DSTATCOM在電網(wǎng)中的應(yīng)用

信 珂 周志勇 李 曠

（1.山東電力工程咨詢院，濟(jì)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(fù)雜電網(wǎng)負(fù)荷的迅猛增長，電力系統(tǒng)的安全可靠供電受到了極大的考驗(yàn)。

充足的系統(tǒng)無功功率是電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的有效保障。目前電網(wǎng)中變電站多采用并聯(lián)電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)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(diào)控時(shí)易出現(xiàn)系統(tǒng)無功不足的情況；電容器調(diào)節(jié)母線電壓階梯式變化，電壓波動(dòng)較大，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)且響應(yīng)慢；目前并聯(lián)電容器的自動(dòng)投切主要通過VQC、綜自軟VQC、AVC并調(diào)節(jié)主變分接頭的方式實(shí)現(xiàn)，此點(diǎn)與變壓器重載運(yùn)行的要求相悖，因而運(yùn)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(wǎng)靜止同步補(bǔ)償裝置）自發(fā)動(dòng)態(tài)感性、容性無功的特性，并通過其對系統(tǒng)中原有的并聯(lián)電容器組的自動(dòng)投切控制，實(shí)現(xiàn)無功容量的柔性輸出，滿足系統(tǒng)電壓的精確控制。本文結(jié)合電網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)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(xì)分析了項(xiàng)目投運(yùn)后的經(jīng)濟(jì)效益。

1 項(xiàng)目情況簡介

下面以電網(wǎng)一個(gè)220kV變電站供電情況舉例。3臺180MVA變壓器并列運(yùn)行， 10kV母線原有4組并聯(lián)電容器組，單組補(bǔ)償容量均為8016kvar，但只能實(shí)現(xiàn)分級補(bǔ)償，不能根據(jù)母線實(shí)際需要補(bǔ)償容量進(jìn)行準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(lián)電容器組的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案。

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

表1 無功補(bǔ)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(shí)，雖然同樣可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償，但加并聯(lián)電容器組總無功補(bǔ)償容量只有36Mvar，如果有一組電容器出現(xiàn)故障時(shí)，可能會出現(xiàn)補(bǔ)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(guān)的要求更高，也不利于系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)電壓應(yīng)變能力更強(qiáng)，且有足夠的容量進(jìn)行濾波。另一方面，由于電壓等級相同，每相功率單元串連數(shù)一樣，小容量 DSTATCOM 占地方面不具優(yōu)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(gè)方面：一是針對變電站電網(wǎng)的實(shí)際情況，研究DSTATCOM的電網(wǎng)控制策略；二是針對變電站電網(wǎng)的實(shí)際情況，確定 DSTATCOM 配合自動(dòng)投切電容器組動(dòng)作的聯(lián)合控制策略。

2.1 DSTATCOM的電網(wǎng)控制策略

由于該地區(qū)鋼鐵、冶煉型企業(yè)眾多，沖擊性負(fù)荷嚴(yán)重影響了 110kV側(cè)母線電壓的穩(wěn)定，因此DSTATCOM接入的主要目標(biāo)是穩(wěn)定 110kV側(cè)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(biāo)，同時(shí)在動(dòng)態(tài)過程中提高系統(tǒng)暫穩(wěn)極限、靜穩(wěn)極限及增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。該方法主要通過電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)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(huán)控制，發(fā)出（吸收）系統(tǒng)所需的無功電流值。當(dāng)系統(tǒng)電壓較高時(shí)，裝置輸出感性無功；當(dāng)電壓較低時(shí)，輸出容性無功，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。控制中使用逆系統(tǒng)PI控制方法，有效提高了裝置的響應(yīng)速度。

2）輔助控制策略——無功儲備控制

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在電壓在允許范圍時(shí)可以將 DSTATCOM一部分無功進(jìn)行儲備。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)（或發(fā)生故障）導(dǎo)致系統(tǒng)電壓極低時(shí)，DSTATCOM 迅速釋放儲備的無功，以支撐系統(tǒng)電壓。由于無功儲備的過程時(shí)間幾十秒或數(shù) min，所以它不會影響主控制，只是作為主控制的一個(gè)輔助控制。

