STATCOM無功補償技術在10kV配電網中的應用分析

/廣西電網公司梧州供電局 蘇志全 伍小兵/

技術交流

STATCOM無功補償技術在10kV配電網中的應用分析

/廣西電網公司梧州供電局 蘇志全 伍小兵/

針對STATCOM的原理結構特點，依據瞬時無功功率理論分析了其無功電流檢測原理以及電壓的控制策略，它將三相對稱的交流量變為兩相直流量分別進行控制，實現直流側電壓均衡控制，達到了無功補償的目的。10kV配電網負荷的變化幅度大，電壓質量問題嚴重，將STATCOM無功補償技術應用到10kv配電網中，補償效果明顯，并指出了靜止同步補償器技術在未來城市配電網的發展趨勢。

靜止同步補償器 無功補償 配電網 電壓調節

0 引言

在城市工業生產和日常生活用電負載中，自動化水平愈來愈完善，電力客戶對電能質量的可靠性要求越來越高[1]。當前，電力系統的無功補償存在不足，無功負荷不僅增加了各種損耗，更嚴重影響了用戶的電能質量。配電端負荷，特別是沖擊性、非線性負荷容量的急劇增加，造成系統的電壓波動和諧波畸變等一系列問題，與其相關的電氣設備正常運轉也會造成危害。系統中存在的無功電流，降低了供用電系統及負載的功率因數，增大了功率損耗，增加了設備容量。因此，無功補償在電力系統中就顯得越來越重要[1-2]。

常用的無功補償措施有同步調相機，并聯電容器，并聯電抗器，靜止無功補償器（簡稱SVC）和靜止同步補償器（簡稱STATCOM）[2]。STATCOM是由逆變器構成的靜止同步無功補償裝置，能夠發出無功功率或者吸收無功功率，其結構簡單，輸出無功電流不會因為母線電壓的降低而降低。

1 STATCOM的結構特點及工作原理

STATCOM不僅可以用于輸電系統中，也可用于配電系統中，與傳統的無功補償裝置相比，具有響應速度快、諧波含量少、占地面積小、輸出特性更為理想等優點[3]。不僅能吸收無功也能提供無功，使母線電壓維持在穩定范圍內，必要時還可濾除負荷產生的諧波。因此在提高電能質量、維持系統穩定性和無功補償方面，STATCOM具有無可比擬的優越性。

STATCOM的主電路一般分為電流型和電壓型兩種橋式電路，直流側采用電感和電容兩個不同的儲能元件。系統主體電路結構大致如圖1所示，無功補償裝置分為主電路和控制電路兩大部分，主電路包括電壓源逆變器，直流儲能電容和連接變壓器或電抗器部分組成[3]。控制電路包括過零點檢測電路，信號調理電路，保護電路等。

圖1 STATCOM總體電路結構圖

圖2為STATCOM的單相等效電路圖，考慮理想的情況下時可以將電抗器視為純電感、即R=0，逆變器此時不必從電網吸收有功功率，與同相，這時只改變幅值的大小即可分析判斷出STATCOM從配網中吸收的電流是超前還是滯后90℃，同時該電流的大小也能得到控制。電壓的工作向量圖如圖3所示。在非理想情況下，控制STATCOM輸出端電壓，即可控制輸出無功電流的大小和方向，從而實現無功補償。

圖2 STATCOM單相等效電路圖

2 STATCOM的控制策略

2.1 瞬時無功功率理論

圖3 STATCOM向量圖

在電力系統中電壓或電流中必定含有諧波或含有不對稱分量時產生的功率，這一現象較為復雜，對于傳統功率理論難以正確求解。赤木泰文（Akagi）等提出將三相瞬時電流分解為有功電流和無功電流的算法，此算法由Fortes-cue、Park、Clarke變換進化而來，該算法將三相電路中的各相電壓和電流瞬時值ua(n)、ub(n)、uc(n)以及ia(n)、ib(n)、ic(n)變換到兩相正交的坐標系上研究，即：

α、β平面上的瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分解為瞬時空間電流矢量i在瞬時空間電壓矢量u及其法線的投影：

定義三相電路瞬時有功功率、瞬時無功功率：

瞬時無功功率理論認為：任一時刻三相電路瞬時有功功率為各相瞬有功功率之和，即各相瞬時功率之和，它反映了三相電路由電源向負載傳遞的一個整體功率；瞬時無功功率僅在三相電路之間來回傳遞，各相瞬時無功率之和恒等于零[4]。

2.2 無功電流檢測

無功檢測算法的結構框圖如圖4所示。采用三角形連接，采集電路采集到的三相負載電流ila、ilb和ilc折算成線電流ilab、ilbc、ilca能計算成指令電流。折算后電流做dq變換，對q軸低通濾波，即可得到。

