采用STATCOM抑制配網(wǎng)電壓波動與閃變研究

袁 愿

（廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門361001）

STATCOM作為新一代動態(tài)補償裝置，基于IGBT等全控型電力電子器件構建，在諧波抑制、響應速度、補償能力方面更強，是性價比更優(yōu)的電壓波動與閃變問題的解決方案［1－7］。STATCOM 已開始逐步在我國各區(qū)域電網(wǎng)得到推廣應用［8］，本文分析了STATCOM的工作機理和電壓波動與閃變抑制方案基本原理，介紹和分析了STATCOM在昆明電網(wǎng)110kV變電站的實際工程應用效果。

1 基于STATCOM的電壓波動與閃變抑制方案

1.1 STATCOM工作機理

STATCOM本質(zhì)上是一種基于全控型功率器件的逆變器，可將其等效為電壓幅值、相位和頻率均可調(diào)節(jié)的三相正弦交流電源［2］。根據(jù)直流側(cè)電壓和輸出電流特性的不同，STATCOM分為電流源型和電壓源型兩類。由于轉(zhuǎn)換效率等原因，在學術研究和工程應用中，以電壓源型STATCOM為主。STATCOM通過電抗器、耦合變壓器或升壓變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出電壓與系統(tǒng)電壓的頻率始終保持一致。通過調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓幅值大小來控制電抗器等中間連接器件的電壓和方向，實現(xiàn)快速、雙向、動態(tài)補償。同時，采用不同主電路拓撲結構設計和控制策略優(yōu)化方案，可有效降低自身諧波含量，幾乎不向電網(wǎng)注入諧波［5，9］。作為電網(wǎng)的重要無功電源，STATCOM可用于改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、防止電壓崩潰、電能質(zhì)量治理、實現(xiàn)新能源系統(tǒng)接入等。

1.2 電壓波動與閃變抑制方案分析

電壓波動是最典型的電能質(zhì)量問題之一，波動性負荷在運行過程中頻繁、劇烈地從系統(tǒng)取用電能導致沖擊性無功功率變化是該問題產(chǎn)生的根源，而負荷特性、大小、公共接入點處短路容量、系統(tǒng)內(nèi)可用的無功電源性質(zhì)等等決定了電壓波動的嚴重程度，波動幅值和變動頻度則是其嚴重性的量化指標。STATCOM優(yōu)良的無功功率跟隨特性和精確的補償輸出是抑制電壓波動的關鍵，響應速度、補償容量、暫態(tài)響應時間、過載能力是決定電壓波動抑制效果的主要因素。根據(jù)國標定義，閃變是反映電壓波動引起的燈光閃爍對人視感產(chǎn)生影響的指標，與電壓波動頻率和幅度有關，治理閃變的關鍵仍在于電壓波動抑制。

根據(jù)文獻［2］的研究結論，對STATCOM的電壓波動與閃變抑制過程簡要分析。

圖1 為單機無窮大系統(tǒng)的簡化模型。將STATCOM等效為一可控電流源。其中，E為系統(tǒng)等值電壓，Z為系統(tǒng)等值阻抗，ψ為等值阻抗角，I為從系統(tǒng)流向公共連接點（PCC點）的電流；U為PCC點處母線電壓，IC為STATCOM注入的無功電流；ZL為 沖 擊 性 負 荷 等 值 阻 抗 ，φ為 負 荷 阻 抗 角 ，IL為沖擊性負荷電流；SSC為系統(tǒng)短路容量，負荷容量為SL，PCC點額定電壓UN，SC為STATCOM補償容量。

當未投入STATCOM時，由沖擊性負荷運行導致的PCC點電壓波動

當STATCOM接入后，電壓波動變?yōu)?/p>

為較好地分析STATCOM對電壓波動的改善效果，假定STATCOM對負荷的跟隨系數(shù)k，它表征STATCOM對負荷無功變化的快速響應能力，設定SC＝k·SLsinφ，并設定由Q表示波動抑制效果，則簡化后有

