新型配電變壓器一體化STATCOM技術(shù)研究

熊 卿 張 哲 尹項根 文明浩 劉 健 王存平

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室 武漢 430074 2.華中科技大學電力安全與高效湖北省重點實驗室 武漢 430074）

1 引言

我國配電網(wǎng)無功需求波動大，網(wǎng)損嚴重，末端電能質(zhì)量不高[1,2]。因此，采用具有快速無級調(diào)節(jié)性能的靜止無功補償技術(shù)（Static Var Compensation,STATCOM）對配電網(wǎng)的動態(tài)無功補償、節(jié)點電壓支撐以及系統(tǒng)穩(wěn)定性改善等方面具有重要的作用[3,4]。

配電網(wǎng)靜止無功補償可采用在高壓線路集中補償和在低壓用戶端分散補償兩種方式。其中，集中補償方式管理和維護方便，但連接電壓較高、功率單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)復雜，易受到電力電子器件和工程造價的限制[5,6]。而分散補償方式投資少，較好地實現(xiàn)了負荷無功的就地平衡，是當前研究的熱點之一。但該方式由于安裝點分散、缺乏協(xié)調(diào)控制，因而整體的無功容量利用率低，不能綜合配電網(wǎng)整體情況來調(diào)節(jié)無功潮流[7,8]，而且受到功率器件大電流情況下散熱的制約，低壓側(cè)集中補償時容量不宜過大。此外，配電網(wǎng)中廣泛使用的配電變壓器，也是無功消耗的主要對象之一。但無功分散補償?shù)脑瓌t一般是保證不向電源側(cè)倒送無功，因此配電變的無功缺額仍需要由變電站來提供，造成大量無功沿線傳輸。目前，根據(jù)《箱式變電站技術(shù)條件》要求，在城市配電網(wǎng)廣泛使用的智能箱式變電站中常需要在低壓室并聯(lián)分組投切電容器進行集中補償，其補償容量一般為變壓器容量的10%～30%。但由于補償電容無法動態(tài)跟蹤變壓器與負荷的無功變化，且受制于安裝空間和環(huán)境溫度，補償電容的容量均不高，因此補償效果較差。

針對上述問題，本文認為在配電網(wǎng)中，處于高低電壓等級之間的配電變壓器是較為理想、靈活和有效的無功補償節(jié)點，且易于實現(xiàn)電能質(zhì)量分區(qū)、分層控制。因此通過將配電變壓器與電力電子靜止無功補償裝置相集成，提出了一種一體化結(jié)構(gòu)的配電變壓器-靜止無功補償（DT-STATCOM）的新方案。相對于在高壓線路集中補償?shù)姆桨福珼T-STATCOM方案有效降低了電力電子器件的耐壓要求，簡化了補償單元逆變橋的結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本，提高了可靠性；相對于低壓用戶側(cè)補償集中補償方式，DT-STATCOM又避免了采用大電流的電力電子器件，加快了器件的開關(guān)頻率，降低了裝置發(fā)熱損耗，提高了整體的運行效率；同時，相對于用戶就地分散補償方式，DT-STATCOM方案具備一定的集中補償性能，可更充分地利用補償容量，且易于配電網(wǎng)的整體協(xié)調(diào)控制。本文介紹了DT-STATCOM系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成方式以及所采用的跨端口無功電流檢測方法，并通過仿真和樣機實驗驗證了該補償方案的可行性和準確性。

2 配電變壓器一體化靜止無功補償技術(shù)原理

DT-STATCOM系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，配電變壓器通過高壓繞組的連接抽頭與靜止無功補償單元構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)。其中，配電變壓器在設(shè)計制造時僅需要在高壓側(cè)繞組設(shè)置普通連接抽頭，不存在技術(shù)難度，而且基本不增加任何成本；靜止無功補償單元則經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后通過連接抽頭與系統(tǒng)并聯(lián)，通過變壓器繞組的電磁聯(lián)系實現(xiàn)無功功率補償和電壓質(zhì)量控制。