圖4 無功電流檢測算法結構框圖

其中，電流折算的變換公式為：

abc三相坐標到dq坐標的變換矩陣如下：

以上的算法只含基波正序分量，三相負載不對稱時，三相負載電流就失去平衡，此時采用對稱分量法分解三相不平衡電流，可得到：

因此為了維持三相負載的平衡，對負載電流中的零序分量與負序分量必須加以補償。

2.3 平穩的電壓控制

在配電網中，負荷的千變萬化導致無功電流隨大隨小，而無功功率決定了兩個節點之間電壓的幅度差值，因此一旦無功電流過大，系統產生過大的電壓損耗便不能及時的補償無功，這樣在負荷處變會出現欠壓的現象。為了保證串聯多電平電能質量控制器有良好的補償電流跟隨性能，須對逆變器側的電容電壓控制在一個適當穩定的值。電壓的控制可以分為兩層，第一層控制總的有功電流，第二層控制直流側各電容電壓均衡控制[5-6]。

圖5 總的有功電流控制

直流側電容電壓均衡控制如圖6所示。其工作原理為：A相的第一個H橋單相單元模塊直流側電壓和直流側電壓的平均值uave做為一個差值，此差再與有功電流的符合函數做一個乘值，比例積分調節器PI調整該值后，結果輸出值作為A相第一個H橋單相電路模塊電壓偏差指 令。照此類推可以求出A相其余H橋單元模塊電壓偏差指令， ，再將A相PWM信號調制波與A相第一個H橋單元模塊電壓偏差指令相乘，作為該模塊PWM調制波Va的微調指令，照此類推得出A相其余H橋單相電路模塊PWM調制波的微調指令，，… ，實現直流側電壓均衡控制。其余兩項與此類似。

圖6 直流側電容電壓均衡控制

3 STATCOM在10kV配電系統的應用

10kV電壓配電系統是直接與負荷端相連，特別是城市配電網負荷中電力電子設備等家用電器的大量使用，使得系統呈現感性，需要消耗大量的無功功率，配網系統所產生的無功傳送至負荷端，加大了輸電線路所傳輸的電流，進而也加大了有功損耗，電壓損失加重。因此對其進行無功補償是最為有效的途徑，提高了配電網電壓的穩定性，避免有功損耗和減少電壓損失。

依據前文所敘的靜止同步補償器——STATCOM對無功電流的檢測與電壓控制的特點，分析出STATCOM應用于10kV的低電壓配電系統中的功能效果，其主要功能體現在以下方面：

（1）提高城市10kV配電網的可靠性與穩定性。STATCOM是可控電流源。可以靈活控制對用戶的電能輸送，只補償基波無功電流，與SVC等補償設備相比造成設備損壞小，具有更高的可靠性，對于系統而言，特別是電壓穩定性穩定性大大提高。

（2）提高供電企業經濟效益。STATCOM能提高功率因數，減少配網電能輸送損耗。降低線損、節能降耗一直是供電企業中的關鍵考核指標，其有效地進行無功補償從而提高功率因數，在提高供電企業效益的同時降低了用戶的用電費用。

（3）提高電能質量。STATCOM可跟隨負載變化，動態連續補償功率因數。動態連續平滑補償，更高的響應速度，使對電壓閃變的補償效果更好，可以發無功，也可吸收無功，徹底杜絕了無功倒送的情況。抑制三相不平衡、電壓波動、閃變等問題。

4 結束語

論述了電網無功補償的重要性，分析介紹了靜止同步補償器STATCOM原理結構及工作特點，依據瞬時無功功率理論分析了其無功電流檢測以及對電壓的控制策略。結合10kV配電網的電壓波動特點和無功補償形勢，分析得出了STATCOM無功補償技術在10kV配電網中的應用優勢。與傳統的無功補償設備相比，STATCOM具有響應速度更快、穩定性更高、控制精度更準、經濟性能更優、調節范圍更廣的多重優點。隨著城市建設步伐的加快、家用電子設備的廣泛使用，STATCOM的無功補償技術必將成為未來改善城市配電網電能質量的主要方式。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社,2005.

[2] 苑舜,韓水.配電網無功優化及無功補償裝置[M].北京：中國電力出版社,2003.

[3] 沈斐,王婭嵐,劉文華,等.大容量STATCOM 主電路結構的比較和分析[J].電力系統自動化,2003,27(8).

[4] 涂春鳴,李慧,唐杰.基于直接電流控制的D-STATCOM 裝置研制[J].高電壓技術,2008,34(6)：58-62.

[5] 朱永強,劉文華,宋強,等.D-STATCOM不平衡負荷補償電流的優化設計[J].電力系統自動化,2005,29(8)：65-69.

[6] 李建民,楊兆華,陳立定.低壓STATCOM直接電流控制方法的研究[J].佛山科學技術學院學報(自然科學版),2008,26(6)：23-26.