STATCOM無功補償技術(shù)在10kV配電網(wǎng)中的應用分析

/廣西電網(wǎng)公司梧州供電局 蘇志全 伍小兵/

技術(shù)交流

STATCOM無功補償技術(shù)在10kV配電網(wǎng)中的應用分析

/廣西電網(wǎng)公司梧州供電局 蘇志全 伍小兵/

針對STATCOM的原理結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)瞬時無功功率理論分析了其無功電流檢測原理以及電壓的控制策略，它將三相對稱的交流量變?yōu)閮上嘀绷髁糠謩e進行控制，實現(xiàn)直流側(cè)電壓均衡控制，達到了無功補償?shù)哪康摹?0kV配電網(wǎng)負荷的變化幅度大，電壓質(zhì)量問題嚴重，將STATCOM無功補償技術(shù)應用到10kv配電網(wǎng)中，補償效果明顯，并指出了靜止同步補償器技術(shù)在未來城市配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

靜止同步補償器 無功補償 配電網(wǎng) 電壓調(diào)節(jié)

0 引言

在城市工業(yè)生產(chǎn)和日常生活用電負載中，自動化水平愈來愈完善，電力客戶對電能質(zhì)量的可靠性要求越來越高[1]。當前，電力系統(tǒng)的無功補償存在不足，無功負荷不僅增加了各種損耗，更嚴重影響了用戶的電能質(zhì)量。配電端負荷，特別是沖擊性、非線性負荷容量的急劇增加，造成系統(tǒng)的電壓波動和諧波畸變等一系列問題，與其相關(guān)的電氣設備正常運轉(zhuǎn)也會造成危害。系統(tǒng)中存在的無功電流，降低了供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，增大了功率損耗，增加了設備容量。因此，無功補償在電力系統(tǒng)中就顯得越來越重要[1-2]。

常用的無功補償措施有同步調(diào)相機，并聯(lián)電容器，并聯(lián)電抗器，靜止無功補償器（簡稱SVC）和靜止同步補償器（簡稱STATCOM）[2]。STATCOM是由逆變器構(gòu)成的靜止同步無功補償裝置，能夠發(fā)出無功功率或者吸收無功功率，其結(jié)構(gòu)簡單，輸出無功電流不會因為母線電壓的降低而降低。

1 STATCOM的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

STATCOM不僅可以用于輸電系統(tǒng)中，也可用于配電系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，具有響應速度快、諧波含量少、占地面積小、輸出特性更為理想等優(yōu)點[3]。不僅能吸收無功也能提供無功，使母線電壓維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，必要時還可濾除負荷產(chǎn)生的諧波。因此在提高電能質(zhì)量、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和無功補償方面，STATCOM具有無可比擬的優(yōu)越性。

STATCOM的主電路一般分為電流型和電壓型兩種橋式電路，直流側(cè)采用電感和電容兩個不同的儲能元件。系統(tǒng)主體電路結(jié)構(gòu)大致如圖1所示，無功補償裝置分為主電路和控制電路兩大部分，主電路包括電壓源逆變器，直流儲能電容和連接變壓器或電抗器部分組成[3]?？刂齐娐钒ㄟ^零點檢測電路，信號調(diào)理電路，保護電路等。

圖1 STATCOM總體電路結(jié)構(gòu)圖

圖2為STATCOM的單相等效電路圖，考慮理想的情況下時可以將電抗器視為純電感、即R=0，逆變器此時不必從電網(wǎng)吸收有功功率，與同相，這時只改變幅值的大小即可分析判斷出STATCOM從配網(wǎng)中吸收的電流是超前還是滯后90℃，同時該電流的大小也能得到控制。電壓的工作向量圖如圖3所示。在非理想情況下，控制STATCOM輸出端電壓，即可控制輸出無功電流的大小和方向，從而實現(xiàn)無功補償。

圖2 STATCOM單相等效電路圖

2 STATCOM的控制策略

2.1 瞬時無功功率理論

圖3 STATCOM向量圖

在電力系統(tǒng)中電壓或電流中必定含有諧波或含有不對稱分量時產(chǎn)生的功率，這一現(xiàn)象較為復雜，對于傳統(tǒng)功率理論難以正確求解。赤木泰文（Akagi）等提出將三相瞬時電流分解為有功電流和無功電流的算法，此算法由Fortes-cue、Park、Clarke變換進化而來，該算法將三相電路中的各相電壓和電流瞬時值ua(n)、ub(n)、uc(n)以及ia(n)、ib(n)、ic(n)變換到兩相正交的坐標系上研究，即：

α、β平面上的瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分解為瞬時空間電流矢量i在瞬時空間電壓矢量u及其法線的投影：

定義三相電路瞬時有功功率、瞬時無功功率：

瞬時無功功率理論認為：任一時刻三相電路瞬時有功功率為各相瞬有功功率之和，即各相瞬時功率之和，它反映了三相電路由電源向負載傳遞的一個整體功率；瞬時無功功率僅在三相電路之間來回傳遞，各相瞬時無功率之和恒等于零[4]。

2.2 無功電流檢測

無功檢測算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。采用三角形連接，采集電路采集到的三相負載電流ila、ilb和ilc折算成線電流ilab、ilbc、ilca能計算成指令電流。折算后電流做dq變換，對q軸低通濾波，即可得到。