圖1 DT-STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及無功補償原理圖Fig.1 The structure schematic of DT-STATCOM and the compensation diagram of integration transformer

通過這種一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對配電變壓器的負荷及變壓器自身無功功率的動態(tài)集中補償，而且無功補償單元隨變壓器安裝而具備一定的分散性，從而實現(xiàn)對關(guān)鍵變壓器節(jié)點的無功補償和電壓支撐，達到配電網(wǎng)潮流分布的優(yōu)化控制；同時，通過配電變壓器高壓繞組的連接抽頭設(shè)計，可靈活、合理地選擇靜止補償單元的接入電壓，從而有利于在減少功率單元級聯(lián)數(shù)量，降低功率器件的電流水平和發(fā)熱損耗，提高功率器件的開關(guān)頻率等方面實現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟指標的優(yōu)化。此外，上述的一體化結(jié)構(gòu)可以通過充分利用配電變壓器富余容量傳遞補償功率，使裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊、成本下降、效率提高。

然而，通過變壓器連接抽頭向系統(tǒng)注入補償功率，改變了配電變壓器原有的功率分布，因此需要根據(jù)配電變壓器的容量和負載率水平控制靜止補償單元的輸出，在充分利用變壓器富余容量的同時保證繞組不出現(xiàn)過載。

為了表述方便，現(xiàn)以星形聯(lián)結(jié)變壓器抽頭為例，說明配電變壓器帶抽頭高壓繞組上的功率分布。繞組的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，設(shè)置連接抽頭后配電變形成了類似三繞組自耦變壓器的結(jié)構(gòu)，連接抽頭將高壓繞組分為“串聯(lián)繞組”和“公共繞組”兩個部分。依據(jù)自耦變壓器的功率傳變規(guī)律，公共繞組和串聯(lián)繞組的通過容量相等。因此，補償時只要公共繞組傳遞的功率不超過原繞組的額定容量，則可以保證變壓器不會過載。

設(shè)每相繞組的額定電流為IpN，則可得三相公共繞組的額定容量為

當變壓器平均負載率為β，則在此運行狀態(tài)下，變壓器公共繞組傳遞的視在功率SQP為

由式（2）和式（3）可得公共繞組富余的視在功率SQS為

考慮極端情況，系統(tǒng)只向負載提供有功功率，補償單元則利用全部富余容量傳輸無功功率，則此時DT-STATCOM所補償?shù)臒o功容量標幺值為

隨β和k12的變化規(guī)律如圖2a所示。由圖2a可見，隨著變壓器負載率和自耦繞組電壓比設(shè)置不同，DT-STATCOM可以補償?shù)臒o功功率有著較大的變化范圍，補償容量標幺值均在10%以上，滿足箱式變電站無功補償?shù)募夹g(shù)標準。需要指出的是，上述分析均是假設(shè)不同負載率下變壓器所傳變的功率全為純有功功率。而實際上，變壓器傳輸?shù)墓β手幸舶罅康臒o功功率，當這部分無功由DTSTATCOM系統(tǒng)補償之后，變壓器仍有較大的富余容量空間，因此DT-STATCOM實際允許提供的無功補償容量一般要優(yōu)于上述的分析結(jié)果。

圖2 DT-STATCOM補償容量與負載無功需求容量關(guān)系圖Fig.2 The relationship diagram of DT-STATCOM compensation capacity and load requirement

對于配電網(wǎng)中負載的無功補償而言，一般要求負載對電網(wǎng)的功率因數(shù)至少要達到0.9。設(shè)負載原功率因數(shù)為cosφ，則補償至0.9時所需的無功功率標幺值為

