随着国民经济的快速发展,越来越多的冶炼炉、变频器、电气化机车等负荷并网运行。这些负荷具有很强的冲击性和间歇性,并体现出明显的非线性特征,导致电网的谐波、电压波动等问题日益突出,恶化了用电设备的运行环境,给社会经济造成巨大损失,并显现出逐年增大趋势。目前针对非线性负荷带来的无功及谐波问题,仍采取不同装置分别治理的方式,采用固定无功补偿器、SVC、 STATCOM等补偿技术进行基波无功补偿,采用无源滤波器、TSF、APF等滤波技术进行谐波治理。此方法存在成本高、占地面积大,装置间配合复杂等问题。为解决这些问题,近年来,随着高压大容量STATCOM技术的日趋成熟,使得STATCOM兼具谐波补偿功能,使其进行无功和谐波统一治理的技术,已具备工程实施条件。目前STATCOM进行谐波电流补偿时,由同一换流阀进行无功和谐波电流补偿(简称同体补偿)方式,一方面提高了换流阀直流电压水平,加大了装置体积和成本。另一方面,随着补偿谐波次数的提升,将会提高换流阀开关频率,增大运行损耗；在换流阀开关频率难以提升时,将会降低谐波补偿精度。APF进行基波无功电流补偿时,也采用同体补偿方式,换流器开关频率高,需输出全部谐波和基波无功电流,运行损耗大,不适用于高压大容量场合。基于上述原因,有必要开展低成本、高补偿精度、低损耗的无功和谐波电流补偿技术研究。本文针对上述问题,开展了兼具谐波补偿功能STATCOM的新型拓扑研究,并以此为基础,进行了10kV样机研制及实验验证等工作,取得了多项创新成果。提出了谐波电流分体补偿式STATCOM的新拓扑,具有成本低、补偿精度高、损耗低等突出特点。基于将APF高精度补偿谐波与STATCOM大容量补偿基波相结合的思路,提出将谐波补偿单元并联于基波补偿单元电抗器两端,谐、基波补偿单元的输出相并联的电路结构,通过适当策略,控制基波补偿单元仅输出基波无功补偿电流,谐波补偿单元仅输出谐波补偿电流,构成了一种谐波电流分体补偿式STATCOM新拓扑。通过剖析该拓扑电路结构,研究了其工作原理。在此基础上,建立了谐波电流分体补偿式STATCOM输出方程,获得了其输出谐、基波补偿电流与换流器输出电压的关系。与谐基同体补偿式STATCOM拓扑相比,该拓扑中基波补偿单元不输出谐波电流,降低了对换流阀直流电压水平和开关频率要求,减少了装置体积和损耗。此外,谐波补偿单元采用定制化的高频换流器,提高了谐波的补偿精度。以基波补偿额定参数10kV/2MVA STATCOM,补偿含有容量1MVA的6脉动整流负荷的25次以内谐波电流为例,对谐波电流分体补偿式和同体补偿式拓扑进行了计算分析,当同体补偿式采用提高直流电压水平的方式时,前者较后者换流器数量减少了15.4%,装置成本降低了23.4%,占地面积减少约20.2%。当同体补偿式采用降低补偿基波电流能力方式时,完全补偿上述负荷中任一单次谐波,最大将降低其基波补偿能力的一半。此外,就谐波补偿而言,以通常采用的12个换流器级联、开关频率为400Hz的10kV STATCOM为例,仅可精确补偿13以内谐波电流；若精确补偿25次以内谐波电流,其所有换流器的开关频率需提升1.8倍以上。研究获得了谐波电流分体补偿式STATCOM换流阀的损耗特性,与同体补偿式STATCOM相比,其额定工况损耗降低约12.6%。分析了STATCOM各运行参数的变化范围和相互关系,推导并建立了谐、基波电流流过换流阀时产生的损耗随运行参数变化的计算模型,分析获得了换流阀损耗随运行电流有效值变化的规律。以基波补偿额定参数10kV/2MVA STATCOM,补偿含有容量1MVA的6脉动整流负荷的25次谐波电流为例,仿真计算了谐波电流分体补偿式和同体补偿式STATCOM在几种典型电流工况下的损耗。结果表明：在进行额定电流及25次谐波电流补偿时,谐波电流分体补偿式较同体补偿式STATCOM换流阀损耗大约降低12.6%,且随着电流的减小,优势更加明显。提出了谐波电流分体补偿式STATCOM控制策略,实现了谐、基波补偿单元之间的协调控制。基于谐、基波补偿单元在电路上通过基波连接电抗器存在耦合关系,提出了基波连接电抗器端电压的快速检测方法,并将该电压用于谐波补偿单元输出电流的前馈控制,实现了谐、基补偿单元之间解耦的控制。通过建立基波补偿单元在旋转坐标系下输出方程,采用了dq解耦算法和电压前馈控制,设计了基波补偿单元的补偿控制策略,实现了基波无功的稳定控制。分析了几种典型谐波检测方法,采用了频域分析与时域重构的方法,设计了谐波电流的补偿控制策略,实现了谐波电流高精度补偿控制。揭示了STATCOM预充电过程直流电压不均衡分布的机理,提出了电容补偿均衡取能变压器励磁特性的方案,解决了直流电压漂移的突出难题。首先分析了取能电路的负荷特性,建立了预充电过程中换流阀等效电路,然后分析了交流取能电路与换流阀主电路的相互影响,揭示了预充电过程直流电压不平衡分布的机理,并提出了电容补偿均衡取能变压器励磁特性的取能电路方案。搭建了低压物理实验电路,进行了预充电实验测试。测试结果表明：未采取电容补偿措施前,换流器直流电压最大偏差304V,分布严重不均。采取电容补偿措施后,电压偏差仅为5V,验证了取能电路设计方案的有效性,解决了预充电过程直流电压漂移的突出难题。提出了谐波电流分体补偿式STATCOM谐、基波补偿单元的参数设计方案,计算确定了10kV/2MVA样机主要元件参数。由于谐、基波补偿单元的主电路参数通过基波连接电抗器存在相互耦合,本文提出了通过基波连接电抗器的电感值最小化为手段,来统筹优化设计的思路,从而降低了谐波补偿单元直流电压水平,并提高其运行的可靠性。从谐、基波补偿单元功能特点出发,确定了谐、基波补偿单元的各主要参数计算方法,满足了谐、基波补偿单元的功能要求。并确定了参数设计原则及设计流程,计算确定了10kV/2MVA样机的主要元件参数。研制出10kV/2MVA谐波电流分体补偿式STATCOM样机,实验验证了谐波电流分体补偿式拓扑的可行性。根据控制策略的需求及装置实际情况,利用分层控制的思想,构建了监控层、主控层、阀控层的三级控制体系,并根据具体功能划分和要求,进行了各层控制系统的研制,通过RTDS-物理控制器闭环实验,对控制系统的性能进行了验证。以研制出的10kV/2MVA谐波电流分体补偿式STATCOM样机为基础,设计并搭建了样机lOkV实验系统,对谐波电流分体补偿式STATCOM进行了相关实验测试。装置启动实验表明,预充电过程中换流器直流电压均在650V左右,各换流器直流电压偏差50V以内,且电压长时间稳定。无功与谐波补偿实验表明,装置无功补偿率97%以上,动态响应时间小于20ms,输出额定电流时谐波畸变率小于4%,达到常规STATCOM技术指标。