由此可得到以下結論:電壓波動與閃變程度由系統(tǒng)阻抗、短路容量、負荷大小及特性決定；抑制效果由STATCOM負荷跟隨特性、系統(tǒng)阻抗、負荷特性決定，與短路容量、負荷大小等無直接關系，STATCOM的負荷響應能力越強，效果越好。STATCOM的負荷跟隨系數(shù)為一綜合動態(tài)參數(shù)，主要包括響應速度、容量配置、暫態(tài)過渡時間、過載系數(shù)等，并與裝置無功－電壓特性、主電路拓撲結構、控制策略、動靜態(tài)補償容量配比等均有關。

2 STATCOM在昆明電網(wǎng)110 kV二街變電站的應用

2.1 問題現(xiàn)狀

昆明電網(wǎng)110kV二街變電站共計兩臺50 MVA三相三繞組有載調(diào)壓變壓器，三側(cè)電壓等級為110kV/35kV/10kV，其35kV側(cè)主要為工業(yè)負荷供電，10kV母線為居民生活和商業(yè)用電。35 kV側(cè)主供負荷為旭峰鋼廠、浩坤化工廠。上述企業(yè)含有大量的非線性、沖擊性負荷，如電弧爐、壓球機等，已導致該站35kV、10kV側(cè)均出現(xiàn)明顯的電壓波動、閃變及諧波污染。同時，還伴隨著三相不平衡問題。站內(nèi)已配備兩組額定容量4Mvar自動投切式并聯(lián)電容器，均安裝于10kV母線側(cè)，難以做到分區(qū)就地平衡，由于該站設計較早，站內(nèi)可利用場地有限且工業(yè)負荷可能擴產(chǎn)，綜合比較35kV母線加裝電容器和直接裝設STATCOM裝置兩種方案的投入產(chǎn)出效益，最終確定先期安裝1套STATCOM通過35kVⅡ段母線并聯(lián)接入系統(tǒng)，本期工程STATCOM額定容量4MVar，根據(jù)改善效果及負荷擴建情況決定后期擴容方案。

圖2為現(xiàn)場調(diào)研階段35kV兩段母線的電壓短時、長時閃變（Pst、Plt）一個月的測試數(shù)據(jù)對比，可知Ⅱ段母線電壓波動更為惡劣，均超出國標限值。

2.2 STATCOM系統(tǒng)組成

35kVⅡ段母線電能質(zhì)量問題更加突出，安裝一定容量的動態(tài)補償裝置可更好驗證其治理能力并為后期工程積累經(jīng)驗。本套STATCOM裝置由逆變單元、升壓變壓器、主控制單元、人機操作系統(tǒng)組成，其逆變單元不同于常見的鏈式結構，采用低壓大電流輸出方式，由高功率密度IGBT模塊構建，具有占地面積小、部署靈活、保護功能齊全等優(yōu)點，采用循環(huán)風冷散熱，由多個小容量逆變器并聯(lián)組成，單個功率模塊故障不影響其他模塊正常工作，均具有獨立的均流措施，具有高達2.67倍額定容量的短時過載能力，確保能最大限度地改善系統(tǒng)的電壓條件，且諧波輸出滿足符合IEEE519標準；升壓變壓器為0.48/35kV油式變壓器，采用YNd5接線方式；主控制單元實時采集主變中壓側(cè)CT及35kV母線PT信號進行快速運算，以兩路光纖方式與逆變單元實現(xiàn)高/低速數(shù)據(jù)的分組響應和處理，具有對電容器/電抗器的投切控制接口，具備光纖Ethernet接口，可直接與SCADA系統(tǒng)連接，具有就地和遠程狀態(tài)監(jiān)控與報警功能，可通過WEB服務器實現(xiàn)遠程診斷和故障處理，且集成了多種保護和報警功能，如過電流保護，過電壓/欠電壓保護，電壓不平衡保護，頻率過高/過低保護和接地故障跳開關保護等。圖3為現(xiàn)場安裝外觀與系統(tǒng)組成。

2.3 控制策略分析

本工程的主要控制目標為35kV母線電壓。主控單元對實時采集的35kV母線正序電壓值進行動態(tài)濾波，在與電壓參考值比較計算后產(chǎn)生電壓誤差。誤差信號在完成PI調(diào)節(jié)后生成無功輸出指令電流，該電流值經(jīng)PWM脈沖電路產(chǎn)生IGBT門極觸發(fā)信號，逆變器通過升壓變壓器向系統(tǒng)輸出無功［10］。功率單元開關頻率為4kHz。圖4為STATCOM系統(tǒng)控制框圖。

