應用STATCOM抑制配電網的電壓暫降

袁愿

(廈門紅相電力設備股份有限公司，廈門 361001)

1 前言

電壓暫降是指供電系統中工頻電壓有效值突然下降至額定值的10% ～90%［1］，持續時間在0.5周波到1分鐘之間的電磁擾動。在諸多電能質量問題中，電壓暫降首當其沖［2］，已成為一種突出的電能質量問題。隨著現代電力工業的快速發展和系統中用電負荷結構、性質的重大變化，如變頻調速設備、可編程邏輯控制器、自動生產線以及計算機系統等電壓敏感設備的大量使用，暫態電能質量問題引發的事故越來越多，歐洲某電力部門的調查結果表明:在因電能質量引起的用戶投訴中，在工業化國家，電壓暫降已上升為最重要的電能質量問題之一，目前已受到廣泛關注，電壓暫降分析與評估、抑制措施成為研究的熱點［3］。

2 電壓暫降的產生原因與危害

電壓暫降是由電力系統中某處電流突然增大造成的，其產生的原因涉及到電力系統和用戶兩方面，既可能源于系統故障，也有可能由用戶負荷運行而產生。電壓暫降的故障原因非常復雜，有自然因素，也有人為因素，有供電部門系統保護的因素，也有設備原因和誤操作等因素，而典型的電壓暫降與系統故障及非正常電流上升的發生密切相關，如短路、雷擊、開關操作、感應電機啟動、變壓器及電容器組的投切等都會引起電壓暫降［4］。

調查和分析顯示，電力系統短路故障是引起電壓暫降的主要原因，其中輸配電系統單相接地短路故障是產生電壓暫降最主要因素。目前，輸電線短路故障引起的電壓暫降，已引起國內外學者專家的廣泛關注。對于配電系統而言，線路主保護一般是分段式電流保護，該保護的最大缺陷就是在線路故障時不能做到無延時地切除故障。即使是無延時保護，其固有動作時間也要6～9個周期。這樣就會造成故障線路母線及其附近區域的電壓降低。如果故障線路或其附近線路上接有敏感負荷，則在故障期間，線路上的敏感負荷將跳閘以至被迫退出工作。如果配電線路上再裝有重合閘裝置，由此引發的電壓暫降次數將成倍增加。配電系統故障引發的電壓跌落的幅值大部分都在30%額定值以下［5］。

從總體上看，電壓暫降帶來的損失是巨大的，其危害性主要表現在以下三個方面:第一、影響用電負荷的正常運行，造成巨大經濟損失;第二、系統故障或大電機啟動導致的電壓暫降較嚴重時將引起敏感負荷群的欠壓或失壓脫扣繼電器動作，造成大面積負荷損失，由此引起的負荷沖擊會對電力系統的正常運行產生干擾，并且在故障切除后系統出現的有功不平衡也容易引發頻率問題;第三，某些關鍵的用電負荷，如大型醫院、銀行、數據中心等往往是敏感負荷較為集中的區域，由電壓暫降導致的設備停運有可能帶來人員受傷、設備損壞等。

3 解決方案

從不同技術路線考慮，可以將電壓暫降的解決方案歸納為以下三類:

第一類為改善敏感設備自身性能。該方案主要采取提高用電設備的抗擾能力實現。終端用戶在設備訂貨合同上應向設備制造商明確提出技術要求，使所購設備具備一定的抗電壓暫降能力，也可以通過分析，調整電子裝置內部某些環節參數來解決，如果電壓暫降是由于用戶大電動機啟動引起的，則應改進啟動方式 (如由全壓啟動改為降壓啟動，由硬啟動改為軟啟動)或增加公共連接點的短路容量來解決［9］。

第二類為基于優化供電系統配置的解決方案:主要包括減少公用電網故障次數;通過在敏感負荷附近加設供電電源;采用母線分段或多設配電站的方法來限制同一回供電母線上的饋線數或在系統的關鍵位置安裝限流線圈，以增加與故障點間的電氣距離等改變供電方式;采用固態轉換開關SSTS縮短故障清除時間［1］;加裝失壓脫扣裝置等。

第三類是在系統側或負荷側加裝電壓補償設備。通常，主要可采取安裝不間斷電源 (UPS)、串聯型動態電壓恢復器 (DVR)或STATCOM裝置實現。

對上述各種方案的比較可知，采用固態轉換開關縮短故障清除時間、加裝UPS、安裝串聯型動態電壓恢復器DVR和安裝STATCOM裝置是電壓暫降治理效果較好的四種方案。隨著系統中敏感用戶的增多，多用戶同時補償技術存在多個補償器相互配合、相互影響的問題，在考慮配電網電壓暫降綜合治理方案時，采用從用戶側補償的電壓暫降抑制方案會大幅增加總投資和總損耗。考慮到大部分電壓暫降由系統故障引起，故從電壓暫降擾動源側 (系統側)統一解決更加有利于提高配網暫態電壓質量的整體水平。下面主要介紹系統側基于TATCOM的配電網電壓暫降抑制方案的原理及系統組成等。

