一種混合無功功率補償容量配置策略及其應用

高文根，江　明，李云飛（安徽工程大學安徽檢測技術與節(jié)能裝置省級實驗室，安徽蕪湖241000）

一種混合無功功率補償容量配置策略及其應用

高文根，江明，李云飛
（安徽工程大學安徽檢測技術與節(jié)能裝置省級實驗室，安徽蕪湖241000）

基于SVC和STATCOM的混合無功補償系統(tǒng)結合了SVC和STATCOM兩種技術的優(yōu)點，可有效消除補償成本和補償裝置類型之間的壁壘，但在實際應用中，由于補償容量配置不當，混合補償系統(tǒng)會出現(xiàn)裝機容量過度冗余、補償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下等問題。提出一種基于歷史狀態(tài)的選擇性配置策略，通過對歷史無功需求量的分析，在既定的分配規(guī)則基礎上，對補償額度進行合理分配，有效地提高了補償裝置的工作性能和供電質(zhì)量。

靜態(tài)無功補償器；靜止同步補償器；混合無功補償系統(tǒng)；歷史狀態(tài)；配置策略

靜止無功補償器（SVC）是通過控制晶閘管的導通時刻來控制流過電抗器的電流［1-2］，從而快速跟蹤負載無功的變化，并通過分相控制來補償三相不對稱，使用與其匹配的交流濾波裝置來吸收諧波。SVC具有技術成熟、控制靈活、損耗小、可靠性高、維護工作量小、運行費用低等優(yōu)點［3-4］，是目前國內(nèi)外應用最廣泛的靜止型無源快速動態(tài)無功補償裝置。但SVC采用半控器件晶閘管，其控制依賴上半個周期的測量數(shù)據(jù)，響應時間較慢，對閃變的改善率低，甚至有時會造成閃變加劇，不能進行連續(xù)無功調(diào)節(jié)，很難滿足電網(wǎng)無功補償?shù)男枨螅?-7］。靜止動態(tài)補償器（STATCOM）采用全控器件IGBT或IGCT，具有響應快、抑制閃變效果好等優(yōu)點［8］，能實現(xiàn)連續(xù)無功調(diào)節(jié)，解決因非線性負荷的快速無功電流變化所引起的電壓閃變及電壓驟降等電能質(zhì)量問題。但STATCOM受到開關器件頻率、容量、電壓等級的限制，價格昂貴、控制復雜、可靠性低，使其推廣受到制約［9］。

基于上述因素，在現(xiàn)有條件下，結合SVC和STATCOM兩種無功補償技術組成混合無功功率補償系統(tǒng)［10-11］，是平衡補償成本和補償裝置類型最優(yōu)的選擇。而現(xiàn)有混合補償系統(tǒng)存在裝機容量過度冗余、補償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下等問題。本文提出一種基于歷史狀態(tài)的選擇性補償容量配置策略，能夠有效地解決上述問題。

1　混合無功補償系統(tǒng)

1.1混合無功補償系統(tǒng)結構

混合無功功率補償系統(tǒng)由SVC和STATCOM以及控制器3部分組成［12］，如圖1所示?；旌蠠o功補償系統(tǒng)同時具備了SVC和STATCOM兩者的優(yōu)點，不僅有利于保證并網(wǎng)電壓水平，而且能夠有效解決一些應用問題，例如風電場的低電壓穿越等。

1.2補償容量的選取及分配原則

一般情況下，補償系統(tǒng)的補償容量取決于總體無功需求量以及線路變壓器無功需求量。本文對系統(tǒng)中的SVC容量部分，在分析歷史狀態(tài)的基礎上采用分級投切；對系統(tǒng)中的STATCOM容量部分，基于工作狀態(tài)、工作效率，采用選擇性配置策略，以提高系統(tǒng)整體性能。

圖1　混合補償系統(tǒng)結構

混合無功補償系統(tǒng)容量的分配主要是對SVC和STATCOM的容量分配以及對SVC各組容量的分配。在容量分配時遵循以下原則：①控制SVC和STATCOM的成本；②控制STATCOM補償裝置的工作狀態(tài)和工作組數(shù)量，即實現(xiàn)盡可能少的工作組在接近額定功率的狀態(tài)下工作；③滿足歷史狀態(tài)中的最大無功需求，且盡量避免過度補償。

基于上述規(guī)則，確定對SVC和STATCOM的容量配置與分級投切策略，并通過實際應用來研究本文提出的配置策略的有效性、可靠性。

2　補償容量配置策略

針對混合無功補償系統(tǒng)的特點，本文主要的研究對象是SVC和STATCOM混合無功補償系統(tǒng)的補償容量配置策略。以下介紹無功補償容量配置策略的具體方法。

1）獲取歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，分解無功補償?shù)撵o態(tài)容量與動態(tài)容量。在容量配置之前，針對無功補償實際工程應用對象，獲取該對象的無功補償需求的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。在獲取的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)中，依據(jù)應用對象需要的采樣周期記錄歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，如式（1）所示。

其中：Q表示無功需求量；Q1，Q2，…，QN表示周期采樣記錄的無功需求量。

對記錄的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，將其中的靜態(tài)無功補償需求記錄如下：

其中Qs1，Qs2，…，QsN表示各次記錄的無功需求量中的靜態(tài)無功需求量。同時，將記錄中出現(xiàn)的最大動態(tài)無功補償需求記錄如下：

為了使得混合無功補償系統(tǒng)能更好地適應不同應用對象，混合無功補償系統(tǒng)的總補償容量設計為

其中Q1是SVC補償裝置的單組補償容量。根據(jù)不同的應用對象、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、總體成本，以及冗余的SVC補償裝置組數(shù)來確定p的值。

