采用STATCOM抑制配網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變研究

袁 愿

（廈門(mén)紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門(mén)361001）

STATCOM作為新一代動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，基于IGBT等全控型電力電子器件構(gòu)建，在諧波抑制、響應(yīng)速度、補(bǔ)償能力方面更強(qiáng)，是性?xún)r(jià)比更優(yōu)的電壓波動(dòng)與閃變問(wèn)題的解決方案［1－7］。STATCOM 已開(kāi)始逐步在我國(guó)各區(qū)域電網(wǎng)得到推廣應(yīng)用［8］，本文分析了STATCOM的工作機(jī)理和電壓波動(dòng)與閃變抑制方案基本原理，介紹和分析了STATCOM在昆明電網(wǎng)110kV變電站的實(shí)際工程應(yīng)用效果。

1 基于STATCOM的電壓波動(dòng)與閃變抑制方案

1.1 STATCOM工作機(jī)理

STATCOM本質(zhì)上是一種基于全控型功率器件的逆變器，可將其等效為電壓幅值、相位和頻率均可調(diào)節(jié)的三相正弦交流電源［2］。根據(jù)直流側(cè)電壓和輸出電流特性的不同，STATCOM分為電流源型和電壓源型兩類(lèi)。由于轉(zhuǎn)換效率等原因，在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用中，以電壓源型STATCOM為主。STATCOM通過(guò)電抗器、耦合變壓器或升壓變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出電壓與系統(tǒng)電壓的頻率始終保持一致。通過(guò)調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓幅值大小來(lái)控制電抗器等中間連接器件的電壓和方向，實(shí)現(xiàn)快速、雙向、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。同時(shí)，采用不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略?xún)?yōu)化方案，可有效降低自身諧波含量，幾乎不向電網(wǎng)注入諧波［5，9］。作為電網(wǎng)的重要無(wú)功電源，STATCOM可用于改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、防止電壓崩潰、電能質(zhì)量治理、實(shí)現(xiàn)新能源系統(tǒng)接入等。

1.2 電壓波動(dòng)與閃變抑制方案分析

電壓波動(dòng)是最典型的電能質(zhì)量問(wèn)題之一，波動(dòng)性負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中頻繁、劇烈地從系統(tǒng)取用電能導(dǎo)致沖擊性無(wú)功功率變化是該問(wèn)題產(chǎn)生的根源，而負(fù)荷特性、大小、公共接入點(diǎn)處短路容量、系統(tǒng)內(nèi)可用的無(wú)功電源性質(zhì)等等決定了電壓波動(dòng)的嚴(yán)重程度，波動(dòng)幅值和變動(dòng)頻度則是其嚴(yán)重性的量化指標(biāo)。STATCOM優(yōu)良的無(wú)功功率跟隨特性和精確的補(bǔ)償輸出是抑制電壓波動(dòng)的關(guān)鍵，響應(yīng)速度、補(bǔ)償容量、暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間、過(guò)載能力是決定電壓波動(dòng)抑制效果的主要因素。根據(jù)國(guó)標(biāo)定義，閃變是反映電壓波動(dòng)引起的燈光閃爍對(duì)人視感產(chǎn)生影響的指標(biāo)，與電壓波動(dòng)頻率和幅度有關(guān)，治理閃變的關(guān)鍵仍在于電壓波動(dòng)抑制。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)論，對(duì)STATCOM的電壓波動(dòng)與閃變抑制過(guò)程簡(jiǎn)要分析。

圖1 為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型。將STATCOM等效為一可控電流源。其中，E為系統(tǒng)等值電壓，Z為系統(tǒng)等值阻抗，ψ為等值阻抗角，I為從系統(tǒng)流向公共連接點(diǎn)（PCC點(diǎn)）的電流；U為PCC點(diǎn)處母線(xiàn)電壓，IC為STATCOM注入的無(wú)功電流；ZL為 沖 擊 性 負(fù) 荷 等 值 阻 抗 ，φ為 負(fù) 荷 阻 抗 角 ，IL為沖擊性負(fù)荷電流；SSC為系統(tǒng)短路容量，負(fù)荷容量為SL，PCC點(diǎn)額定電壓UN，SC為STATCOM補(bǔ)償容量。

