STATCOM接入泰州電網(wǎng)仿真分析

葉 勇，陸 路，李 杰

(泰州供電公司，江蘇泰州225300)

目前,電力系統(tǒng)存在無功補(bǔ)償容量不足，大部分補(bǔ)償裝置難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的補(bǔ)償要求?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)中感性負(fù)載占很大比例，大量感性負(fù)載必須吸收無功功率才能正常工作，提供無功功率合理的方法應(yīng)該是在需要消耗無功功率的地方進(jìn)行補(bǔ)償[1]。針對(duì)泰州電網(wǎng)近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置落后的2個(gè)方面：（1）部分電容器補(bǔ)償投切裝置選用機(jī)械式交流斷路器，壽命短，響應(yīng)速度慢，投切過程會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊電壓和沖擊電流；（2）大多數(shù)補(bǔ)償器為有級(jí)調(diào)容，無功補(bǔ)償精度不高。

靜止無功發(fā)電器（STATCOM）提供了一個(gè)很好的解決方案,它是由變流器構(gòu)成的靜止無功調(diào)節(jié)裝置，可以發(fā)出和吸收無功功率。直流側(cè)的電容器維持了直流電壓，不需要大容量。STATCOM能提供穩(wěn)定的無功電流，在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高穩(wěn)定性方面有很大優(yōu)勢(shì)[2]。在輸電線路中，應(yīng)用STATCOM將能維持電壓水平，本文針對(duì)泰州220 kV電網(wǎng)部分進(jìn)行補(bǔ)償后的電壓分析；同時(shí)應(yīng)用STATCOM也可以減少網(wǎng)損，本文針對(duì)不同補(bǔ)償方案進(jìn)行了網(wǎng)損分析。

1 STATCOM的工作原理

1.1 STATCOM的特性

STATCOM又稱為靜止同步補(bǔ)償器,是在20世紀(jì)80年代以來出現(xiàn)的更為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償裝置，屬于FACTS的重要組成部分[3]。STATCOM基本原理如圖1所示。STATCOM是通過電壓源變流器（VSC）實(shí)現(xiàn)的可控?zé)o功電源，VSC的直流側(cè)是一組直流支撐電容，經(jīng)過PWM將直流電壓逆變?yōu)榻涣鬏敵鲭妷海瑫r(shí)可以控制交流輸出的電壓幅值和相位[4]。STATCOM的交流輸出經(jīng)過限流電抗器與系統(tǒng)連接，忽略其損耗后，可以將STATCOM與系統(tǒng)之間無功功率的交換理解為改變VSC的輸出電壓幅值Ui來控制。具體控制過程如表1所示。

圖1 STATCOM的基本原理

表1 STATCOM電壓控制

STATCOM的U-I特性如圖2所示，STATCOM可以在容性額定值到感性額定值范圍內(nèi)提供連續(xù)可調(diào)節(jié)的無功功率。從圖2中不難看出STATCOM在暫態(tài)過程中有短時(shí)過載的輸出能力。

圖2 STATCOM的U-I特性

1.2 STATCOM的控制

STATCOM在輸電系統(tǒng)中的主要控制目標(biāo)，一般有維持系統(tǒng)電壓、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼等，按控制物理量劃分，可以分為：（1）直接電流控制。直接電流控制是對(duì)電流瞬時(shí)值的跟蹤控制，參數(shù)設(shè)計(jì)比較困難，而且要求電路中電力電子開關(guān)器件的開關(guān)頻率高，這樣的控制法不適用于大功率STATCOM場(chǎng)合。（2）間接電流控制。間接電流控制分為單δ控制和逆變器導(dǎo)通角θ與δ配合控制，因?yàn)棣扰cδ配合控制法包含的系統(tǒng)參數(shù)有極大的不確定性，所以要求STATCOM控制器自適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)難度也較大。一般間接電流控制法采用單δ控制，并且應(yīng)用于大容量STATCOM，但針對(duì)大容量系統(tǒng)的開關(guān)頻率降低，輸出的電壓會(huì)有大量諧波產(chǎn)生，為減少諧波從而提高直流電壓的利用率，可采用多重化、多電平或PWM控制技術(shù)[5]。圖3為±20 Mvar STATCOM裝置控制器示意圖，主要實(shí)現(xiàn)的功能如表2所示。

圖3 STATCOM本地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 ±20 Mvar STATCOM裝置控制器主要功能

1.3 STATCOM的補(bǔ)償

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷電流含有無功分量，STATCOM投運(yùn)前，負(fù)荷電流的無功分量完全由系統(tǒng)承擔(dān)，當(dāng)STATCOM接入系統(tǒng)后，將產(chǎn)生容性無功電流補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供了無功支撐[7]。理論上STATCOM將完全抵消負(fù)荷無功電流，使系統(tǒng)功率因數(shù)等于1。目前工程應(yīng)用的大容量STATCOM基本采用的是電壓型變換器（VSI），其工作原理如圖4所示。

