DSTATCOM在電網中的應用

信 珂 周志勇 李 曠

（1.山東電力工程咨詢院，濟南 250013；2.榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051）

“十二五”期間，伴隨復雜電網負荷的迅猛增長，電力系統的安全可靠供電受到了極大的考驗。

充足的系統無功功率是電網電壓穩定的有效保障。目前電網中變電站多采用并聯電容器組進行無功補償，該方式主要存在以下問題：容量固定，按照季度電壓曲線調控時易出現系統無功不足的情況；電容器調節母線電壓階梯式變化，電壓波動較大，不能實現連續調節且響應慢；目前并聯電容器的自動投切主要通過VQC、綜自軟VQC、AVC并調節主變分接頭的方式實現，此點與變壓器重載運行的要求相悖，因而運行效果不理想。

為解決上述問題，需要利用DSTATCOM（Distributed Static Synchronous Compensator，配電網靜止同步補償裝置）自發動態感性、容性無功的特性，并通過其對系統中原有的并聯電容器組的自動投切控制，實現無功容量的柔性輸出，滿足系統電壓的精確控制。本文結合電網的應用實例，提出了一種DSTATCOM的綜合控制方法，解決DSTATCOM與投切電容器的配合使用問題，并詳細分析了項目投運后的經濟效益。

1 項目情況簡介

下面以電網一個220kV變電站供電情況舉例。3臺180MVA變壓器并列運行， 10kV母線原有4組并聯電容器組，單組補償容量均為8016kvar，但只能實現分級補償，不能根據母線實際需要補償容量進行準確動態補償。

通過對變電站供電情況的研究，考慮采用DSTATCOM 控制投切并聯電容器組的動態無功補償方案。

由于單組并聯電容器容量約為 8Mvar，因而設計 DSTATCOM 容量亦為 8Mvar。系統無功補償范圍是+8Mvar（感性）～-40Mvar（容性）。DSTATCOM與并聯電容器組的配合工作方式如表1所示。

表1 無功補償裝置配合工作方式

出于成本考慮，選擇小容量DSTATCOM（例如4Mvar）時，雖然同樣可以實現動態連續補償，但加并聯電容器組總無功補償容量只有36Mvar，如果有一組電容器出現故障時，可能會出現補償容量不足的情況；另一方面，采用4Mvar容量，電容器組的投切要比采用8Mvar方案更頻繁一些，對電容器組開關的要求更高，也不利于系統穩定。

此外，DSTATCOM 采用 8Mvar容量配置，雖然一次投資相對較多，但由于無功儲備量足，系統電壓應變能力更強，且有足夠的容量進行濾波。另一方面，由于電壓等級相同，每相功率單元串連數一樣，小容量 DSTATCOM 占地方面不具優勢。因此，綜合以上幾方面的考慮，最終確定DSTATCOM的容量為8Mvar。

2 DSTATCOM的綜合控制策略

DSTATCOM 控制策略的研究主要包含兩個方面：一是針對變電站電網的實際情況，研究DSTATCOM的電網控制策略；二是針對變電站電網的實際情況，確定 DSTATCOM 配合自動投切電容器組動作的聯合控制策略。

2.1 DSTATCOM的電網控制策略

由于該地區鋼鐵、冶煉型企業眾多，沖擊性負荷嚴重影響了 110kV側母線電壓的穩定，因此DSTATCOM接入的主要目標是穩定 110kV側的母線電壓。

1）主控制策略——電壓控制

在電壓控制模式下，DSTATCOM以維持裝置端口電壓為控制目標，同時在動態過程中提高系統暫穩極限、靜穩極限及增強系統阻尼。該方法主要通過電壓調節器實現控制功能。將端口電壓采樣值與參考值相比較，通過電流閉環控制，發出（吸收）系統所需的無功電流值。當系統電壓較高時，裝置輸出感性無功；當電壓較低時，輸出容性無功，維持系統電壓穩定。控制中使用逆系統PI控制方法，有效提高了裝置的響應速度。

