et. al.: Development of a Large Static Var Generator Using Self-Commutated

Inverters for Improving Power System Stability. IEEE Transactions on Power Systems,
Vol. 8, No. 1, February, 1993.

[7] Reed G., et. al.: The VELCO STATCOM-Based Transmission System Project. Proceed-

ings of the 2001 IEEE PES Winter Power Meeting, Columbus, OH, January/February
2001.

[8] Schauder C.: STATCOM for Compensation of Large Electric Arc Furnace Installations:

Proceedings of the IEEE PES Summer Power Meeting, Edmonton, Alberta, July 1999,
pp. 1109-1112.

[9] Song Y.-H., Johns A. T.: Flexible AC Transmission Systems (FACTS). IEE - Power and

Energy Series 30, London, 1999.

[10] Strzelecki R., Supronowicz S.: Współczynnik mocy w systemach zasilania prądu prze-

miennego i metody jego poprawy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa, 2000.

[11] Strzelecki R., Sozański K.: Filtry aktywne w układach zasilających I napędowych. Mate-

riały Konferencji „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, Kozienice, s.17.1-
17.12, 2001.

[12] Strzelecki R.: Aktywne układy kondycjonowania energii – nowa moda czy jakość ?. w

Materiałach Konferencji „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, Kozienice,
s.1.14-9.14, 2002.

[13] Strzelecki R., Benysek G., Fedyczak Z., Bojarski J.: Interline power flow controller -

probabilistic approach. Proc. Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference -
PESC '02, Cairns, Australia, Vol.2, pp.1037-1042, 2002.

[14] Strzelecki R., Benysek G., Noculak A.: Wykorzystanie urządzeń energoelektronicznych

w systemie elektroenergetycznym. Przegląd Elektrotechniczny, Nr.2, s.41-49, 2003.

STATCOMS AND THEIR PART IN ELECTRIC POWER SYSTEM

Summary

Paper presents properties and possibilities of the STATCOM arrangements.

Limit possibilities for electric

energy flow enlargement through usage in transmission lines distributed compensators were considered. Some
aspects concerning work were talked over and most important topologies of the converters, in this multi-level
converters. Additionally possibilities of usage D-STATCOM arrangements with traditional compensators such
as VSC and FC/TCR in distributed networks were considered.

Key words: static compensators STATCOM, D-STATCOM, power electronics converters