基于電力系統(tǒng)無功補償?shù)囊苿邮絊TATCOM系統(tǒng)研究

荊 輝

（國網(wǎng)技術學院，山東濟南250002）

0 引言

移動式STATCOM作為一種革新的、先進的動態(tài)無功補償技術，實現(xiàn)了對電網(wǎng)無功動態(tài)補償。其配套設備設計成模塊化結(jié)構(gòu)型式，運輸靈活，可根據(jù)電網(wǎng)不同區(qū)塊無功情況進行合理分配，有利于后期的合理再利用。以下主要對STATCOM的基本原理、電路接線結(jié)構(gòu)、參數(shù)設計以及控制技術進行研究。

1 STATCOM基本原理

對于電網(wǎng)而言，移動式STATCOM等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動式STATCOM等效電路

由上可知，STATCOM主要部件有：電壓源換流器和直流電容器，此外還需要一個耦合變壓器（或電抗器），實現(xiàn)與電網(wǎng)對接。

研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)工況下，STATCOM對電網(wǎng)無功補償?shù)哪芰θQ于電網(wǎng)端電壓與其本身的輸出電壓的相角，準確調(diào)整該相角，能夠有效提高無功補償功效。

2 移動式STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

移動式STATCOM主要有變壓器多重化結(jié)構(gòu)和鏈式結(jié)構(gòu)。雖然兩種型式外特性相同，不過工作原理還是有本質(zhì)區(qū)別。

多重化結(jié)構(gòu)以大功率的兩電平或三電平VSC為核心，是大多數(shù)輸電網(wǎng)STATCOM工程所采用的主電路結(jié)構(gòu)。以日本Kanzaki變電站±80 Mvar STATCOM工程為例，如圖2所示，低壓側(cè)每臺VSC輸出的方波電壓相差一定角度，經(jīng)過多重化變壓器的電磁耦合作用，在高壓側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓。變壓器多重化結(jié)構(gòu)有效增大了STATCOM的裝機容量，但這種結(jié)構(gòu)型式也存在著占地大、成本高、無冗余運行能力、磁非線性引起的過壓和過流等問題，從而限制了其應用。

圖2 基于三電平VSC和多重化變壓器的STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

圖3為移動式STATCOM的鏈式結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)型式以鏈式VSC為核心，相與相之間相互獨立，每一相都由若干聯(lián)結(jié)組別相同的單相橋式電壓源逆變器串接構(gòu)成，N個基本單元串聯(lián)可得到2N+1級的階梯電壓波形。第一臺基于鏈式拓撲結(jié)構(gòu)的±75 Mvar STATCOM設備由ALSTOM研發(fā)成功應用，并且實現(xiàn)了可移動化。工程案例的成功論證了該種拓撲結(jié)構(gòu)STATCOM的合理性和有效性，也展現(xiàn)了鏈式STATCOM的特殊優(yōu)勢。

圖3 基于鏈式VSC的移動式STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

3 移動式STATCOM主設備參數(shù)設計

3.1 連接電抗器

連接電抗主要作用有三方面：首先是進行能量傳遞，其次是有效抑制高次諧波，再次是可以限制穩(wěn)態(tài)負序電流。電抗參數(shù)可以在0.1～0.2 p.u.區(qū)間內(nèi)初選，若X=0.1 p.u.，轉(zhuǎn)換成有名值為3.674 9 Ω。

3.2 直流側(cè)電容

在兩個冗余鏈節(jié)退出的情況下，電網(wǎng)電壓1.3 p.u.時單個鏈節(jié)交流側(cè)視在功率達到最大1.15 MVA，若此時取直流電壓波動系數(shù)為5%，則Cd≥14.3 mF，初步選定Cd=16 mF。

4 移動式STATCOM控制技術

4.1 低電壓控制方案

移動式STATCOM應包含一種控制邏輯，低電壓情況比較惡劣時采用，比如短路故障，閉鎖無功電流指令。如果移動式STATCOM在低電壓水平持續(xù)工作，母線電壓調(diào)節(jié)器會導致產(chǎn)生大幅值容性無功電流，故障排除后易導致過電壓。

4.2 移動式STATCOM不對稱故障控制方案

移動式STATCOM能否在電網(wǎng)故障期間承受故障沖擊而不退出，并在故障切除后快速提供動態(tài)電壓支撐，是衡量移動式STATCOM性能的重要指標。

不對稱短路時，移動式STATCOM的受端電壓參數(shù)波動較大，若換流鏈出口側(cè)不能快速跟蹤這種變化，則有可能因過流而退出，故障切除后移動式STATCOM將不能發(fā)揮應有的作用。不對稱故障情況下，存在兩種可能的控制模式：一種做法是忽略負序，只輸出正序電壓；另一種是抵消負序。

針對上述兩種控制模式存在的問題，提出了正、負序分離最優(yōu)控制模式。在電網(wǎng)電壓不平衡度小于20%時，換流鏈平均直流電壓基本能夠維持平衡，整個過程沒有出現(xiàn)嚴重過流。在電網(wǎng)電壓不平衡度大于30%時，該方法的控制效果不理想，裝置在達到穩(wěn)態(tài)之前的很長一段時間都處于過流狀態(tài)，主要是由于負序電壓剛出現(xiàn)時，正、負序兩種分量互相耦合，造成換流鏈平均直流電壓劇烈變化，需要較長時間消除。因此，正、負序電壓分離最優(yōu)控制模式不適用于鏈式結(jié)構(gòu)的STATCOM。

5 結(jié)語

當前對電網(wǎng)質(zhì)量水平要求越來越高，動態(tài)無功補償能實時追蹤電網(wǎng)無功現(xiàn)狀并進行合理補給，有利于電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運營和發(fā)展，而且對受端用戶設備也起到了保護作用，延長了使用壽命，節(jié)約了資源。移動式STATCOM裝置在變電站的靈活使用、高效響應，能夠提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，保障電網(wǎng)的良好運營，抑制電壓閃變，補償不平衡電流，濾除高次諧波分量及提升電網(wǎng)功率因數(shù)。本文通過研究STATCOM的基本原理、電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)設計以及控制技術，為后續(xù)裝置設計及應用提供了技術支撐。