STATCOM接入泰州電網仿真分析

葉 勇，陸 路，李 杰

(泰州供電公司，江蘇泰州225300)

目前,電力系統存在無功補償容量不足，大部分補償裝置難以滿足現代電力系統的補償要求。現代電力系統中感性負載占很大比例，大量感性負載必須吸收無功功率才能正常工作，提供無功功率合理的方法應該是在需要消耗無功功率的地方進行補償[1]。針對泰州電網近幾年的運行數據，現有無功補償裝置落后的2個方面：（1）部分電容器補償投切裝置選用機械式交流斷路器，壽命短，響應速度慢，投切過程會對系統產生沖擊電壓和沖擊電流；（2）大多數補償器為有級調容，無功補償精度不高。

靜止無功發電器（STATCOM）提供了一個很好的解決方案,它是由變流器構成的靜止無功調節裝置，可以發出和吸收無功功率。直流側的電容器維持了直流電壓，不需要大容量。STATCOM能提供穩定的無功電流，在改善系統電壓質量，提高穩定性方面有很大優勢[2]。在輸電線路中，應用STATCOM將能維持電壓水平，本文針對泰州220 kV電網部分進行補償后的電壓分析；同時應用STATCOM也可以減少網損，本文針對不同補償方案進行了網損分析。

1 STATCOM的工作原理

1.1 STATCOM的特性

STATCOM又稱為靜止同步補償器,是在20世紀80年代以來出現的更為先進的靜止無功補償裝置，屬于FACTS的重要組成部分[3]。STATCOM基本原理如圖1所示。STATCOM是通過電壓源變流器（VSC）實現的可控無功電源，VSC的直流側是一組直流支撐電容，經過PWM將直流電壓逆變為交流輸出電壓，同時可以控制交流輸出的電壓幅值和相位[4]。STATCOM的交流輸出經過限流電抗器與系統連接，忽略其損耗后，可以將STATCOM與系統之間無功功率的交換理解為改變VSC的輸出電壓幅值Ui來控制。具體控制過程如表1所示。

圖1 STATCOM的基本原理

表1 STATCOM電壓控制

STATCOM的U-I特性如圖2所示，STATCOM可以在容性額定值到感性額定值范圍內提供連續可調節的無功功率。從圖2中不難看出STATCOM在暫態過程中有短時過載的輸出能力。

圖2 STATCOM的U-I特性

1.2 STATCOM的控制

STATCOM在輸電系統中的主要控制目標，一般有維持系統電壓、提高系統暫態穩定性、增強系統阻尼等，按控制物理量劃分，可以分為：（1）直接電流控制。直接電流控制是對電流瞬時值的跟蹤控制，參數設計比較困難，而且要求電路中電力電子開關器件的開關頻率高，這樣的控制法不適用于大功率STATCOM場合。（2）間接電流控制。間接電流控制分為單δ控制和逆變器導通角θ與δ配合控制，因為θ與δ配合控制法包含的系統參數有極大的不確定性，所以要求STATCOM控制器自適應性強，實現難度也較大。一般間接電流控制法采用單δ控制，并且應用于大容量STATCOM，但針對大容量系統的開關頻率降低，輸出的電壓會有大量諧波產生，為減少諧波從而提高直流電壓的利用率，可采用多重化、多電平或PWM控制技術[5]。圖3為±20 Mvar STATCOM裝置控制器示意圖，主要實現的功能如表2所示。

圖3 STATCOM本地控制系統結構示意圖

表2 ±20 Mvar STATCOM裝置控制器主要功能

1.3 STATCOM的補償

電力系統中的負荷電流含有無功分量，STATCOM投運前，負荷電流的無功分量完全由系統承擔，當STATCOM接入系統后，將產生容性無功電流補償，為系統提供了無功支撐[7]。理論上STATCOM將完全抵消負荷無功電流，使系統功率因數等于1。目前工程應用的大容量STATCOM基本采用的是電壓型變換器（VSI），其工作原理如圖4所示。

圖4 STATCOM系統等效單線圖及相量圖

從電網側可以直接將STATCOM等效為一個幅值和相位可以變化的電壓源。圖4中STATCOM的交流輸出經過限流電抗器L連接系統，R為STATCOM的有功損耗等效電阻[6]。其中，UI為VSC交流輸出電壓的有效值，P和Q分別為STATCOM向系統輸出的有功和無功功率。實際運行時，STATCOM輸出電壓與接入母線電壓相位并不相同，存在一個相位差δ，其大小決定了STATCOM的工作狀態[7，8]（直流電壓大小、輸出功率大小及方向等）；STATCOM的電流相量并不嚴格垂直于接入母線的電壓相量，即STATCOM不僅是無功源，它還始終從系統吸收有功功率，將δ影響STATCOM的運行特性總結如表3所示。