因此，DT-STATCOM系統(tǒng)通過變壓器富余容量提供無功補償，完全可以滿足一般箱式變電站負載無功的需求。

3 DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)

實際中廣泛應(yīng)用的配電變壓器一般采用Dyn聯(lián)結(jié)形式，即高壓繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，該聯(lián)結(jié)形式由于不存在物理上的中性點，無法直接獲取任意的抽頭電壓。因此，DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)采用如圖3所示的設(shè)計方式。該一體化結(jié)構(gòu)是在三角形繞組的每個端點兩側(cè)各設(shè)置一個連接抽頭，如圖3a中端點A兩側(cè)設(shè)置連接抽頭B1和C1，由A-B1-C1構(gòu)成三相連接抽頭接入靜止補償裝置。由于三角形聯(lián)結(jié)繞組具有三個端點，為了保證對稱運行，需要引出3組（A-B1-C1、A2-B-C2、A3-B3-C）共9個抽頭，三組連接抽頭分別與三臺靜止無功補償單元連接。

圖3 Dyn高壓繞組多組抽頭一體化結(jié)構(gòu)及相量示意圖Fig.3 The multi-taps integration and phase diagram of Dyn vector group

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計有效降低了繞組抽頭電壓，而且使繞組抽頭的線電壓具有較大的選擇范圍，有效降低了對無功補償單元功率器件的耐壓要求，從而能夠根據(jù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的器件耐壓水平和所需補償無功容量靈活配置抽頭電壓。

多組抽頭結(jié)構(gòu)的電壓的相量如圖3b所示，以A-B1-C1抽頭為例，A-B1-C1三相線電壓平衡，靜止無功補償單元裝置采用三相三線制接線方式，取用抽頭線電壓為接入電壓。由相量圖可見，隨著連接抽頭設(shè)置的不同，B1點可以在相量AB上變動，連接抽頭的電壓變化范圍理論上可達0～UAB。但實際上，當抽頭位置變動到繞組中部時，即抽頭電壓為UAB/2時，則只需要一組三相抽頭連接一個靜止無功補償單元。此時DT-STATCOM結(jié)構(gòu)形式更為簡單，但其連接抽頭線電壓在UAB/2以上。當功率器件耐壓滿足要求時，可以考慮優(yōu)先采用。

4 DT-STATCOM跨端口指令電流檢測方法

在DT-STATCOM系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)中，其控制系統(tǒng)可以檢測包括變壓器高、低壓側(cè)以及連接抽頭側(cè)在內(nèi)的多側(cè)信息，這也使得補償功率注入點和測量點分別位于不同電壓位置，二者之間間隔了配電變壓器的高、低壓繞組。因此，測量點檢測所獲得的高、低電壓側(cè)的電壓和電流信息，與連接抽頭接入點的電壓和電流之間存在著相位和幅值的差別。檢測所獲得電氣量信息無法直接用于對靜止補償單元的反饋控制[10,11]。本文擴展了基于瞬時功率理論的電流檢測方法，分別采用各自端口的電壓信息進行同步坐標變換，實現(xiàn)無功功率（電流）的跨端口檢測。該方法能夠應(yīng)用于各種檢測點和補償點位于不同電壓等級的情況。

跨端口指令電流檢測法的過程如圖4所示，該檢測方法中分別采集配電變壓器的負載側(cè)端口和連接抽頭側(cè)端口的電壓進入鎖相環(huán)，如圖中兩個點畫線框所示，利用各端口角頻率和相位信息生成瞬時有功及無功電流的變換與反變換矩陣，從而實現(xiàn)無功電流由負載側(cè)端口到連接抽頭側(cè)端口的變換。

圖4 跨端口指令電流檢測法示意圖Fig.4 The reactive current detection across the transformer’s ports