2）輔助控制策略——無功儲備控制

為了提高系統的穩定性，在電壓在允許范圍時可以將 DSTATCOM一部分無功進行儲備。當系統發生擾動（或發生故障）導致系統電壓極低時，DSTATCOM 迅速釋放儲備的無功，以支撐系統電壓。由于無功儲備的過程時間幾十秒或數 min，所以它不會影響主控制，只是作為主控制的一個輔助控制。

2.2 DSTATCOM的聯合控制策略

1）總體控制策略描述

該地區電壓波動較為頻繁，且 DSTATCOM容量相對于110kV側短路容量較小，需配合站內4組電容器使用。因此，正常運行時，DSTATCOM以電壓控制為主，控制目標為110kV側母線電壓，無功儲備控制可退出。當系統出現擾動時，DSTATCOM迅速響應，快速穩定系統電壓。DSTATCOM的控制模式可分為平峰運行模式和高峰運行模式兩種。

（1）平峰運行模式

在平峰運行模式下，母線電壓的參考值設為110kV。初始運行時，DSTATCOM投入，電容器全部退出。定電壓、過電壓、低電壓、二次側過電壓、過流控制全部起動。

當 DSTATCOM檢測到輸出達到＋8Mvar時，母線電壓低于110kV，并持續超過1min，同時10kV母線電壓低于 10.9kV，則低電壓控制動作，DSTATCOM判斷4組并聯電容器開關的位置。如此時電容器支路開關均為斷開，則投入一組電容器，經過5min后，如電壓仍低于110kV，且10kV母線電壓低于10.9kV，則繼續投入一組電容器，依此類推，直到所有并聯電容器均投入運行為止。電容器組的投入順序為12%一組，12%一組，6%一組，6%一組。

反之，當檢測到DSTATCOM輸出達到－8Mvar時，同時母線電壓高于116kV，并持續超過1min，則高電壓控制動作，DSTATCOM判斷4組并聯電容器開關的位置。如此時有并聯電容器支路投入，則向該組電容器發出跳閘命令。如果發出第一組跳閘命令3min后，110kV母線電壓仍高于116kV，則發出第二組電容器跳閘命令，依此類推，直到所有并聯電容器均退出運行為止。電容器組的退出順序為6%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

同時，若發現10kV母線電壓高于10.9kV，二次側過電壓控制起動，所有電容器的投入命令均停止。則二次側過電壓控制的具體工作邏輯是，當母線電壓持續高于10.9kV時，而且此時DSTATCOM輸出已達最大感性電流，則控制器判斷各并聯電容器的斷路器開關狀態，如果此時有投入的并聯電容器，則向該組電容器發出跳閘命令。如果發出第一組跳閘命令后5min后，二次側電壓仍高于10.9kV，則發出第二組電容器跳閘命令，依此類推，直到所有并聯電容器均退出運行。電容器組的退出順序為6%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

（2）高峰運行模式

在高峰時，為了最大程度的保障負荷的安全穩定運行，同時降低電網運行損耗，母線電壓的設定值定為115kV。初始運行時，DSTATCOM投入，并聯電容器組全部退出運行。定電壓控制起動，過電壓控制起動，低電壓控制起動，二次側過電壓控制起動，DSTATCOM過流控制起動。

若檢測到DSTATCOM輸出達到＋8Mvar，同時母線電壓低于115kV，并持續超過1min，同時10kV母線電壓低于 10.9kV，則低電壓控制動作，DSTATCOM判斷4組并聯電容器開關的位置。若此時所有電容器支路開關均為斷開，則投入一組電容器，經過5min后，如電壓仍低于115kV，且10kV母線電壓低于10.9kV，則繼續投入一組電容器。依此類推，直到所有并聯電容器均投入運行為止。電容器組的投入順序為12%一組，12%一組，6%一組，6%一組。

反之，若檢測到 DSTATCOM 輸出達到－8Mvar，同時母線電壓高于115kV，并持續超過30s，則高電壓控制動作，DSTATCOM判斷4組并聯電容器開關的位置。如此時有并聯電容器支路投入，則向該組電容器發出跳閘命令。如果發出第一組跳閘命令后3min后，110kV母線電壓仍高于115kV，則發出第二組電容器跳閘命令。依此類推，直到所有并聯電容器均退出運行為止。電容器組的退出順序為6%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