2.2 DSTATCOM的聯(lián)合控制策略

1）總體控制策略描述

該地區(qū)電壓波動(dòng)較為頻繁，且 DSTATCOM容量相對于110kV側(cè)短路容量較小，需配合站內(nèi)4組電容器使用。因此，正常運(yùn)行時(shí)，DSTATCOM以電壓控制為主，控制目標(biāo)為110kV側(cè)母線電壓，無功儲備控制可退出。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，DSTATCOM迅速響應(yīng)，快速穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。DSTATCOM的控制模式可分為平峰運(yùn)行模式和高峰運(yùn)行模式兩種。

（1）平峰運(yùn)行模式

在平峰運(yùn)行模式下，母線電壓的參考值設(shè)為110kV。初始運(yùn)行時(shí)，DSTATCOM投入，電容器全部退出。定電壓、過電壓、低電壓、二次側(cè)過電壓、過流控制全部起動(dòng)。

當(dāng) DSTATCOM檢測到輸出達(dá)到＋8Mvar時(shí)，母線電壓低于110kV，并持續(xù)超過1min，同時(shí)10kV母線電壓低于 10.9kV，則低電壓控制動(dòng)作，DSTATCOM判斷4組并聯(lián)電容器開關(guān)的位置。如此時(shí)電容器支路開關(guān)均為斷開，則投入一組電容器，經(jīng)過5min后，如電壓仍低于110kV，且10kV母線電壓低于10.9kV，則繼續(xù)投入一組電容器，依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均投入運(yùn)行為止。電容器組的投入順序?yàn)?2%一組，12%一組，6%一組，6%一組。

反之，當(dāng)檢測到DSTATCOM輸出達(dá)到－8Mvar時(shí)，同時(shí)母線電壓高于116kV，并持續(xù)超過1min，則高電壓控制動(dòng)作，DSTATCOM判斷4組并聯(lián)電容器開關(guān)的位置。如此時(shí)有并聯(lián)電容器支路投入，則向該組電容器發(fā)出跳閘命令。如果發(fā)出第一組跳閘命令3min后，110kV母線電壓仍高于116kV，則發(fā)出第二組電容器跳閘命令，依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均退出運(yùn)行為止。電容器組的退出順序?yàn)?%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

同時(shí)，若發(fā)現(xiàn)10kV母線電壓高于10.9kV，二次側(cè)過電壓控制起動(dòng)，所有電容器的投入命令均停止。則二次側(cè)過電壓控制的具體工作邏輯是，當(dāng)母線電壓持續(xù)高于10.9kV時(shí)，而且此時(shí)DSTATCOM輸出已達(dá)最大感性電流，則控制器判斷各并聯(lián)電容器的斷路器開關(guān)狀態(tài)，如果此時(shí)有投入的并聯(lián)電容器，則向該組電容器發(fā)出跳閘命令。如果發(fā)出第一組跳閘命令后5min后，二次側(cè)電壓仍高于10.9kV，則發(fā)出第二組電容器跳閘命令，依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均退出運(yùn)行。電容器組的退出順序?yàn)?%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

（2）高峰運(yùn)行模式

在高峰時(shí)，為了最大程度的保障負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)降低電網(wǎng)運(yùn)行損耗，母線電壓的設(shè)定值定為115kV。初始運(yùn)行時(shí)，DSTATCOM投入，并聯(lián)電容器組全部退出運(yùn)行。定電壓控制起動(dòng)，過電壓控制起動(dòng)，低電壓控制起動(dòng)，二次側(cè)過電壓控制起動(dòng)，DSTATCOM過流控制起動(dòng)。

若檢測到DSTATCOM輸出達(dá)到＋8Mvar，同時(shí)母線電壓低于115kV，并持續(xù)超過1min，同時(shí)10kV母線電壓低于 10.9kV，則低電壓控制動(dòng)作，DSTATCOM判斷4組并聯(lián)電容器開關(guān)的位置。若此時(shí)所有電容器支路開關(guān)均為斷開，則投入一組電容器，經(jīng)過5min后，如電壓仍低于115kV，且10kV母線電壓低于10.9kV，則繼續(xù)投入一組電容器。依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均投入運(yùn)行為止。電容器組的投入順序?yàn)?2%一組，12%一組，6%一組，6%一組。

反之，若檢測到 DSTATCOM 輸出達(dá)到－8Mvar，同時(shí)母線電壓高于115kV，并持續(xù)超過30s，則高電壓控制動(dòng)作，DSTATCOM判斷4組并聯(lián)電容器開關(guān)的位置。如此時(shí)有并聯(lián)電容器支路投入，則向該組電容器發(fā)出跳閘命令。如果發(fā)出第一組跳閘命令后3min后，110kV母線電壓仍高于115kV，則發(fā)出第二組電容器跳閘命令。依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均退出運(yùn)行為止。電容器組的退出順序?yàn)?%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