當(dāng)未投入STATCOM時(shí)，由沖擊性負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致的PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)

當(dāng)STATCOM接入后，電壓波動(dòng)變?yōu)?/p>

為較好地分析STATCOM對(duì)電壓波動(dòng)的改善效果，假定STATCOM對(duì)負(fù)荷的跟隨系數(shù)k，它表征STATCOM對(duì)負(fù)荷無(wú)功變化的快速響應(yīng)能力，設(shè)定SC＝k·SLsinφ，并設(shè)定由Q表示波動(dòng)抑制效果，則簡(jiǎn)化后有

由此可得到以下結(jié)論:電壓波動(dòng)與閃變程度由系統(tǒng)阻抗、短路容量、負(fù)荷大小及特性決定；抑制效果由STATCOM負(fù)荷跟隨特性、系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷特性決定，與短路容量、負(fù)荷大小等無(wú)直接關(guān)系，STATCOM的負(fù)荷響應(yīng)能力越強(qiáng)，效果越好。STATCOM的負(fù)荷跟隨系數(shù)為一綜合動(dòng)態(tài)參數(shù)，主要包括響應(yīng)速度、容量配置、暫態(tài)過(guò)渡時(shí)間、過(guò)載系數(shù)等，并與裝置無(wú)功－電壓特性、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、動(dòng)靜態(tài)補(bǔ)償容量配比等均有關(guān)。

2 STATCOM在昆明電網(wǎng)110 kV二街變電站的應(yīng)用

2.1 問(wèn)題現(xiàn)狀

昆明電網(wǎng)110kV二街變電站共計(jì)兩臺(tái)50 MVA三相三繞組有載調(diào)壓變壓器，三側(cè)電壓等級(jí)為110kV/35kV/10kV，其35kV側(cè)主要為工業(yè)負(fù)荷供電，10kV母線(xiàn)為居民生活和商業(yè)用電。35 kV側(cè)主供負(fù)荷為旭峰鋼廠(chǎng)、浩坤化工廠(chǎng)。上述企業(yè)含有大量的非線(xiàn)性、沖擊性負(fù)荷，如電弧爐、壓球機(jī)等，已導(dǎo)致該站35kV、10kV側(cè)均出現(xiàn)明顯的電壓波動(dòng)、閃變及諧波污染。同時(shí)，還伴隨著三相不平衡問(wèn)題。站內(nèi)已配備兩組額定容量4Mvar自動(dòng)投切式并聯(lián)電容器，均安裝于10kV母線(xiàn)側(cè)，難以做到分區(qū)就地平衡，由于該站設(shè)計(jì)較早，站內(nèi)可利用場(chǎng)地有限且工業(yè)負(fù)荷可能擴(kuò)產(chǎn)，綜合比較35kV母線(xiàn)加裝電容器和直接裝設(shè)STATCOM裝置兩種方案的投入產(chǎn)出效益，最終確定先期安裝1套STATCOM通過(guò)35kVⅡ段母線(xiàn)并聯(lián)接入系統(tǒng)，本期工程STATCOM額定容量4MVar，根據(jù)改善效果及負(fù)荷擴(kuò)建情況決定后期擴(kuò)容方案。

圖2為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研階段35kV兩段母線(xiàn)的電壓短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)閃變（Pst、Plt）一個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，可知Ⅱ段母線(xiàn)電壓波動(dòng)更為惡劣，均超出國(guó)標(biāo)限值。

