電力五防：無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

南方電網(wǎng)臨滄供電局 曹麗娟 李廷婷

電力系統(tǒng)的安全問(wèn)題不僅只是相關(guān)電力部門(mén)、電網(wǎng)公司的電力安全問(wèn)題，所有企業(yè)的用電安全問(wèn)題也與之息息相關(guān)。“電力五防”從用戶的的五個(gè)角度提出用電安全相關(guān)建議：防止誤分、合斷路器；防止在帶電負(fù)荷的情況下對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分、合操作；防止在帶負(fù)荷的情況下對(duì)接地開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閉、對(duì)接地線進(jìn)行掛接；防止帶地線送電；防止誤入帶電間隔。相關(guān)學(xué)者針對(duì)這五個(gè)方面從開(kāi)關(guān)的智能化控制、用電網(wǎng)電流/電壓監(jiān)控、用電設(shè)備負(fù)反饋等方面提出了相關(guān)措施，最大程度地降低了人為誤操作做成的電力事故[1]。但這五個(gè)方面是在電力系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的，僅適用于用戶層面的防護(hù)。而事實(shí)上電力系統(tǒng)的安全防護(hù)問(wèn)題首先應(yīng)保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大程度地減少由于負(fù)荷啟停、增減等造成的電網(wǎng)波動(dòng)。

1 STATCOM 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

1.1 發(fā)展歷程

無(wú)功補(bǔ)償是電力運(yùn)行中常見(jiàn)的技術(shù)操作，能有效避免電壓大幅波動(dòng)情況發(fā)生，同時(shí)可避免能量浪費(fèi)、優(yōu)化運(yùn)行投入，確保電力負(fù)荷的供應(yīng)。全球范圍內(nèi)有關(guān)STATCOM 的研究和應(yīng)用，是自1980年日本關(guān)西電力公司和三菱公司共同研制出容量為20MVar、主電路采用自換相電壓型逆變器的STATCOM 以來(lái)才得到巨大的進(jìn)步和發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研發(fā)了容量大小不一的STATCOM設(shè)備，并在電力輸送中開(kāi)始大面積推廣應(yīng)用。

世界上已投運(yùn)的部分STATCOM 裝置研制單位、投運(yùn)國(guó)家、容量（MVar）、投運(yùn)時(shí)間（年）分別為：ABB，德國(guó)，±19，2000；ABB，美國(guó)，±36×2，2000；ABB，芬蘭，±82，2000；EPRI、紐約電力，美國(guó)，±200，2001；三菱，美國(guó)，±43×2，2002；西門(mén)子、韓國(guó)電力研究院，韓國(guó)，±80，2002；三菱，日本，±20，2003；三菱、美國(guó)圣迭戈電氣，美國(guó)，±100，2003；阿爾斯通，美國(guó)，±150，2003。ABB，美國(guó)，±100，2004[2]。

我國(guó)STATGOM 的發(fā)展歷程可追溯到1994～1999年，期間清華大學(xué)和河南電力公司聯(lián)手合作共同攻關(guān)STATCOM（容量為20MVar）相關(guān)技術(shù)并研發(fā)制造出相應(yīng)裝置，1999年在河南省洛陽(yáng)市的朝陽(yáng)變電站進(jìn)行項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，成為世界上第四個(gè)掌握該領(lǐng)域技術(shù)并能夠應(yīng)用的國(guó)家。此后清華大學(xué)又聯(lián)合許繼集團(tuán)和上海電力公司開(kāi)展了大容量（50MVar）、IGCT 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)STATCOM 的相關(guān)技術(shù)攻關(guān)研究，并于2006年研發(fā)出了相應(yīng)的裝置。同年基于IGBT 的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)DSTATCOM 也由武漢大學(xué)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成功研制，并在6～10kV 電壓等級(jí)的用戶網(wǎng)中投入運(yùn)行。浙江大學(xué)牽頭和廣州智光電氣股份有限公司一起對(duì)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)DSTATCOM裝置進(jìn)行改進(jìn)研究，主攻客戶端無(wú)功和諧波帶來(lái)的技術(shù)難題，研發(fā)出能補(bǔ)償、抑制低次諧波的6kV/3MVar 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的裝置。

目前DSTATCOM 裝置不僅只具備提升功率、進(jìn)行單一無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰ΓF(xiàn)已能對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合治理，主要采用三相不平衡補(bǔ)償、電壓閃變抑制以及諧波補(bǔ)償技術(shù)。在STATCOM 技術(shù)的發(fā)展歷程中，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者都奉獻(xiàn)了力量，其中貢獻(xiàn)最大、最有名的當(dāng)屬羅安院士和劉文華教授等學(xué)者[3]。

