基于STATCOM的配電網三相不平衡治理

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(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041； 2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；3.成都億成科技有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

中國農村地區地域寬廣，電力系統存在大量的時空不對稱單相負荷，造成了很多配電臺區有著不同程度的三相不平衡問題[1]。三相不平衡使得配電變壓器效率降低，增加了變壓器和線路的損耗，導致供電質量嚴重下降，電路中的零序電流增加，會使得配電變壓器的渦流損耗增加，進而使其運行溫度升高，危及變壓器的安全與壽命[1-3]。因此，有效地降低配電臺區的三相不平衡度，提高臺區經濟運行水平和供電質量是亟待解決的問題。

目前國內外治理三相不平衡的主要措施有跨接相間電容調整、用戶負荷的再分配換相和無功補償等[4]。換相器由于整體投入較高、線路改建困難，所以目前應用較少?？缃酉嚅g電容調整的優點是設備整體投資費用較低，可濾除一定頻率范圍內的雜波，缺點為易于給電網造成大量諧波，系統特性容易漂移。無功補償裝置的優勢是極大地提高了線路的功率因數，降低了線損，減少了設計容量，增加了電網有功傳輸比例，降低了農網低電壓出現概率；缺點是沖擊電流過大，易產生大量諧波[5-6]。

常用的無功補償裝置有靜止無功補償裝置(static var compensator,SVC)和靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)。SVC因其響應速度快，價格適中，在電力系統中得到了廣泛的應用[7]，但是由于它在應用時會向電網注入大量的諧波，需要外加濾波器，且在多臺工作時易發生諧振等[8-10]。而STATCOM在控制中利用PWM技術，能夠使其注入電網的電流諧波含量很小，接近正弦波，并且STATCOM具有能夠快速平滑地輸出感性和容性無功功率、調節系統電壓、降低線路損耗、校正功率因數等功能[11-13]。

這里將STATCOM穩態模型引入三相不平衡分析中，研制了基于IGBT的STATCOM無功補償裝置。運用不平衡補償方法對STATCOM抑制三相不平衡原理進行了分析，并利用d-q法對無功電流進行檢測，降低了運算量，減少了運算時間；控制策略采用的是雙閉環控制法，提高了控制系統的精度。研究了配電網中應用STATCOM進行三相不平衡抑制的效果，并通過掛網試驗與MATLAB仿真測試進行了驗證。

1 STATCOM工作原理分析

STATCOM靜止同步無功補償器，是利用全控型大功率電力電子器件(IGBT或GTO)組成自換相橋式電路[14]，通過控制IGBT開關管的開斷，使STATCOM產生相應的補償電流，從而實現對系統所需的無功的補償。

1.1 工作原理

圖1為STATCOM系統原理圖，該系統主要由4個部分組成，即指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電流和主電路，圖中us表示電網側電壓，is表示電網側輸出電流。從圖1可以知道，STATCOM首先測量負載側的電流值iL，然后將測得的數據傳輸給補償電流運算單元，由該單元來計算補償電流，并將計算的結果，即相關指令傳輸給脈沖信號發生單元；之后由脈沖信號發生單元對傳輸來的數據信號進行相關處理，并得到相應的控制信號；再將控制信號經過驅動電路的放大，傳輸給主電路。

圖1 STATCOM系統原理

主電路采用電壓型橋式電路，由IGBT、電容器和電抗器組成，直流側采用的是電容器，可以有效地提高運行效率。放大后的控制信號用來控制IGBT開關管的導通和關斷，這樣就能在橋式電路上產生相應的補償電流ic。所以負載側的電流值iL為系統電流is與STATCOM補償電流ic之和，負載電流中含有諧波、零序、負序和無功電流，相應地調整STATCOM的補償電流值，就能夠使系統側只提供正序基波分量，使得系統電流保持穩定，達到電網綜合補償的目的。

圖2 STATCOM主電路

圖3 STATCOM等效電路

圖2為STATCOM的主電路，圖3為其等效電路圖，從圖3中可以得到：

(1)

由式(1)，在忽略系統的損耗等效電阻值R時，可以得到STATCOM對電網注入的復功率為

(2)

當δ<5o時，系統有功功率及無功功率可以簡化為

(3)

(4)

