新型配電變壓器一體化STATCOM技術(shù)研究

熊 卿 張 哲 尹項(xiàng)根 文明浩 劉 健 王存平

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074 2.華中科技大學(xué)電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074）

1 引言

我國配電網(wǎng)無功需求波動(dòng)大，網(wǎng)損嚴(yán)重，末端電能質(zhì)量不高[1,2]。因此，采用具有快速無級調(diào)節(jié)性能的靜止無功補(bǔ)償技術(shù)（Static Var Compensation,STATCOM）對配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、節(jié)點(diǎn)電壓支撐以及系統(tǒng)穩(wěn)定性改善等方面具有重要的作用[3,4]。

配電網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償可采用在高壓線路集中補(bǔ)償和在低壓用戶端分散補(bǔ)償兩種方式。其中，集中補(bǔ)償方式管理和維護(hù)方便，但連接電壓較高、功率單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受到電力電子器件和工程造價(jià)的限制[5,6]。而分散補(bǔ)償方式投資少，較好地實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷無功的就地平衡，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。但該方式由于安裝點(diǎn)分散、缺乏協(xié)調(diào)控制，因而整體的無功容量利用率低，不能綜合配電網(wǎng)整體情況來調(diào)節(jié)無功潮流[7,8]，而且受到功率器件大電流情況下散熱的制約，低壓側(cè)集中補(bǔ)償時(shí)容量不宜過大。此外，配電網(wǎng)中廣泛使用的配電變壓器，也是無功消耗的主要對象之一。但無功分散補(bǔ)償?shù)脑瓌t一般是保證不向電源側(cè)倒送無功，因此配電變的無功缺額仍需要由變電站來提供，造成大量無功沿線傳輸。目前，根據(jù)《箱式變電站技術(shù)條件》要求，在城市配電網(wǎng)廣泛使用的智能箱式變電站中常需要在低壓室并聯(lián)分組投切電容器進(jìn)行集中補(bǔ)償，其補(bǔ)償容量一般為變壓器容量的10%～30%。但由于補(bǔ)償電容無法動(dòng)態(tài)跟蹤變壓器與負(fù)荷的無功變化，且受制于安裝空間和環(huán)境溫度，補(bǔ)償電容的容量均不高，因此補(bǔ)償效果較差。

針對上述問題，本文認(rèn)為在配電網(wǎng)中，處于高低電壓等級之間的配電變壓器是較為理想、靈活和有效的無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分區(qū)、分層控制。因此通過將配電變壓器與電力電子靜止無功補(bǔ)償裝置相集成，提出了一種一體化結(jié)構(gòu)的配電變壓器-靜止無功補(bǔ)償（DT-STATCOM）的新方案。相對于在高壓線路集中補(bǔ)償?shù)姆桨福珼T-STATCOM方案有效降低了電力電子器件的耐壓要求，簡化了補(bǔ)償單元逆變橋的結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本，提高了可靠性；相對于低壓用戶側(cè)補(bǔ)償集中補(bǔ)償方式，DT-STATCOM又避免了采用大電流的電力電子器件，加快了器件的開關(guān)頻率，降低了裝置發(fā)熱損耗，提高了整體的運(yùn)行效率；同時(shí)，相對于用戶就地分散補(bǔ)償方式，DT-STATCOM方案具備一定的集中補(bǔ)償性能，可更充分地利用補(bǔ)償容量，且易于配電網(wǎng)的整體協(xié)調(diào)控制。本文介紹了DT-STATCOM系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成方式以及所采用的跨端口無功電流檢測方法，并通過仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償方案的可行性和準(zhǔn)確性。

2 配電變壓器一體化靜止無功補(bǔ)償技術(shù)原理

DT-STATCOM系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，配電變壓器通過高壓繞組的連接抽頭與靜止無功補(bǔ)償單元構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)。其中，配電變壓器在設(shè)計(jì)制造時(shí)僅需要在高壓側(cè)繞組設(shè)置普通連接抽頭，不存在技術(shù)難度，而且基本不增加任何成本；靜止無功補(bǔ)償單元?jiǎng)t經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后通過連接抽頭與系統(tǒng)并聯(lián)，通過變壓器繞組的電磁聯(lián)系實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償和電壓質(zhì)量控制。

