在双母线系统中使用STATCOM进行无功补偿，STATCOM的控制器基于PI控制器附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

双母线系统作为电力系统中重要的配电拓扑结构，广泛应用于变电站、工业厂区及大型电力用户侧。其核心优势在于通过两条独立母线实现供电冗余，当一条母线检修或故障时，负荷可快速切换至另一条母线，保障供电连续性与可靠性。然而，该系统在运行过程中，受负荷波动（如电机启停、电弧炉工作）、新能源并网（如光伏 / 风电出力波动）及电网电压扰动等影响，极易出现无功功率失衡问题，具体表现为母线电压偏移、功率因数降低、线路损耗增加，严重时甚至会引发电压崩溃或设备过载，威胁系统稳定运行。因此，高效的无功补偿装置是双母线系统安全经济运行的关键保障。

静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）作为柔性交流输电系统（FACTS）的核心设备，凭借响应速度快（毫秒级）、补偿范围广（可连续调节容性 / 感性无功）、占地面积小及运行损耗低等优势，成为双母线系统无功补偿的优选方案。而 PI（比例 - 积分）控制器因结构简单、鲁棒性强、工程实现难度低，被广泛用于 STATCOM 的控制核心，可精准实现无功功率跟踪与母线电压稳定控制。

一、双母线系统的无功补偿需求与 STATCOM 接入方式

双母线系统通常包含两条平行运行的母线（母线 I、母线 II），通过断路器、隔离开关与主变压器、出线回路及负荷连接（如图 1 示意）。其无功功率失衡主要源于以下场景：

负荷侧无功波动：如大型异步电机启动时需吸收大量感性无功，导致母线电压骤降；电焊机、变频器等非线性负荷会产生谐波与无功冲击，加剧电压畸变。

电网侧扰动：上级电网电压波动或故障时，双母线系统的无功交换平衡被打破，需快速补偿以维持母线电压在额定范围（通常为额定电压的 ±5%）。

母线切换过程：当负荷从一条母线切换至另一条时，会产生瞬时无功冲击，若补偿不及时可能导致切换失败或设备跳闸。

针对上述需求，STATCOM 的接入需兼顾 “集中补偿” 与 “分区调节” 特性，常见接入方式为：

母线并联接入：将 STATCOM 通过变压器或直接并联于两条母线的公共连接点（PCC），可同时为两条母线提供无功支撑，适用于系统整体无功缺额较大的场景。

分母线接入：在每条母线单独配置小型 STATCOM，或通过切换开关实现 STATCOM 在两条母线间的灵活投切，适用于两条母线负荷特性差异较大（如一条带工业负荷、一条带民用负荷）的场景。

与其他补偿装置协同：若系统已配置并联电容器组，可将 STATCOM 作为 “精细调节单元”，弥补电容器组 “阶梯式补偿” 的不足，实现 “粗调 + 细调” 的复合补偿模式。

二、基于 PI 控制器的 STATCOM 工作原理

STATCOM 的核心结构由电压源换流器（VSC，通常为三相两电平或三电平拓扑）、直流侧储能电容、连接变压器及控制器组成。其工作本质是通过控制器调节 VSC 的输出电压幅值与相位，使 STATCOM 向系统注入或吸收无功功率：当 STATCOM 输出电压幅值高于母线电压时，注入容性无功（补偿系统感性缺额）；当输出电压幅值低于母线电压时，吸收感性无功（补偿系统容性过剩）。

PI 控制器作为 STATCOM 的 “控制大脑”，主要实现无功功率闭环控制与母线电压闭环控制两大核心功能，具体控制逻辑如下：

1. 核心控制目标

STATCOM 的 PI 控制以 “维持母线电压稳定” 或 “跟踪设定无功功率” 为目标，两者可通过模式切换开关灵活选择：

电压控制模式：适用于双母线系统母线电压波动较大的场景，PI 控制器将母线实际电压（U_meas）与额定电压（U_ref）的偏差作为输入，通过调节输出控制信号，使母线电压稳定在额定值附近。

无功功率控制模式：适用于系统需按既定功率因数运行的场景（如要求功率因数≥0.95），PI 控制器将 STATCOM 实际输出无功功率（Q_meas）与设定无功功率（Q_ref）的偏差作为输入，实现无功功率的精准跟踪。

2. PI 控制器的设计与参数整定

STATCOM 的 PI 控制通常采用 “双环控制” 结构（如图 2 所示），即外环（电压 / 无功环）+ 内环（电流环），两层 PI 控制器协同工作，兼顾控制精度与响应速度：

（1）外环 PI 控制器（电压环 / 无功环）

输入信号：电压环输入为 “母线额定电压 - 实际电压” 的偏差（ΔU = U_ref - U_meas）；无功环输入为 “设定无功功率 - 实际无功功率” 的偏差（ΔQ = Q_ref - Q_meas）。

输出信号：作为内环电流环的参考信号，电压环输出为 “无功电流参考值（I_q_ref）”，无功环直接输出 “无功电流参考值（I_q_ref）”（有功电流参考值 I_d_ref 通常设为 0，以保证 STATCOM 仅交换无功功率）。

参数整定原则：比例系数（K_p）决定系统的响应速度，K_p 越大，响应越快，但过大易导致超调；积分系数（K_i）决定系统的稳态精度，K_i 越大，稳态偏差越小，但过大易导致振荡。工程中常用 “试凑法” 或 “Ziegler-Nichols 整定法”：先将 K_i 设为 0，增大 K_p 至系统临界振荡，再按临界 K_p 的 0.6 倍设定最终 K_p，按临界振荡周期的 0.5 倍设定 K_i。

（2）内环 PI 控制器（电流环）

输入信号：电流环输入为 “外环输出的无功电流参考值 - STATCOM 实际输出无功电流” 的偏差（ΔI_q = I_q_ref - I_q_meas），实际电流通过电流互感器（CT）采集并经滤波处理。

输出信号：生成 VSC 的调制信号（如 SPWM 脉冲信号），调节换流器的输出电压，进而控制无功电流的大小。

参数整定原则：电流环需具备 “快速跟踪” 特性，以抑制瞬时无功冲击。通常 K_p 取值略大于外环，K_i 取值小于外环，确保电流环响应速度快于外环（一般电流环带宽为外环的 5-10 倍），避免两层控制器相互干扰。

3. 双母线系统的 PI 控制逻辑优化

针对双母线系统的拓扑特性，需对 STATCOM 的 PI 控制逻辑进行针对性优化，主要体现在以下两点：

母线电压加权平均控制：若 STATCOM 并联于两条母线的 PCC，可将两条母线的电压（U1、U2）按负荷比例加权（如按母线 I、II 的负荷电流 I1、I2 加权，权重系数为 I1/(I1+I2)、I2/(I1+I2)），得到平均电压 U_avg 作为 PI 控制器的输入，避免单一母线电压波动导致 STATCOM 误动作。