同時(shí)，若發(fā)現(xiàn)10kV母線電壓高于10.9kV，二次側(cè)過電壓控制起動(dòng)，所有電容器的投入命令均停止。二次側(cè)過電壓控制的具體工作邏輯是，當(dāng)母線電壓持續(xù)高于10.9kV，而且此時(shí)DSTATCOM輸出已達(dá)最大感性電流，則控制器判斷各并聯(lián)電容器的斷路器開關(guān)狀態(tài)，若此時(shí)有投入的并聯(lián)電容器，則向該組電容器發(fā)出跳閘命令，如果發(fā)出第一組跳閘命令后 5min后，二次側(cè)電壓仍高于 10.9kV，則發(fā)出第二組電容器跳閘命令。依此類推，直到所有并聯(lián)電容器均退出運(yùn)行為止。電容器組的退出順序?yàn)?%一組，6%一組，12%一組，12%一組。

（3）運(yùn)行模式切換

DSTATCOM 平峰運(yùn)行模式和高峰運(yùn)行模式的切換可以為自動(dòng)切換也可為人工切換。

自動(dòng)切換。根據(jù)從該變電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，上午7點(diǎn)～9點(diǎn)和19點(diǎn)～21點(diǎn)為高峰運(yùn)行，控制器在這兩個(gè)時(shí)段自動(dòng)轉(zhuǎn)入高峰模式運(yùn)行，其他時(shí)段轉(zhuǎn)入平峰模式運(yùn)行。

人工切換。即運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際需要對DSTATCOM 控制器控制面板上的控制模式進(jìn)行選擇。

2）并聯(lián)電容器組投切

正常運(yùn)行時(shí)，即電容器組及對應(yīng)開關(guān)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?yàn)?12%一組，12%一組，6%一組，6%一組。即投入時(shí)，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(shí)有且僅有一組 12%的電容器組在線，則再投時(shí)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(xù)投入時(shí)，投入6%電容器組。

電容器組的退出順序?yàn)?%一組，6%一組，12%一組，12%一組。即退出時(shí)，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(shí)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(shí)有且僅有一組12%的電容器組在線，則繼續(xù)退出時(shí)，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(guān)狀態(tài)與控制邏輯不符合，或電容器工作狀態(tài)異常，則控制器認(rèn)為該支路出現(xiàn)故障，控制器發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)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(guān)狀態(tài)與控制邏輯不符合，或電容器工作狀態(tài)異常，則控制器認(rèn)為該支路出現(xiàn)故障，控制器發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)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(gè)退出控制邏輯命令后，12h內(nèi)不再向該電容器組發(fā)出投入命令。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)《企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》等國家規(guī)定，采用無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量來衡量無功補(bǔ)償裝置的節(jié)能效益。在系統(tǒng)中每投入 1kvar的無功功率，在發(fā)電廠的直配電路中節(jié)約有功功率為 0.02～0.04kW，在二級變壓供電時(shí)節(jié)約有功功率為 0.05～0.07kW，在三級變壓供電時(shí)節(jié)約有功功率為0.08～0.09kW。

靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置基波總補(bǔ)償容量為 8Mvar，年平均工作容量按80%計(jì)算，按每月有效供電30 天計(jì)算，單位無功量節(jié)約有功功率取最小值0.05kW，則系統(tǒng)年節(jié)約有功功率為

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

電費(fèi)按0.5元/kW·h計(jì)算，則本套靜態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備年節(jié)約電費(fèi)為

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，最多兩年可回收本套設(shè)備的投資成本。

4 結(jié)論

DSTATCOM 作為改善電能質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)，在日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到高度重視和日益廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)冶金、煤礦、風(fēng)電、光伏等行業(yè)也正在大批量的投入使用。該設(shè)備自身不受制于電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償特性，更適合應(yīng)用于電網(wǎng)的變電站中。本文提出了一種可配合無源補(bǔ)償裝置使用的DSTATCOM 綜合控制方法，并成功應(yīng)用于電網(wǎng)某變電站無功補(bǔ)償裝置中。DSTATCOM 在電網(wǎng)變電站中的應(yīng)用，可大大降低電網(wǎng)損耗，加快傳統(tǒng)變電站的智能化改造進(jìn)程，對未來智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要意義。

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