表3 δ對STATCOM的影響

2 STATCOM接入對泰州電網潮流的改善分析

2.1 泰州電網潮流分布分析

泰州地區近年來采用變電站投切電容器的方式進行無功功率補償，效果顯著，但是部分線路的無功功率傳輸仍相對較多，還有待進一步優化。現將泰州電網的220 kV網絡建立數學模型，將各個變電站線路進行編號，采用MATLAB軟件編程對整個220 kV電網潮流做STATCOM接入仿真計算分析。220 kV變電站參數及功率要求數據如表4所示（因為數據量大，只列出一部分變電站數據）。

從表4數據可得出唐子、顧莊、帥垛、同濟、洋橋、洋思、昭陽、沈星、陸莊、黃橋、徐莊、馬華這些變電站需求的無功功率相對較多。若補償不夠，則會造成輸電網絡中的大量無功傳輸。為避免大量無功傳輸，結合泰州電網220 kV變電站現狀，設計補償方案如表5所示。

表4 220 kV變電站參數及功率需求數據表（U標=220 kV，S標=100 MV·A） p.u.

表5 STATCOM裝置補償方案 Mvar

2.2 仿真計算結果

不通方式下線路總損耗統計如表6所示。

表6 不同方式下線路總損耗統計表（S標=100 MV·A）

由表6可以直觀得出按照方案1接入STATCOM補償無功后，輸電網功率總損耗值最低。

2.3 結果分析

比較不同補償方式下的電壓數據表、功率分布數據表以及功率總損耗可以初步得出按照做無功補償，補償效果最理想。由電壓、功率數據繪制未補償和接入STATCOM（按方案1）電壓、功率對比曲線，曲線如圖5、圖6所示。

圖5 電壓分布曲線（STATCOM方案1和未補償對比）

圖6 無功分布曲線（STATCOM方案1和未補償對比）

經過分析可以直觀得出以下結論：（1）對輸電網合理的無功補償，可以有效地維持電壓水平，提高系統的穩定性；（2）在輸電網合理接入STATCOM裝置后，可增強系統的穩定性和最大限度地減少網絡的損耗，使電網質量提高。

3 結束語

FACTS技術是電力電子技術與現代控制技術結合的產物，它為改善系統運行特性提供了新的手段。本文通過對泰州220 kV電網中23個變電站做了STATCOM不同接入點的仿真，分析討論了不同無功補償方式下各節點電網電壓、輸電線路潮流分布所受到的影響，并經過對比提出工程應用的可行性方案。為今后更有效地使用STATCOM，從以下2點深入研究：

（1）對于一個綜合電力系統來說，STATCOM裝置的安裝位置的選擇在提高電力系統穩定性方面起著重要的作用，各種STATCOM裝置同時作用于系統時可能存在相互之間的動態干擾問題，如何評估相互影響的程度及尋找有效途徑來解決問題等都是值得研究的。例如：多個STATCOM裝置控制系統的協調配合問題；STATCOM控制納入現有的電網調度控制系統問題；STATCOM裝置與已有的常規控制、繼電保護的銜接問題等等。

（2）本文所有的工作都假設系統是平衡的，實際中的電力系統因為電流電壓都含有正序、負序和零序分量導致其不平衡。下一步可考慮在單機無窮大系統中設計不平衡條件下的STATCOM控制系統，研究其暫態穩定狀況，對比不同故障之后STATCOM抑制系統振蕩的效果。隨著電力技術的不斷發展，將提出各種新技術以及優化控制策略，輸電線路的功率傳輸將更加優化。

[1]單淵達.電能系統基礎[M].北京：機械工業出版社，2009，264-267.

[2]姜齊榮，劉文華，韓英鐸，等.±20 Mvar STATCOM控制器設計[J].電力系統自動化，2000(12)：24-28.

[3]王兆安，黃 俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009：4-5.

[4]謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理及應用[M].清華大學出版社，2006：190-196.

[5]MATHURRM.基于晶閘管的柔性交流輸電裝置[M].徐政譯.北京：機械工業出版社，2005：78-89.

[6]劉文華，盧軍鋒，鄭 征，等.基于SHE-PWM的D-STATCOM的控制器和脈沖發生器的設計[J].北京：清華大學學報(自然科學版)，2002，42(9)：1188-1191.

[7]葉 慧，吳 熙，桂國亮.并聯雙通道STATCOM附加阻尼控制抑制低頻振蕩研究[J].江蘇電機工程,2011，30（04）：30-33.

[8]王 軒，傅 堅，滕樂天，等.鏈式靜止同步補償器電流控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32（12）.