圖1 DT-STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及無功補(bǔ)償原理圖Fig.1 The structure schematic of DT-STATCOM and the compensation diagram of integration transformer

通過這種一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對配電變壓器的負(fù)荷及變壓器自身無功功率的動(dòng)態(tài)集中補(bǔ)償，而且無功補(bǔ)償單元隨變壓器安裝而具備一定的分散性，從而實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵變壓器節(jié)點(diǎn)的無功補(bǔ)償和電壓支撐，達(dá)到配電網(wǎng)潮流分布的優(yōu)化控制；同時(shí)，通過配電變壓器高壓繞組的連接抽頭設(shè)計(jì)，可靈活、合理地選擇靜止補(bǔ)償單元的接入電壓，從而有利于在減少功率單元級聯(lián)數(shù)量，降低功率器件的電流水平和發(fā)熱損耗，提高功率器件的開關(guān)頻率等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化。此外，上述的一體化結(jié)構(gòu)可以通過充分利用配電變壓器富余容量傳遞補(bǔ)償功率，使裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊、成本下降、效率提高。

然而，通過變壓器連接抽頭向系統(tǒng)注入補(bǔ)償功率，改變了配電變壓器原有的功率分布，因此需要根據(jù)配電變壓器的容量和負(fù)載率水平控制靜止補(bǔ)償單元的輸出，在充分利用變壓器富余容量的同時(shí)保證繞組不出現(xiàn)過載。

為了表述方便，現(xiàn)以星形聯(lián)結(jié)變壓器抽頭為例，說明配電變壓器帶抽頭高壓繞組上的功率分布。繞組的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，設(shè)置連接抽頭后配電變形成了類似三繞組自耦變壓器的結(jié)構(gòu)，連接抽頭將高壓繞組分為“串聯(lián)繞組”和“公共繞組”兩個(gè)部分。依據(jù)自耦變壓器的功率傳變規(guī)律，公共繞組和串聯(lián)繞組的通過容量相等。因此，補(bǔ)償時(shí)只要公共繞組傳遞的功率不超過原繞組的額定容量，則可以保證變壓器不會(huì)過載。

設(shè)每相繞組的額定電流為IpN，則可得三相公共繞組的額定容量為

當(dāng)變壓器平均負(fù)載率為β，則在此運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器公共繞組傳遞的視在功率SQP為

由式（2）和式（3）可得公共繞組富余的視在功率SQS為

考慮極端情況，系統(tǒng)只向負(fù)載提供有功功率，補(bǔ)償單元?jiǎng)t利用全部富余容量傳輸無功功率，則此時(shí)DT-STATCOM所補(bǔ)償?shù)臒o功容量標(biāo)幺值為

隨β和k12的變化規(guī)律如圖2a所示。由圖2a可見，隨著變壓器負(fù)載率和自耦繞組電壓比設(shè)置不同，DT-STATCOM可以補(bǔ)償?shù)臒o功功率有著較大的變化范圍，補(bǔ)償容量標(biāo)幺值均在10%以上，滿足箱式變電站無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，上述分析均是假設(shè)不同負(fù)載率下變壓器所傳變的功率全為純有功功率。而實(shí)際上，變壓器傳輸?shù)墓β手幸舶罅康臒o功功率，當(dāng)這部分無功由DTSTATCOM系統(tǒng)補(bǔ)償之后，變壓器仍有較大的富余容量空間，因此DT-STATCOM實(shí)際允許提供的無功補(bǔ)償容量一般要優(yōu)于上述的分析結(jié)果。

圖2 DT-STATCOM補(bǔ)償容量與負(fù)載無功需求容量關(guān)系圖Fig.2 The relationship diagram of DT-STATCOM compensation capacity and load requirement

對于配電網(wǎng)中負(fù)載的無功補(bǔ)償而言，一般要求負(fù)載對電網(wǎng)的功率因數(shù)至少要達(dá)到0.9。設(shè)負(fù)載原功率因數(shù)為cosφ，則補(bǔ)償至0.9時(shí)所需的無功功率標(biāo)幺值為