2）SVC投切級別設計。針對SVC補償裝置，將SVC的補償容量設置為不同的投切級別，每個級別的單位容量均相同，記為Q1。SVC的投切級別設置如下：

其中J1，J2，…，Jn級別依次增大，且補償容量也相應增大。級別等級n隨應用對象而定。投切級別確定如下：

3）STATCOM容量選擇性配置方案。針對STATCOM補償裝置，要確定其工作組數(shù)和工作狀態(tài)。在步驟2）中完成對靜態(tài)無功的補償后，動態(tài)無功功率補償需求量如下：

假設STATCOM補償裝置的單組補償容量為Q2，則STATCOM補償裝置的組數(shù)和每組的工作狀態(tài)的配置策略為

STATCOM容量選擇性配置方案為

其中：ξ和η分別表示狀態(tài)系數(shù)和容量系數(shù)，都小于等于1；容量系數(shù)η指的是單組補償裝置實際補償容量與額定補償容量的比值。對于動態(tài)無功補償需求容量較低的情況，滿足L-［L］＜ξ，則STATCOM補償裝置工作組數(shù)為［L］+1，其中［L］組工作在額定狀態(tài)，1組工作在欠額定狀態(tài)，即工作在ξ倍額定補償容量之下；對于動態(tài)無功補償需求容量較高的情況，滿足L-［L］≥ξ，則STATCOM補償裝置工作組數(shù)為［QD/ηQ1］+1，其中［QD/ηQ1］工作在η倍額定容量的狀態(tài)下，1組工作在較高容量下，｛QD-［QD/ηQ1］·η｝＞ξ。

3　實驗

為了驗證本文提出的控制策略的有效性、可靠性，本文將提出的補償容量配置策略應用于某造船廠的混合無功功率補償系統(tǒng)，并將策略應用前后整個造船廠電網(wǎng)的功率因素和供電質(zhì)量進行對比。實驗結果如圖2～5所示。

圖2　采用傳統(tǒng)容量配置策略的供電質(zhì)量

圖3　采用本文容量配置策略的供電質(zhì)量

從圖2和3可見，本文提出的容量配置策略有效地實現(xiàn)了對混合無功補償系統(tǒng)中靜態(tài)無功容量和動態(tài)無功容量的分解和單組設備容量的配置，滿足了應用對象的無功補償需求，提升了應用對象的供電質(zhì)量。同時，在減少補償裝置機組數(shù)量的基礎上，電網(wǎng)的供電質(zhì)量并沒有發(fā)生下降，反而有所提高。如圖4和圖5所示，改善后的功率因素提高了0.07以上，達到0.999。

圖4　采用傳統(tǒng)容量配置策略的供電質(zhì)量參數(shù)

圖5　采用本文容量配置策略的供電質(zhì)量參數(shù)

在實驗過程中，根據(jù)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，減少了冗余的SVC和STATCOM的補償機組數(shù)量，降低了補償成本，改善了各機組的工作狀態(tài)。如表1所示，在采用了控制策略后，減少了3組補償機組，改善了每組機組的工作狀態(tài)，有效延長了機組的工作壽命。

表1　單組機組實際工作容量與額定容量比

4　結束語

針對現(xiàn)有混合無功補償系統(tǒng)中存在裝機容量冗余較大、補償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下的問題，提出了一種基于歷史狀態(tài)的選擇性容量配置策略。通過對歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析，對補償裝置的容量分配進行了有效配置。實際應用結果表明：本文提出的混合無功補償系統(tǒng)的容量配置策略能夠有效提高系統(tǒng)的無功補償性能，減小裝機容量冗余度，提升補償裝置的工作效率。

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（責任編輯楊黎麗）

Hybrid Reactive Power Com pensation Capacity Allocation Strategy and Its Application

GAOWen-gen，JIANG Ming，LIYun-fei
（Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Based on SVC and STATCOM and combined the advantages of two kinds of compensation technology，the hybrid reactive power compensation system could effectively eliminate barriers between compensation cost and compensation device types，however，in practical application，because of the improper allocation of compensation capacity，problems such as over redundancy of installed capacity，confused operating state of compensation devices，and low efficiency were caused.A selective allocation strategy was proposed in this paper based on the historical state，and through the analysis of the history of reactive power demand，we allocated rational compensation capacity based on the established distribution rules and effectively improved the quality of power supply aswell as performance of compensation device.

static var compensator；static synchronous compensator；hybrid reactive power compensation system；historical status；allocation strategy

TM712

A

1674-8425（2015）05-0099-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.018

2015-02-09

安徽省科技計劃項目（1206c0805006）；安徽省科技攻關項目（1301022045）；蕪湖市科技計劃重大項目（2014zd23）

高文根（1973—），男，安徽蕪湖人，博士研究生，主要從事智能微電網(wǎng)及電能質(zhì)量治理研究。

高文根，江明，李云飛.一種混合無功功率補償容量配置策略及其應用［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（5）：99-102.

format：GAOWen-gen，JIANG Ming，LIYun-fei.Hybrid Reactive Power Compensation Capacity Allocation Strategy and Its Application［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：99-102.