圖4 STATCOM系統(tǒng)控制框圖

STATCOM采用的電壓控制策略包括電壓調(diào)節(jié)和暫態(tài)響應兩種調(diào)節(jié)方式，電壓調(diào)節(jié)是在常規(guī)模式下調(diào)節(jié)所控制母線電壓，暫態(tài)響應專用于應對系統(tǒng)瞬態(tài)低、高電壓沖擊事件，兩種模式均為有差控制。圖5為系統(tǒng)電壓－無功控制曲線。

圖5 STATCOM電壓－無功控制曲線

電壓調(diào)節(jié)模式表示在母線電壓允許的偏差范圍內(nèi)的無功－電壓線性調(diào)節(jié)，如粗線所示（對應的電壓調(diào)節(jié)區(qū)間為1.01～1.04p.u.與1.06～1.09p.u.之間）。將理想電壓目標值作為參考值Vref，電壓調(diào)節(jié)死區(qū)為±δ。在死區(qū)范圍內(nèi)，STATCOM無輸出，防止其頻繁調(diào)節(jié)而影響穩(wěn)定性；當電壓位于死區(qū)上限至偏差上限以內(nèi)時，STATCOM從系統(tǒng)吸收無功，降低電壓；當電壓處于死區(qū)下限至偏差下限范圍時，STATCOM向系統(tǒng)注入無功，抬高電壓。此處設定Vref為1.05p.u.，死區(qū)為±0.015p.u.，偏差下限Vsmin和下限Vsmax分別為1.01p.u.和1.09p.u.。暫態(tài)響應模式反映了STATCOM對暫態(tài)電壓事件的快速響應能力，見粗線連接的上方和下方曲線（對應的電壓范圍包括小于0.98p.u.以及大于1.12p.u.的區(qū)間）。當母線電壓瞬間跌落至暫態(tài)電壓下限Vfmin或超過暫態(tài)電壓上限Vfmax時，STATCOM過負荷輸出；當電壓低至電壓控制下限值Vrmin或高至控制上限值Vrmax時，系統(tǒng)始終保持最大無功輸出。圖中粗線外曲線部分區(qū)間（對應的電壓范圍為0.98～1.01p.u.與1.09～1.12p.u.之間），STATCOM保持額定容量輸出。

2.4 抑制效果驗證

在STATCOM試運行期間，采用便攜式電能質(zhì)量測試儀對主變2中壓側(cè)進行了48h持續(xù)測試。前后兩天各測試STATCOM離線和在線狀態(tài)下的電能質(zhì)量狀況。在STATCOM 離線期間，A、B、C三相電壓短時間閃變最大值分別為3.0376、3.0155、3.2536，三相電壓短時閃變95%概率值均為0.115，均未超國標限值1；三相電壓長時間閃變最大值分別為1.3272，1.3183，1.4215，長時閃變均取最大值為評估值，均超過限值0.8；在STATCOM投運后，三相電壓短時間閃變最大值分別為1.7126、1.6988、1.7151，對應的95%概率值為0.11，0.112，0.112，未超國標限值1；三相電壓長時間閃變最大值分別為0.7619、0.779、0.7617，未超過限值0.8。

圖6、7分別為投運前后電壓閃變曲線對比圖。

圖6 主變2中壓側(cè)三相電壓短時閃變曲線

由上述數(shù)據(jù)可知，STATCOM可顯著改善電壓波動及閃變水平。此外，在STATCOM投運后，電壓諧波總畸變率、三相電壓不平衡度等指標均較離線時有明顯降低。

圖7 主變2中壓側(cè)三相電壓長時間閃變曲線

3 結論與展望

該套STATCOM裝置自投運以來，運行可靠、穩(wěn)定，能夠迅速響應沖擊負荷功率變化，向系統(tǒng)快速注入精確、雙向、動態(tài)無功，有效改善了35kV系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平，并起到一定的電壓調(diào)節(jié)作用。運行和測試數(shù)據(jù)驗證了STATCOM優(yōu)良的電壓波動與閃變抑制能力。隨著大功率器件、智能控制技術等的不斷發(fā)展，STATCOM將在電力系統(tǒng)多個技術領域得到廣泛應用。

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