2.2 STATCOM系統(tǒng)組成

35kVⅡ段母線(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題更加突出，安裝一定容量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置可更好驗(yàn)證其治理能力并為后期工程積累經(jīng)驗(yàn)。本套STATCOM裝置由逆變單元、升壓變壓器、主控制單元、人機(jī)操作系統(tǒng)組成，其逆變單元不同于常見(jiàn)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，采用低壓大電流輸出方式，由高功率密度IGBT模塊構(gòu)建，具有占地面積小、部署靈活、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，采用循環(huán)風(fēng)冷散熱，由多個(gè)小容量逆變器并聯(lián)組成，單個(gè)功率模塊故障不影響其他模塊正常工作，均具有獨(dú)立的均流措施，具有高達(dá)2.67倍額定容量的短時(shí)過(guò)載能力，確保能最大限度地改善系統(tǒng)的電壓條件，且諧波輸出滿(mǎn)足符合IEEE519標(biāo)準(zhǔn)；升壓變壓器為0.48/35kV油式變壓器，采用YNd5接線(xiàn)方式；主控制單元實(shí)時(shí)采集主變中壓側(cè)CT及35kV母線(xiàn)PT信號(hào)進(jìn)行快速運(yùn)算，以?xún)陕饭饫w方式與逆變單元實(shí)現(xiàn)高/低速數(shù)據(jù)的分組響應(yīng)和處理，具有對(duì)電容器/電抗器的投切控制接口，具備光纖Ethernet接口，可直接與SCADA系統(tǒng)連接，具有就地和遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警功能，可通過(guò)WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和故障處理，且集成了多種保護(hù)和報(bào)警功能，如過(guò)電流保護(hù)，過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)，電壓不平衡保護(hù)，頻率過(guò)高/過(guò)低保護(hù)和接地故障跳開(kāi)關(guān)保護(hù)等。圖3為現(xiàn)場(chǎng)安裝外觀與系統(tǒng)組成。

2.3 控制策略分析

本工程的主要控制目標(biāo)為35kV母線(xiàn)電壓。主控單元對(duì)實(shí)時(shí)采集的35kV母線(xiàn)正序電壓值進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波，在與電壓參考值比較計(jì)算后產(chǎn)生電壓誤差。誤差信號(hào)在完成PI調(diào)節(jié)后生成無(wú)功輸出指令電流，該電流值經(jīng)PWM脈沖電路產(chǎn)生IGBT門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，逆變器通過(guò)升壓變壓器向系統(tǒng)輸出無(wú)功［10］。功率單元開(kāi)關(guān)頻率為4kHz。圖4為STATCOM系統(tǒng)控制框圖。

圖4 STATCOM系統(tǒng)控制框圖

STATCOM采用的電壓控制策略包括電壓調(diào)節(jié)和暫態(tài)響應(yīng)兩種調(diào)節(jié)方式，電壓調(diào)節(jié)是在常規(guī)模式下調(diào)節(jié)所控制母線(xiàn)電壓，暫態(tài)響應(yīng)專(zhuān)用于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)低、高電壓沖擊事件，兩種模式均為有差控制。圖5為系統(tǒng)電壓－無(wú)功控制曲線(xiàn)。

圖5 STATCOM電壓－無(wú)功控制曲線(xiàn)

電壓調(diào)節(jié)模式表示在母線(xiàn)電壓允許的偏差范圍內(nèi)的無(wú)功－電壓線(xiàn)性調(diào)節(jié)，如粗線(xiàn)所示（對(duì)應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)區(qū)間為1.01～1.04p.u.與1.06～1.09p.u.之間）。將理想電壓目標(biāo)值作為參考值Vref，電壓調(diào)節(jié)死區(qū)為±δ。在死區(qū)范圍內(nèi)，STATCOM無(wú)輸出，防止其頻繁調(diào)節(jié)而影響穩(wěn)定性；當(dāng)電壓位于死區(qū)上限至偏差上限以?xún)?nèi)時(shí)，STATCOM從系統(tǒng)吸收無(wú)功，降低電壓；當(dāng)電壓處于死區(qū)下限至偏差下限范圍時(shí)，STATCOM向系統(tǒng)注入無(wú)功，抬高電壓。此處設(shè)定Vref為1.05p.u.，死區(qū)為±0.015p.u.，偏差下限Vsmin和下限Vsmax分別為1.01p.u.和1.09p.u.。暫態(tài)響應(yīng)模式反映了STATCOM對(duì)暫態(tài)電壓事件的快速響應(yīng)能力，見(jiàn)粗線(xiàn)連接的上方和下方曲線(xiàn)（對(duì)應(yīng)的電壓范圍包括小于0.98p.u.以及大于1.12p.u.的區(qū)間）。當(dāng)母線(xiàn)電壓瞬間跌落至?xí)簯B(tài)電壓下限Vfmin或超過(guò)暫態(tài)電壓上限Vfmax時(shí)，STATCOM過(guò)負(fù)荷輸出；當(dāng)電壓低至電壓控制下限值Vrmin或高至控制上限值Vrmax時(shí)，系統(tǒng)始終保持最大無(wú)功輸出。圖中粗線(xiàn)外曲線(xiàn)部分區(qū)間（對(duì)應(yīng)的電壓范圍為0.98～1.01p.u.與1.09～1.12p.u.之間），STATCOM保持額定容量輸出。