式中：Ug為逆變橋輸出電壓；Ic為STATCOM補償器輸出的無功電流；R為系統等效電阻；X為所接電抗器阻抗；Us為電網相電壓；δ為系統電壓與補償器電壓之間的相角差。

由式(3)、式(4)可以得到：

1)當δ>0時，P>0，STATCOM是從電網中吸收功率；

2)當δ<0時，P<0，STATCOM是向電網中釋放功率；

3)當Ug0，STATCOM是發出容性無功；

4)當Ug>Us時，Q<0，STATCOM是吸收感性無功。

1.2 無功電流檢測方法分析

現在廣泛使用的補償電流檢測方法主要有p-q法、ip-iq法和d-q法，它們各有自己的優缺點和使用范圍。p-q法和ip-iq法都可以使用在對稱系統中，能夠很準確地檢測出補償電流值。但在三相四線制系統中，因為p-q檢測法和ip-iq檢測法中的αβ變換要求三相電流之和為0，三相四線制系統中三相電流的和并不為0。而d-q檢測法是對dq0坐標系下的檢測法進行簡化，并采用電壓、電流雙矢量投影的方法，所以能夠適應于三相電壓畸變和三相電壓不對稱的系統中。

1.3 STATCOM控制策略

STATCOM接入配電網的方式可以通過變壓器或者電抗器[16]實現，因此，對交流側輸出電壓和相角或電流進行控制，能實現對STATCOM向電網發出或吸收無功電流的控制。根據產生方式的不同，無功電流的控制方式有兩種：直接電流控制和間接電流控制。

圖4 d-q算法等效圖

直接電流控制方式是將STATCOM當作受控電流源，采用跟蹤PWM控制技術對STATCOM的交流側產生的無功電流進行控制。間接法是將STATCOM作為交流電壓源來對待，通過對IGBT開關管的導通和關斷來進行控制，即控制所產生的電壓相位和幅值，間接控制STATCOM的交流側電流[17]。

為了保證設計出的補償器具有良好的性能，準確快速地對系統無功進行補償，維持系統電壓穩定，所以所設計的控制器采用電流間接控制方式。

STATCOM從系統中吸收的有功電流和無功電流的有效值的計算公式為[18]

(5)

(6)

穩態時，當δ角的絕對值不是太大時，δ和Iq近似為線性的正比關系。

圖5 電流間接控制

為了獲得較為穩定的輸出電壓，在控制系統中引入了一個電壓負反饋環，用補償器的輸出電壓值減去系統中給定的電壓值，根據該差值對補償器做出有效控制。所設計的STATCOM采用的控制方式為雙閉環控制模式，即外環采用電壓控制，內環采用電流控制。并引入反饋控制環對補償電流進行反饋控制，從而有效地提高控制系統的精度，整個控制系統的結構原理圖如圖6所示。

圖6 雙變量間接控制原理

雙閉環控制模式的具體實施步驟如下：

1)將通過檢測得到的補償器直流側直流電壓Udc與系統中所給定的電壓參考值Udcref作出比較，得到了它們的差值電壓，之后使用PI調節器進行相應的調節，輸出有功電流的參考值Idref；

2)補償器輸出端的電壓Ug與電壓參考值Uref的電壓差值也經過PI調節器的調節，就可以得到系統無功電流所需的參考值Iqref；

3)將檢測獲得的補償器的輸出電流作d-q坐標系下的坐標變換，獲得d軸和q軸下的電流Id和Iq，分別將Id與Idref、Iq與Iqref作比較，所得差值再經過PID調節器的調節即可獲得d軸和q軸下的電壓。

4)獲得d軸和q軸下的電壓后就能得到系統的控制變量m與δ，從而獲得系統的調制信號參數Uabc作為PWM調制器的調制信號。并以載波信號為基準進行調制，獲得逆變橋開關的觸發信號。

2 MATLAB仿真分析

仿真原理如圖7所示，仿真系統是一個電壓等級為25 kV的配電網；三相可編程的電壓源作為系統電源，為系統提供能量；母線B1和B2之間是一段輸電線路，線路長20 km，用π型等值電路來進行代替；母線B2上帶有3.5 MW、0.25 MVA的負載；母線B2和B3之間有一段輸電線路，線路長2.5 km，用電感電路來進行代替；B3母線后接入一個降壓變壓器，用于降低電壓為負載供電；變壓器二次測接有一個1 MW的固定負載及一個可變負載；STATCOM裝置接在B3母線上，其容量為±3.5 MVA。