因此，DT-STATCOM系統(tǒng)通過變壓器富余容量提供無功補(bǔ)償，完全可以滿足一般箱式變電站負(fù)載無功的需求。

3 DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)

實(shí)際中廣泛應(yīng)用的配電變壓器一般采用Dyn聯(lián)結(jié)形式，即高壓繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，該聯(lián)結(jié)形式由于不存在物理上的中性點(diǎn)，無法直接獲取任意的抽頭電壓。因此，DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)采用如圖3所示的設(shè)計(jì)方式。該一體化結(jié)構(gòu)是在三角形繞組的每個(gè)端點(diǎn)兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)連接抽頭，如圖3a中端點(diǎn)A兩側(cè)設(shè)置連接抽頭B1和C1，由A-B1-C1構(gòu)成三相連接抽頭接入靜止補(bǔ)償裝置。由于三角形聯(lián)結(jié)繞組具有三個(gè)端點(diǎn)，為了保證對稱運(yùn)行，需要引出3組（A-B1-C1、A2-B-C2、A3-B3-C）共9個(gè)抽頭，三組連接抽頭分別與三臺靜止無功補(bǔ)償單元連接。

圖3 Dyn高壓繞組多組抽頭一體化結(jié)構(gòu)及相量示意圖Fig.3 The multi-taps integration and phase diagram of Dyn vector group

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低了繞組抽頭電壓，而且使繞組抽頭的線電壓具有較大的選擇范圍，有效降低了對無功補(bǔ)償單元功率器件的耐壓要求，從而能夠根據(jù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的器件耐壓水平和所需補(bǔ)償無功容量靈活配置抽頭電壓。

多組抽頭結(jié)構(gòu)的電壓的相量如圖3b所示，以A-B1-C1抽頭為例，A-B1-C1三相線電壓平衡，靜止無功補(bǔ)償單元裝置采用三相三線制接線方式，取用抽頭線電壓為接入電壓。由相量圖可見，隨著連接抽頭設(shè)置的不同，B1點(diǎn)可以在相量AB上變動(dòng)，連接抽頭的電壓變化范圍理論上可達(dá)0～UAB。但實(shí)際上，當(dāng)抽頭位置變動(dòng)到繞組中部時(shí)，即抽頭電壓為UAB/2時(shí)，則只需要一組三相抽頭連接一個(gè)靜止無功補(bǔ)償單元。此時(shí)DT-STATCOM結(jié)構(gòu)形式更為簡單，但其連接抽頭線電壓在UAB/2以上。當(dāng)功率器件耐壓滿足要求時(shí)，可以考慮優(yōu)先采用。

4 DT-STATCOM跨端口指令電流檢測方法

在DT-STATCOM系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)中，其控制系統(tǒng)可以檢測包括變壓器高、低壓側(cè)以及連接抽頭側(cè)在內(nèi)的多側(cè)信息，這也使得補(bǔ)償功率注入點(diǎn)和測量點(diǎn)分別位于不同電壓位置，二者之間間隔了配電變壓器的高、低壓繞組。因此，測量點(diǎn)檢測所獲得的高、低電壓側(cè)的電壓和電流信息，與連接抽頭接入點(diǎn)的電壓和電流之間存在著相位和幅值的差別。檢測所獲得電氣量信息無法直接用于對靜止補(bǔ)償單元的反饋控制[10,11]。本文擴(kuò)展了基于瞬時(shí)功率理論的電流檢測方法，分別采用各自端口的電壓信息進(jìn)行同步坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)無功功率（電流）的跨端口檢測。該方法能夠應(yīng)用于各種檢測點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)位于不同電壓等級的情況。

跨端口指令電流檢測法的過程如圖4所示，該檢測方法中分別采集配電變壓器的負(fù)載側(cè)端口和連接抽頭側(cè)端口的電壓進(jìn)入鎖相環(huán)，如圖中兩個(gè)點(diǎn)畫線框所示，利用各端口角頻率和相位信息生成瞬時(shí)有功及無功電流的變換與反變換矩陣，從而實(shí)現(xiàn)無功電流由負(fù)載側(cè)端口到連接抽頭側(cè)端口的變換。

圖4 跨端口指令電流檢測法示意圖Fig.4 The reactive current detection across the transformer’s ports

圖4 中檢測方法所獲得的為基波電流瞬時(shí)值，斷開其中的有功電流ip通道，可獲得無功電流瞬時(shí)值，跟蹤該瞬時(shí)值電流即實(shí)現(xiàn)無功跟蹤補(bǔ)償。