圖4 中檢測方法所獲得的為基波電流瞬時值，斷開其中的有功電流ip通道，可獲得無功電流瞬時值，跟蹤該瞬時值電流即實現(xiàn)無功跟蹤補償。

圖4中B′

C為負載側(cè)B端口的坐標變換矩陣，為抽頭側(cè)A端口的坐標反變換矩陣。設(shè)負載側(cè)端口B的電壓初相位為φB，連接抽頭端口側(cè)的電壓初相位為φA。在變換過程中分別以上標A和B區(qū)分不同端口的變量。則當電網(wǎng)電壓無畸變時，兩相坐標系下B側(cè)電流瞬時值為

煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量指的是對礦區(qū)的地形情況以及礦區(qū)地面的控制網(wǎng)進行分析和測繪，測量煤礦施工過程中相關(guān)地形地質(zhì)狀況，獲取煤礦施工過程中礦區(qū)的地標移動和升降情況，保證煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量工作有效完成。以下是我國煤礦的主要分布圖。

計算該側(cè)有功電流和無功電流瞬時值過程如下：

式中，n=3k±1；為B側(cè)n次電流初相位。

經(jīng)過低通濾波器（LPF），得到上述瞬時電流直流分量，該直流量對應(yīng)基波電流分量。

根據(jù)連接抽頭端口A側(cè)的頻率和相位信息，反變換式（9）的直流分量，得到變換到連接抽頭側(cè)的負載基波電流分量為

式中，φA-φB為A、B兩側(cè)電流相量的夾角；為B側(cè)基波電流初相位。因此即為B側(cè)電流變換到A側(cè)后的基波電流相位。然而，在上述變換過程中，負載端口B側(cè)電流的幅值并沒有變化，因此需要增加一個比例環(huán)節(jié)，引入變壓器繞組間的電壓比k，易知

由上述過程可見，基于瞬時功率理論的跨端口電流檢測方法直接計算負載的有功及無功電流瞬時值，但是變換過程不能保證功率守恒，即沒有自動實現(xiàn)電流的幅值變換，需要額外增加一個比例環(huán)節(jié)，而且此比例環(huán)節(jié)需要根據(jù)兩端口之間的繞組電壓比關(guān)系調(diào)整。

上述檢測過程都是在電網(wǎng)電壓平衡無畸變的條件下討論的，在實際配電網(wǎng)中，三相電壓普遍存在著不平衡和畸變現(xiàn)象。因此，在上述的兩次同步坐標變換和反變換過程之前，可以采用不對稱及畸變電壓條件下的改進計算方法[12,13]，避免將不對稱及畸變影響引入到檢測過程中。

5 DT-STATCOM控制系統(tǒng)

DT-STATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5中變壓器狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)通過高低壓側(cè)信息檢測變壓器的負載率水平，并計算獲得此時的補償無功總量限值。同時，端口電壓支撐環(huán)節(jié)根據(jù)高壓側(cè)電壓水平計算支撐電壓所需要的無功補償量，在無功電流檢測環(huán)節(jié)中，補償無功調(diào)節(jié)模塊綜合負載無功需求和上述兩個補償量指標，生成實際的補償量q′。結(jié)合直流電容電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)計算的有功功率p，獲得補償電流指令值iac,bc,cc，進入跟蹤控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)PI跟蹤控制，然后由脈沖調(diào)制環(huán)節(jié)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖驅(qū)動靜止補償模塊。

圖5 DT-STATCOM控制系統(tǒng)框圖Fig.5 The schematic diagram of DT-STATCOM control system

6 仿真及實驗

6.1 仿真分析

為了驗證上述DT-STATCOM系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了仿真模型，仿真條件為：系統(tǒng)電源10kV；輸電線路60km（電阻0.013Ωs/km，電感0.933mH/km，電容12.74nF/km）；配電變壓器電壓比10/0.4kV，容量1MVA；連接抽頭電壓2kV；濾波電感3.5mH；直流電容8 600μF；負載有功負荷650kW，無功負荷750kvar；電流跟蹤控制參數(shù)Kp_ac為0.02，KI_ac為0.02；直流電壓控制參數(shù)Kp_dc為0.02，KI_dc為0.02。