2.4 抑制效果驗(yàn)證

在STATCOM試運(yùn)行期間，采用便攜式電能質(zhì)量測(cè)試儀對(duì)主變2中壓側(cè)進(jìn)行了48h持續(xù)測(cè)試。前后兩天各測(cè)試STATCOM離線(xiàn)和在線(xiàn)狀態(tài)下的電能質(zhì)量狀況。在STATCOM 離線(xiàn)期間，A、B、C三相電壓短時(shí)間閃變最大值分別為3.0376、3.0155、3.2536，三相電壓短時(shí)閃變95%概率值均為0.115，均未超國(guó)標(biāo)限值1；三相電壓長(zhǎng)時(shí)間閃變最大值分別為1.3272，1.3183，1.4215，長(zhǎng)時(shí)閃變均取最大值為評(píng)估值，均超過(guò)限值0.8；在STATCOM投運(yùn)后，三相電壓短時(shí)間閃變最大值分別為1.7126、1.6988、1.7151，對(duì)應(yīng)的95%概率值為0.11，0.112，0.112，未超國(guó)標(biāo)限值1；三相電壓長(zhǎng)時(shí)間閃變最大值分別為0.7619、0.779、0.7617，未超過(guò)限值0.8。

圖6、7分別為投運(yùn)前后電壓閃變曲線(xiàn)對(duì)比圖。

圖6 主變2中壓側(cè)三相電壓短時(shí)閃變曲線(xiàn)

由上述數(shù)據(jù)可知，STATCOM可顯著改善電壓波動(dòng)及閃變水平。此外，在STATCOM投運(yùn)后，電壓諧波總畸變率、三相電壓不平衡度等指標(biāo)均較離線(xiàn)時(shí)有明顯降低。

圖7 主變2中壓側(cè)三相電壓長(zhǎng)時(shí)間閃變曲線(xiàn)

3 結(jié)論與展望

該套STATCOM裝置自投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，能夠迅速響應(yīng)沖擊負(fù)荷功率變化，向系統(tǒng)快速注入精確、雙向、動(dòng)態(tài)無(wú)功，有效改善了35kV系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平，并起到一定的電壓調(diào)節(jié)作用。運(yùn)行和測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了STATCOM優(yōu)良的電壓波動(dòng)與閃變抑制能力。隨著大功率器件、智能控制技術(shù)等的不斷發(fā)展，STATCOM將在電力系統(tǒng)多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 羅劍波，陳永華，劉 強(qiáng).大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)控制技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（22）:140-146.

［2］ 汪 滔，袁 愿.STATCOM變電站電能質(zhì)量改善方案［J］.云南電力技術(shù)，2012，40（03）:45-47.

［3］ 楊孝志.幾種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的分析和比較［J］.安徽電力，2006，23（02）:40-43.

［4］ 劉文華，梁 旭.采用 GTO逆變器的±20Mvar STATCOM［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000（23）:19-23.

［5］ 肖湘寧，韓民曉，徐永海，等.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［6］ 翁利民，張 莉.鋼鐵企業(yè)非線(xiàn)性負(fù)荷與無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2014，35（05）:7-12.

［7］ 劉錦寧，李 曠.高壓大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM起動(dòng)方式的研究［J］.電氣技術(shù)，2012（02）:29-31.

［8］ 林嘉揚(yáng)，王 軒.大容量靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.華東電力，2012，40（06）:925-928.

［9］ 劉方藍(lán).STATCOM 抑制電壓波動(dòng)和閃變的分析 ［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，30（02）:34-36.

［10］袁 愿，吳篤貴.STATCOM裝置在佛山電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.大功率變流技術(shù)，2011（04）:34-36.