圖4中B′

C為負(fù)載側(cè)B端口的坐標(biāo)變換矩陣，為抽頭側(cè)A端口的坐標(biāo)反變換矩陣。設(shè)負(fù)載側(cè)端口B的電壓初相位為φB，連接抽頭端口側(cè)的電壓初相位為φA。在變換過程中分別以上標(biāo)A和B區(qū)分不同端口的變量。則當(dāng)電網(wǎng)電壓無畸變時(shí)，兩相坐標(biāo)系下B側(cè)電流瞬時(shí)值為

煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量指的是對礦區(qū)的地形情況以及礦區(qū)地面的控制網(wǎng)進(jìn)行分析和測繪，測量煤礦施工過程中相關(guān)地形地質(zhì)狀況，獲取煤礦施工過程中礦區(qū)的地標(biāo)移動(dòng)和升降情況，保證煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量工作有效完成。以下是我國煤礦的主要分布圖。

計(jì)算該側(cè)有功電流和無功電流瞬時(shí)值過程如下：

式中，n=3k±1；為B側(cè)n次電流初相位。

經(jīng)過低通濾波器（LPF），得到上述瞬時(shí)電流直流分量，該直流量對應(yīng)基波電流分量。

根據(jù)連接抽頭端口A側(cè)的頻率和相位信息，反變換式（9）的直流分量，得到變換到連接抽頭側(cè)的負(fù)載基波電流分量為

式中，φA-φB為A、B兩側(cè)電流相量的夾角；為B側(cè)基波電流初相位。因此即為B側(cè)電流變換到A側(cè)后的基波電流相位。然而，在上述變換過程中，負(fù)載端口B側(cè)電流的幅值并沒有變化，因此需要增加一個(gè)比例環(huán)節(jié)，引入變壓器繞組間的電壓比k，易知

由上述過程可見，基于瞬時(shí)功率理論的跨端口電流檢測方法直接計(jì)算負(fù)載的有功及無功電流瞬時(shí)值，但是變換過程不能保證功率守恒，即沒有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流的幅值變換，需要額外增加一個(gè)比例環(huán)節(jié)，而且此比例環(huán)節(jié)需要根據(jù)兩端口之間的繞組電壓比關(guān)系調(diào)整。

上述檢測過程都是在電網(wǎng)電壓平衡無畸變的條件下討論的，在實(shí)際配電網(wǎng)中，三相電壓普遍存在著不平衡和畸變現(xiàn)象。因此，在上述的兩次同步坐標(biāo)變換和反變換過程之前，可以采用不對稱及畸變電壓條件下的改進(jìn)計(jì)算方法[12,13]，避免將不對稱及畸變影響引入到檢測過程中。

5 DT-STATCOM控制系統(tǒng)

DT-STATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5中變壓器狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)通過高低壓側(cè)信息檢測變壓器的負(fù)載率水平，并計(jì)算獲得此時(shí)的補(bǔ)償無功總量限值。同時(shí)，端口電壓支撐環(huán)節(jié)根據(jù)高壓側(cè)電壓水平計(jì)算支撐電壓所需要的無功補(bǔ)償量，在無功電流檢測環(huán)節(jié)中，補(bǔ)償無功調(diào)節(jié)模塊綜合負(fù)載無功需求和上述兩個(gè)補(bǔ)償量指標(biāo)，生成實(shí)際的補(bǔ)償量q′。結(jié)合直流電容電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)計(jì)算的有功功率p，獲得補(bǔ)償電流指令值iac,bc,cc，進(jìn)入跟蹤控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)PI跟蹤控制，然后由脈沖調(diào)制環(huán)節(jié)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)靜止補(bǔ)償模塊。

圖5 DT-STATCOM控制系統(tǒng)框圖Fig.5 The schematic diagram of DT-STATCOM control system

6 仿真及實(shí)驗(yàn)

6.1 仿真分析

為了驗(yàn)證上述DT-STATCOM系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了仿真模型，仿真條件為：系統(tǒng)電源10kV；輸電線路60km（電阻0.013Ωs/km，電感0.933mH/km，電容12.74nF/km）；配電變壓器電壓比10/0.4kV，容量1MVA；連接抽頭電壓2kV；濾波電感3.5mH；直流電容8 600μF；負(fù)載有功負(fù)荷650kW，無功負(fù)荷750kvar；電流跟蹤控制參數(shù)Kp_ac為0.02，KI_ac為0.02；直流電壓控制參數(shù)Kp_dc為0.02，KI_dc為0.02。