圖4 STATCOM系統(tǒng)等效單線圖及相量圖

從電網(wǎng)側(cè)可以直接將STATCOM等效為一個(gè)幅值和相位可以變化的電壓源。圖4中STATCOM的交流輸出經(jīng)過限流電抗器L連接系統(tǒng)，R為STATCOM的有功損耗等效電阻[6]。其中，UI為VSC交流輸出電壓的有效值，P和Q分別為STATCOM向系統(tǒng)輸出的有功和無功功率。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，STATCOM輸出電壓與接入母線電壓相位并不相同，存在一個(gè)相位差δ，其大小決定了STATCOM的工作狀態(tài)[7，8]（直流電壓大小、輸出功率大小及方向等）；STATCOM的電流相量并不嚴(yán)格垂直于接入母線的電壓相量，即STATCOM不僅是無功源，它還始終從系統(tǒng)吸收有功功率，將δ影響STATCOM的運(yùn)行特性總結(jié)如表3所示。

表3 δ對(duì)STATCOM的影響

2 STATCOM接入對(duì)泰州電網(wǎng)潮流的改善分析

2.1 泰州電網(wǎng)潮流分布分析

泰州地區(qū)近年來采用變電站投切電容器的方式進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，效果顯著，但是部分線路的無功功率傳輸仍相對(duì)較多，還有待進(jìn)一步優(yōu)化。現(xiàn)將泰州電網(wǎng)的220 kV網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)學(xué)模型，將各個(gè)變電站線路進(jìn)行編號(hào)，采用MATLAB軟件編程對(duì)整個(gè)220 kV電網(wǎng)潮流做STATCOM接入仿真計(jì)算分析。220 kV變電站參數(shù)及功率要求數(shù)據(jù)如表4所示（因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，只列出一部分變電站數(shù)據(jù)）。

從表4數(shù)據(jù)可得出唐子、顧莊、帥垛、同濟(jì)、洋橋、洋思、昭陽(yáng)、沈星、陸莊、黃橋、徐莊、馬華這些變電站需求的無功功率相對(duì)較多。若補(bǔ)償不夠，則會(huì)造成輸電網(wǎng)絡(luò)中的大量無功傳輸。為避免大量無功傳輸，結(jié)合泰州電網(wǎng)220 kV變電站現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)補(bǔ)償方案如表5所示。

表4 220 kV變電站參數(shù)及功率需求數(shù)據(jù)表（U標(biāo)=220 kV，S標(biāo)=100 MV·A） p.u.

表5 STATCOM裝置補(bǔ)償方案 Mvar

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

不通方式下線路總損耗統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 不同方式下線路總損耗統(tǒng)計(jì)表（S標(biāo)=100 MV·A）

由表6可以直觀得出按照方案1接入STATCOM補(bǔ)償無功后，輸電網(wǎng)功率總損耗值最低。

2.3 結(jié)果分析

比較不同補(bǔ)償方式下的電壓數(shù)據(jù)表、功率分布數(shù)據(jù)表以及功率總損耗可以初步得出按照做無功補(bǔ)償，補(bǔ)償效果最理想。由電壓、功率數(shù)據(jù)繪制未補(bǔ)償和接入STATCOM（按方案1）電壓、功率對(duì)比曲線，曲線如圖5、圖6所示。

圖5 電壓分布曲線（STATCOM方案1和未補(bǔ)償對(duì)比）

圖6 無功分布曲線（STATCOM方案1和未補(bǔ)償對(duì)比）

經(jīng)過分析可以直觀得出以下結(jié)論：（1）對(duì)輸電網(wǎng)合理的無功補(bǔ)償，可以有效地維持電壓水平，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（2）在輸電網(wǎng)合理接入STATCOM裝置后，可增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

FACTS技術(shù)是電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它為改善系統(tǒng)運(yùn)行特性提供了新的手段。本文通過對(duì)泰州220 kV電網(wǎng)中23個(gè)變電站做了STATCOM不同接入點(diǎn)的仿真，分析討論了不同無功補(bǔ)償方式下各節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)電壓、輸電線路潮流分布所受到的影響，并經(jīng)過對(duì)比提出工程應(yīng)用的可行性方案。為今后更有效地使用STATCOM，從以下2點(diǎn)深入研究：

（1）對(duì)于一個(gè)綜合電力系統(tǒng)來說，STATCOM裝置的安裝位置的選擇在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面起著重要的作用，各種STATCOM裝置同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)可能存在相互之間的動(dòng)態(tài)干擾問題，如何評(píng)估相互影響的程度及尋找有效途徑來解決問題等都是值得研究的。例如：多個(gè)STATCOM裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問題；STATCOM控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題；STATCOM裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護(hù)的銜接問題等等。

（2）本文所有的工作都假設(shè)系統(tǒng)是平衡的，實(shí)際中的電力系統(tǒng)因?yàn)殡娏麟妷憾己姓?、?fù)序和零序分量導(dǎo)致其不平衡。下一步可考慮在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不平衡條件下的STATCOM控制系統(tǒng)，研究其暫態(tài)穩(wěn)定狀況，對(duì)比不同故障之后STATCOM抑制系統(tǒng)振蕩的效果。隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，將提出各種新技術(shù)以及優(yōu)化控制策略，輸電線路的功率傳輸將更加優(yōu)化。

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