圖4 無功電流檢測算法結(jié)構(gòu)框圖

其中，電流折算的變換公式為：

abc三相坐標到dq坐標的變換矩陣如下：

以上的算法只含基波正序分量，三相負載不對稱時，三相負載電流就失去平衡，此時采用對稱分量法分解三相不平衡電流，可得到：

因此為了維持三相負載的平衡，對負載電流中的零序分量與負序分量必須加以補償。

2.3 平穩(wěn)的電壓控制

在配電網(wǎng)中，負荷的千變?nèi)f化導致無功電流隨大隨小，而無功功率決定了兩個節(jié)點之間電壓的幅度差值，因此一旦無功電流過大，系統(tǒng)產(chǎn)生過大的電壓損耗便不能及時的補償無功，這樣在負荷處變會出現(xiàn)欠壓的現(xiàn)象。為了保證串聯(lián)多電平電能質(zhì)量控制器有良好的補償電流跟隨性能，須對逆變器側(cè)的電容電壓控制在一個適當穩(wěn)定的值。電壓的控制可以分為兩層，第一層控制總的有功電流，第二層控制直流側(cè)各電容電壓均衡控制[5-6]。

圖5 總的有功電流控制

直流側(cè)電容電壓均衡控制如圖6所示。其工作原理為：A相的第一個H橋單相單元模塊直流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓的平均值uave做為一個差值，此差再與有功電流的符合函數(shù)做一個乘值，比例積分調(diào)節(jié)器PI調(diào)整該值后，結(jié)果輸出值作為A相第一個H橋單相電路模塊電壓偏差指 令。照此類推可以求出A相其余H橋單元模塊電壓偏差指令， ，再將A相PWM信號調(diào)制波與A相第一個H橋單元模塊電壓偏差指令相乘，作為該模塊PWM調(diào)制波Va的微調(diào)指令，照此類推得出A相其余H橋單相電路模塊PWM調(diào)制波的微調(diào)指令，，… ，實現(xiàn)直流側(cè)電壓均衡控制。其余兩項與此類似。

圖6 直流側(cè)電容電壓均衡控制

3 STATCOM在10kV配電系統(tǒng)的應用

10kV電壓配電系統(tǒng)是直接與負荷端相連，特別是城市配電網(wǎng)負荷中電力電子設備等家用電器的大量使用，使得系統(tǒng)呈現(xiàn)感性，需要消耗大量的無功功率，配網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的無功傳送至負荷端，加大了輸電線路所傳輸?shù)碾娏?，進而也加大了有功損耗，電壓損失加重。因此對其進行無功補償是最為有效的途徑，提高了配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，避免有功損耗和減少電壓損失。

依據(jù)前文所敘的靜止同步補償器——STATCOM對無功電流的檢測與電壓控制的特點，分析出STATCOM應用于10kV的低電壓配電系統(tǒng)中的功能效果，其主要功能體現(xiàn)在以下方面：

（1）提高城市10kV配電網(wǎng)的可靠性與穩(wěn)定性。STATCOM是可控電流源?？梢造`活控制對用戶的電能輸送，只補償基波無功電流，與SVC等補償設備相比造成設備損壞小，具有更高的可靠性，對于系統(tǒng)而言，特別是電壓穩(wěn)定性穩(wěn)定性大大提高。

（2）提高供電企業(yè)經(jīng)濟效益。STATCOM能提高功率因數(shù)，減少配網(wǎng)電能輸送損耗。降低線損、節(jié)能降耗一直是供電企業(yè)中的關(guān)鍵考核指標，其有效地進行無功補償從而提高功率因數(shù)，在提高供電企業(yè)效益的同時降低了用戶的用電費用。

（3）提高電能質(zhì)量。STATCOM可跟隨負載變化，動態(tài)連續(xù)補償功率因數(shù)。動態(tài)連續(xù)平滑補償，更高的響應速度，使對電壓閃變的補償效果更好，可以發(fā)無功，也可吸收無功，徹底杜絕了無功倒送的情況。抑制三相不平衡、電壓波動、閃變等問題。

4 結(jié)束語

論述了電網(wǎng)無功補償?shù)闹匾?，分析介紹了靜止同步補償器STATCOM原理結(jié)構(gòu)及工作特點，依據(jù)瞬時無功功率理論分析了其無功電流檢測以及對電壓的控制策略。結(jié)合10kV配電網(wǎng)的電壓波動特點和無功補償形勢，分析得出了STATCOM無功補償技術(shù)在10kV配電網(wǎng)中的應用優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的無功補償設備相比，STATCOM具有響應速度更快、穩(wěn)定性更高、控制精度更準、經(jīng)濟性能更優(yōu)、調(diào)節(jié)范圍更廣的多重優(yōu)點。隨著城市建設步伐的加快、家用電子設備的廣泛使用，STATCOM的無功補償技術(shù)必將成為未來改善城市配電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要方式。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.

[2] 苑舜,韓水.配電網(wǎng)無功優(yōu)化及無功補償裝置[M].北京：中國電力出版社,2003.

[3] 沈斐,王婭嵐,劉文華,等.大容量STATCOM 主電路結(jié)構(gòu)的比較和分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(8).

[4] 涂春鳴,李慧,唐杰.基于直接電流控制的D-STATCOM 裝置研制[J].高電壓技術(shù),2008,34(6)：58-62.

[5] 朱永強,劉文華,宋強,等.D-STATCOM不平衡負荷補償電流的優(yōu)化設計[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(8)：65-69.

[6] 李建民,楊兆華,陳立定.低壓STATCOM直接電流控制方法的研究[J].佛山科學技術(shù)學院學報(自然科學版),2008,26(6)：23-26.