由圖6b可見，補(bǔ)償前變壓器功率因數(shù)為0.65左右，補(bǔ)償后將功率因數(shù)提高到接近于1。圖6a為單相電壓電流波形，補(bǔ)償之后變壓器高壓側(cè)電流的幅值降低、相位與電壓趨于一致。

圖6 DT-STATCOM無功補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of DT-STATCOM var compensation

圖7為無功負(fù)荷大幅波動(dòng)時(shí)DT-STATCOM系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)跟蹤情況。圖中實(shí)線為三組無功補(bǔ)償單元輸出的總無功功率，虛線為總有功功率，仿真模型在0.2s時(shí)刻由760kvar感性無功切換到容性無功。補(bǔ)償單元輸出無功約在一個(gè)周波時(shí)間內(nèi)迅速跟蹤負(fù)載無功功率的變化；有功功率基本保持不變。

圖7 無功負(fù)荷由感性切換到容性過程中DT-STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程Fig.7 The compensation response for a step change from inductive to capacitive load

圖8 為DT-STATCOM補(bǔ)償不對稱負(fù)載引起的三相不平衡情況。仿真模型在0.1s時(shí)投入DTSTATCOM，變壓器輸入端口的電流在兩周波之內(nèi)逐漸達(dá)到平衡。

圖8 DT-STATCOM補(bǔ)償三相不平衡電流波形Fig.8 The compensation response for three phase imbalance

6.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

基于上述研究，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以驗(yàn)證DTSTATCOM系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。樣機(jī)采用的試驗(yàn)變壓器容量50kVA，電壓比800/380V，抽頭電壓338V；靜止補(bǔ)償單元采用International Rectifier公司IRGP50B60PDPBF型IGBT。

通過樣機(jī)平臺，本文對DT-STATCOM的無功功率及不對稱補(bǔ)償進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖9為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)補(bǔ)償無功功率的實(shí)驗(yàn)波形。三相有功負(fù)荷為3.79kW，無功功率為9.34kvar。補(bǔ)償前，功率因數(shù)為0.376，電壓和電流波形如圖9a所示。投入DT-STATCOM之后，功率因數(shù)提高到0.98，電壓和電流波形相位基本一致，如圖9b所示。

圖9 DT-STATCOM無功補(bǔ)償電壓、電流和功率因數(shù)波形Fig.9 The waveforms of DT-STATCOM var compensation

圖10 為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)補(bǔ)償三相不平衡的波形。不平衡RCL負(fù)載分別為1.24kW、3.74kW、3.74kW，其三相電流不平衡度為27.59%，其波形如圖10a所示。投入DT-STATCOM之后，三相電流波形如圖10b所示，電源側(cè)三相電流不平衡度為1.44%，實(shí)現(xiàn)了三相不平衡的補(bǔ)償。

圖10 DT-STATCOM補(bǔ)償三相不平衡波形Fig.10 The waveforms of three phase imbalance compensation

7 結(jié)論

本文提出了一種基于配電變壓器一體化結(jié)構(gòu)的靜止無功補(bǔ)償技術(shù)（DT-STATCOM），通過在配電變壓器高壓側(cè)繞組設(shè)置連接抽頭，形成靜止無功補(bǔ)償裝置與配電變壓器的一體化結(jié)構(gòu)，充分利用變壓器的富余容量補(bǔ)償無功。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對配電變壓器自身及負(fù)荷無功消耗的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；擴(kuò)展了靜止補(bǔ)償單元接入電壓的選擇范圍；利用現(xiàn)有配電變壓器接入靜止補(bǔ)償單元，降低了裝置的體積和成本。根據(jù)DT-STATCOM的特殊結(jié)構(gòu)，本文提出了跨端口指令電流檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)檢測點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)分別位于不同電壓等級時(shí)的無功補(bǔ)償指令電流實(shí)時(shí)檢測。仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所述的DTSTATCOM系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)對配電變壓器節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和不平衡的抑制。

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