4 方案分析

4.1 工作原理

基于STATCOM的配電網電壓暫降抑制方案主要由并聯接入系統公共連接點的STATCOM、升壓變壓器、限流電抗器、旁路開關組成。相對于串聯型電壓恢復器DVR方案而言，該系統可被認為是一種并聯型動態電壓恢復器 (也稱為PQIVR)，通過快速、精確地注入動態補償電流以抵消電壓跌落部分從而實現電壓暫降的抑制效果。

下面針對電壓暫降發生前后，對該方案工作原理進行分析。圖1為簡化后的配電網等效電路。其中，為配電網等效電壓，為敏感性負荷接入系統公共點 (PCC)處電壓，為負荷電流，Zs為配電網等效阻抗，Ψ為系統阻抗角，ZL為敏感性負荷等效阻抗，φ為負荷阻抗角。

圖1 敏感性負荷供電系統等效電路

在電壓暫降發生前，存在如下關系:

當系統出現短路故障時，電壓暫降發生，假設此時配網等效電壓降低為，PCC點電壓降為，負荷電流變為，則有:

敏感負荷接入點處電壓暫降分量為:

考慮加裝并聯型動態電壓恢復器抑制電壓暫降，提高PCC點處電壓，則配電系統等效電路如圖2，補償后，PCC點處電壓為

圖2 加裝并聯型動態電壓恢復器后的供電系統等效電路

此時，PCC點處的電壓為:

故安裝并聯型電壓恢復器后，電壓暫降分量變為:

由 (6)、(7)式可知，當安裝并聯型動態電壓恢復器后，負荷側電壓增大，電壓暫降分量減小，電壓暫降影響得到抑制，圖3為各變量的向量關系圖。

圖3 各變量的向量關系

同時，由式 (5)可知，為增強電壓暫降抑制效果，可以通過增大STATCOM補償容量，并安裝串聯限流電抗器實現。式中，為STATCOM向系統注入的無功電流，表征補償容量，反映安裝串聯電抗器后的負荷電流，當限流電抗器串聯入系統后，負荷電流減小，電壓暫降抑制作用增強。

4.2 系統組成與工作過程

圖4為并聯型動態電壓恢復器的典型接線圖。系統主要由電壓恢復器、升壓變壓器、限流電抗器、免維護旁通開關組成。動態電壓恢復器 (即STATCOM)通過升壓變壓器連接至配電網;免維護旁通開關為靜態轉換開關，其開斷時間在1/4～1/2周波以內，當電壓正常時，其處于常閉狀態;限流電抗器僅當發生電壓暫降時接入系統。

并聯型動態電壓恢復器的主要作用是作為電壓支撐設備保護敏感用電負荷免受電壓暫降的影響，其基本工作過程為:當系統檢測到受保護的供電母線發生電壓暫降時，動態電壓恢復器立即向系統注入補償電流，隨后免維護旁通開關斷開，限流電抗器接入供電系統，動態電壓恢復器向受保護供電母線注入的補償電流由限流電抗器流向系統，且在系統等效阻抗上產生一個電壓分量，從而提高敏感負荷供電母線的電壓;當受保護的供電母線的電壓恢復至正常范圍內時，免維護旁通開關恢復閉合狀態，限流電抗器被旁路，動態電壓恢復器向系統注入的補償電流降至0。

圖4 并聯型動態電壓恢復器典型接線圖

限流電抗器的作用是增大系統等效阻抗，降低負荷母線處短路容量，從而增大動態電壓恢復器對電壓暫降的補償作用。當負荷側母線電壓需要達到較高的電壓提升時，往往通過在供電饋線中安裝限流電抗器實現，從而無需增加動態電壓恢復器的額定容量，因此，限流電抗器有利于節省項目投資。在實際應用中，可根據預期的電壓恢復程度及所接入系統的強弱，決定是否安裝設限流電抗器。

動態電壓恢復器能夠在數毫秒內檢測到電壓變化情況，并及時響應電壓暫降事件，且能夠對敏感負荷母線電壓提供高達60%額定電壓范圍的電壓提升能力。由于動態電壓恢復器能實現雙向補償，因此它也能夠在電壓暫升時，發揮60%額定電壓范圍的電壓調節能力將電壓降低至正常水平［10］。

此外，動態電壓恢復器的直流側還可配置超導儲能裝置，以發揮更大的電壓補償能力。

與串聯型補償系統不同的是，動態電壓恢復器的電壓暫降恢復能力不受負荷的影響。當敏感負荷容量增大時，該解決方案仍具有較好的抑制效果。

5 結束語

綜上所述，有效抑制電壓暫降不僅是提高供電質量的重要內容，也有利于保障電力系統的安全經濟運行。基于STATCOM的并聯型動態電壓恢復器是抑制電壓暫降的最有效方案之一。實際運行經驗表明，基于STATCOM的電壓暫降抑制方案能夠有效保障瞬時電壓暫降發生時電壓敏感負荷的正常工作，從而避免重大損失。

［1］IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment［J］ .IEEE Std.1346，1998.

［2］肖湘寧.電能質量分析與控制 ［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］肖遙，李澎森.供電系統的電壓下凹.電網技術［J］.2001，25(1):73－77.

［4］劉悅，李勇，劉金陵.電能質量電壓暫降問題及應對方案.山東冶金［J］.2008，30(5):51－53.

［5］艾芊.電能質量講座第十二講 淺談電壓跌落.低壓電器［J］ .2007，(24):58－63.