同時，若發現10kV母線電壓高于10.9kV，二次側過電壓控制起動，所有電容器的投入命令均停止。二次側過電壓控制的具體工作邏輯是，當母線電壓持續高于10.9kV，而且此時DSTATCOM輸出已達最大感性電流，則控制器判斷各并聯電容器的斷路器開關狀態，若此時有投入的并聯電容器，則向該組電容器發出跳閘命令，如果發出第一組跳閘命令后 5min后，二次側電壓仍高于 10.9kV，則發出第二組電容器跳閘命令。依此類推，直到所有并聯電容器均退出運行為止。電容器組的退出順序為6%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

（3）運行模式切換

DSTATCOM 平峰運行模式和高峰運行模式的切換可以為自動切換也可為人工切換。

自動切換。根據從該變電站的運行數據，上午7點～9點和19點～21點為高峰運行，控制器在這兩個時段自動轉入高峰模式運行，其他時段轉入平峰模式運行。

人工切換。即運行人員可根據實際需要對DSTATCOM 控制器控制面板上的控制模式進行選擇。

2）并聯電容器組投切

正常運行時，即電容器組及對應開關均正常工作，電容器組的投切順序如下：

電容器組的投入順序為 12%一組，12%一組，6%一組，6%一組。即投入時，必須先投 12%的電容器組，再投 6%的電容器組。如果檢測到此時有且僅有一組 12%的電容器組在線，則再投時仍投12%的電容器組。如果檢測到兩組 12%的電容器組在線，則繼續投入時，投入6%電容器組。

電容器組的退出順序為6%一組，6%一組，12%一組，12%一組。即退出時，必須先退6%的電容器組，再退12%的電容器組。如果檢測到此時只有兩組12%的電容器組在線，則退出一組12%的電容器組。如果檢測到此時有且僅有一組12%的電容器組在線，則繼續退出時，退出該組12%電容器組。

在投入的過程中，如果斷路器返回的開關狀態與控制邏輯不符合，或電容器工作狀態異常，則控制器認為該支路出現故障，控制器發出報警信號，同時將該組電容器的控制從控制器的投入控制邏輯中移除。

在退出的過程中，如果斷路器返回的開關狀態與控制邏輯不符合，或電容器工作狀態異常，則控制器認為該支路出現故障，控制器發出報警信號，同時將該組電容器的控制從控制器的退出控制邏輯中移除。

電容器組在接到一個退出控制邏輯命令后，12h內不再向該電容器組發出投入命令。

3 經濟效益分析

根據《企業供配電系統節能監測方法》等國家規定，采用無功經濟當量來衡量無功補償裝置的節能效益。在系統中每投入 1kvar的無功功率，在發電廠的直配電路中節約有功功率為 0.02～0.04kW，在二級變壓供電時節約有功功率為 0.05～0.07kW，在三級變壓供電時節約有功功率為0.08～0.09kW。

靜態無功補償裝置基波總補償容量為 8Mvar，年平均工作容量按80%計算，按每月有效供電30 天計算，單位無功量節約有功功率取最小值0.05kW，則系統年節約有功功率為

靜態無功補償裝置自身的損耗為其工作容量的0.5%～0.8%，靜態無功補償裝置基波總補償容量為8 Mvar，年平均工作容量按80%計算，按每月有效供電30天計算，靜態無功補償裝置自身的損耗取最大值為0.8%，則靜態無功補償裝置年損耗有功功率為

電費按0.5元/kW·h計算，則本套靜態無功補償設備年節約電費為

根據以上的計算結果，最多兩年可回收本套設備的投資成本。

4 結論

DSTATCOM 作為改善電能質量的一項關鍵先進技術，在日本、美國、德國等發達國家已經得到高度重視和日益廣泛的應用，在國內冶金、煤礦、風電、光伏等行業也正在大批量的投入使用。該設備自身不受制于電網電壓的補償特性，更適合應用于電網的變電站中。本文提出了一種可配合無源補償裝置使用的DSTATCOM 綜合控制方法，并成功應用于電網某變電站無功補償裝置中。DSTATCOM 在電網變電站中的應用，可大大降低電網損耗，加快傳統變電站的智能化改造進程，對未來智能電網的建設具有重要意義。

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