圖7 仿真原理

仿真故障設置為：負載對稱時，A、B、C三相各帶5 kW的負荷；負載不對稱時，A、C兩相帶5 kW負荷，B相帶8 kW負荷。仿真結果見圖8至圖13。

圖8 三相電流波形

圖9 STATCOM無功輸出

圖10 STATCOM未接入電網時三相電流波形

圖11 STATCOM接入電網時三相電流波形

圖12 STATCOM有功與無功輸出

圖13 直流側電壓

當A、B、C三相負荷對稱時，電流波形如圖8所示，STATCOM是不動作的，此時的輸出無功為0，如圖9所示。當A、B、C三相所帶負荷不對稱時，A、B、C三相電流波形也發生了變化，電流波形如圖10所示，A、B、C三相電流不再對稱，此時STATCOM還未接入電網；圖11為將STATCOM接入電網后的電流波形，可以發現這時A、B、C三相電流是對稱的；STATCOM輸出無功和直流側電壓分別如圖12和圖13所示。仿真結果表明：STATCOM對三相不平衡具有調節作用。

3 實驗及掛網運行測試

3.1實驗測試

對STATCOM裝置進行實驗測試，測試接線圖如圖14所示，將STATCOM裝置并聯接在負載和電網之間。

圖14 測試接線

STATCOM裝置接入電網前后，系統各種參數如表1、表2所示。

從表1和表2可以看出，補償后系統的電流和電壓不平衡度的下降比較明顯，說明該裝置對三相不平衡有很好的調節作用。

表1 補償前系統各參數

表2 補償后系統各參數表

4.2 掛網運行測試

此次掛網運行的STATCOM無功補償裝置掛網運行點為三相不平衡臺區變壓器出口處，掛網測試監測了變壓器出口處的三相電流和中性線電流。

圖15為該臺區在安裝STATCOM無功補償裝置前的變壓器出口三相電流波形圖，從圖15中可以看出三相電流值差距比較大，圖16為STATCOM未接入電網時的三相電流不平衡度，可以看出其電流不平衡度在40%左右，其中最大三相電流不平衡度高達53.6%。

圖15 STATCOM未接入電網時的三相電流波形

圖16 STATCOM未接入電網時的三相電流不平衡度

圖17 接入STATCOM后三相電流波形

圖17為該掛網測試臺區安裝STATCOM無功補償裝置后，變壓器出口三相電流波形圖。圖18為STATCOM接入電網后三相電流不平衡度，從圖中可以看出三相電流不平衡度均小于20%，平均為10%左右，其中最小三相電流不平衡度為4.5%。

圖18 STATCOM接入電網后的三相電流不平衡度

從STATCOM無功補償裝置安裝前后的數據對比，可以發現安裝補償裝置后該臺區的不平衡度下降很明顯，說明STATCOM無功補償裝置對三相不平衡有很好的抑制作用。

4 結 語

首先運用不平衡補償方法對STATCOM原理進行了分析，結果表明適當的繞組和變壓器的接線，可以使得線路中無零序電流，所以在進行不平衡補償時，僅需對正序和負序電流進行補償，以達到抑制三相不平衡的目的。

1)所設計的STATCOM裝置采用無功電流檢測方法為d-q檢測法，其能夠對諧波電流與無功電流進行較為精確的檢測；當對諧波電流進行檢測時，只需進行坐標變換，該檢測方法提高了計算速度，減少了計算量。

2)所采用的控制方式為雙閉環控制模式，即外環采用電壓控制模式，內環采用電流控制模式，這種控制方式提高了對STATCOM裝置的控制精度。

3)使用MATLAB軟件的Simulink部分搭建了仿真系統，對STATCOM進行仿真分析，仿真結果表明STATCOM裝置對三相負載不對稱有很好的調節作用。

4)最后基于前面的理論，研制了基于IGBT的STATCOM三相不平衡調節裝置，并且進行了實驗測試與掛網測試，通過對比測試結果發現STATCOM裝置能夠有效地降低系統的三相不平衡度，對抑制負載三相不平衡有明顯作用。

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