由圖6b可見，補償前變壓器功率因數(shù)為0.65左右，補償后將功率因數(shù)提高到接近于1。圖6a為單相電壓電流波形，補償之后變壓器高壓側(cè)電流的幅值降低、相位與電壓趨于一致。

圖6 DT-STATCOM無功補償仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of DT-STATCOM var compensation

圖7為無功負荷大幅波動時DT-STATCOM系統(tǒng)輸出的動態(tài)跟蹤情況。圖中實線為三組無功補償單元輸出的總無功功率，虛線為總有功功率，仿真模型在0.2s時刻由760kvar感性無功切換到容性無功。補償單元輸出無功約在一個周波時間內(nèi)迅速跟蹤負載無功功率的變化；有功功率基本保持不變。

圖7 無功負荷由感性切換到容性過程中DT-STATCOM的動態(tài)響應(yīng)過程Fig.7 The compensation response for a step change from inductive to capacitive load

圖8 為DT-STATCOM補償不對稱負載引起的三相不平衡情況。仿真模型在0.1s時投入DTSTATCOM，變壓器輸入端口的電流在兩周波之內(nèi)逐漸達到平衡。

圖8 DT-STATCOM補償三相不平衡電流波形Fig.8 The compensation response for three phase imbalance

6.2 樣機實驗

基于上述研究，構(gòu)建了實驗樣機以驗證DTSTATCOM系統(tǒng)的補償效果。樣機采用的試驗變壓器容量50kVA，電壓比800/380V，抽頭電壓338V；靜止補償單元采用International Rectifier公司IRGP50B60PDPBF型IGBT。

通過樣機平臺，本文對DT-STATCOM的無功功率及不對稱補償進行了實驗驗證。圖9為實驗樣機補償無功功率的實驗波形。三相有功負荷為3.79kW，無功功率為9.34kvar。補償前，功率因數(shù)為0.376，電壓和電流波形如圖9a所示。投入DT-STATCOM之后，功率因數(shù)提高到0.98，電壓和電流波形相位基本一致，如圖9b所示。

圖9 DT-STATCOM無功補償電壓、電流和功率因數(shù)波形Fig.9 The waveforms of DT-STATCOM var compensation

圖10 為實驗樣機補償三相不平衡的波形。不平衡RCL負載分別為1.24kW、3.74kW、3.74kW，其三相電流不平衡度為27.59%，其波形如圖10a所示。投入DT-STATCOM之后，三相電流波形如圖10b所示，電源側(cè)三相電流不平衡度為1.44%，實現(xiàn)了三相不平衡的補償。

圖10 DT-STATCOM補償三相不平衡波形Fig.10 The waveforms of three phase imbalance compensation

7 結(jié)論

本文提出了一種基于配電變壓器一體化結(jié)構(gòu)的靜止無功補償技術(shù)（DT-STATCOM），通過在配電變壓器高壓側(cè)繞組設(shè)置連接抽頭，形成靜止無功補償裝置與配電變壓器的一體化結(jié)構(gòu)，充分利用變壓器的富余容量補償無功。該技術(shù)可實現(xiàn)對配電變壓器自身及負荷無功消耗的動態(tài)補償；擴展了靜止補償單元接入電壓的選擇范圍；利用現(xiàn)有配電變壓器接入靜止補償單元，降低了裝置的體積和成本。根據(jù)DT-STATCOM的特殊結(jié)構(gòu)，本文提出了跨端口指令電流檢測方法，可以實現(xiàn)檢測點與補償點分別位于不同電壓等級時的無功補償指令電流實時檢測。仿真和樣機實驗結(jié)果表明，本文所述的DTSTATCOM系統(tǒng)可有效實現(xiàn)對配電變壓器節(jié)點的動態(tài)無功補償和不平衡的抑制。

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