1.2 STATCOM 分類

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同可分為兩類。前期學(xué)者們研究的STATCOM 裝置主要用于補(bǔ)償電力輸送系統(tǒng)，現(xiàn)在研究的DSTATCOM 裝置已能夠用于補(bǔ)償配電網(wǎng)。根據(jù)系統(tǒng)供電的電源不同可將STATCOM裝置分為兩類：?jiǎn)蜗嘌b置和三相裝置。前者用的是單相交流電電源，受到固有特性的影響，一般在成本不高、功率不大的場(chǎng)合下進(jìn)行運(yùn)用。后者用的是三相交流電電源，根據(jù)供電接法不同又將結(jié)構(gòu)劃分為三相四線制（星形接法）和三相三線制（三角形接法），采用星形接法的裝置根據(jù)中線的引出方式差異又可將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為四橋臂和分裂式電容兩類。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同可將STATCOM 裝置分為兩類：電流型裝置和電壓型裝置。兩者的差異主要表現(xiàn)在三方面：電壓型裝置的直流側(cè)儲(chǔ)能設(shè)備采用的是容量較大的電容，具有支撐電壓功能，具有阻抗較低的電流回路。電流型裝置的直流側(cè)儲(chǔ)能設(shè)備采用的是較大的電感，具有確保電流不發(fā)生突然變化的功能，具有阻抗較高的直流回路，可有效防止因多個(gè)開(kāi)關(guān)元件一起導(dǎo)通而產(chǎn)生短路的現(xiàn)象發(fā)生，由于電感元件內(nèi)阻的存而造成了大量的不必要損耗，使得整個(gè)設(shè)備效率明顯減小，且電感元件價(jià)格偏高；電壓型裝置和電流型裝置在交流側(cè)輸出的信號(hào)都為頻率較高的脈沖信號(hào)，前者是電壓信號(hào)，需利用電感元件進(jìn)行處理得到所需的電流。后者是電流信號(hào)，需利用電容元件進(jìn)行處理得到所需的電流；在直流側(cè)電壓型裝置采用電壓控制方式，保證儲(chǔ)能設(shè)備兩端電壓不發(fā)生變化。電流型裝置采用電流控制方式，保證經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備的電流不發(fā)變化。

根據(jù)輸出的電平數(shù)不同可將STATCOM 裝置分為三類：多電平裝置、三電平裝置和兩電平裝置。經(jīng)對(duì)比分析可知，在開(kāi)關(guān)的頻率和控制條件相同情況下，輸出的電平數(shù)越少則電流諧波相對(duì)越高，功率開(kāi)關(guān)要承受的電壓峰值越大。因此，在要求苛刻、電壓較高且功率較大的情況下一般使用多電平裝置。

1.3 STATCOM 關(guān)鍵技術(shù)

控制技術(shù)。STATCOM 在電力輸配送中的運(yùn)用主要有兩方面功能：提供無(wú)功補(bǔ)償；穩(wěn)定電壓、改善調(diào)節(jié)性能、提高輸送容量和功率因數(shù)、避免畸變電流擴(kuò)散。當(dāng)需要保持電壓穩(wěn)定時(shí)，STATCOM 裝置會(huì)在PCC 處吸收注入一定量的補(bǔ)償電流來(lái)確保電壓幅值不發(fā)生變化，所采用的策略影響著其對(duì)電壓控制的能力。當(dāng)提供無(wú)功補(bǔ)時(shí)電流控制很重要，能控制無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇笮『托再|(zhì)。這里所說(shuō)的電流控制包括對(duì)有功電流的控制，即對(duì)總電流的控制，根據(jù)電流特性分為直流和間接兩種電流控制。

在間接電流控制情況下可把STATCOM 裝置看做可控制的電壓源，利用輸出電壓大小的控制以及與電網(wǎng)電壓的相位差異來(lái)控制無(wú)功電流的大小，從而滿足動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊螅话銘?yīng)用到容量較大的STATCOM 裝置上來(lái)解決電流不容易控制的問(wèn)題，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生較多的諧波，需采用多電平技術(shù)或是多重化技術(shù)來(lái)降低諧波的產(chǎn)生。現(xiàn)在經(jīng)常使用的間接電流控制方法有：控制裝置的電壓（交流側(cè)）與電網(wǎng)電壓間的夾角來(lái)滿足電流控制的要求，此方法結(jié)構(gòu)和操作都比較簡(jiǎn)單，但動(dòng)態(tài)性能較差，對(duì)裝置直流和交流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)依賴性較大；利用電壓（交流側(cè)）與電網(wǎng)電壓間的夾角和功率器件導(dǎo)通角的協(xié)作控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電流控制要求，此方法優(yōu)點(diǎn)是具有很高的調(diào)節(jié)精度，缺點(diǎn)是具有復(fù)雜的調(diào)節(jié)過(guò)程，易受影響。

在直接電流控制的情況下可把STATCOM 裝置看做可控制的電流源，利用PWM 控制技術(shù)來(lái)對(duì)裝置輸出的電流信號(hào)進(jìn)行跟蹤、調(diào)節(jié)、控制，具有比較快的響應(yīng)速度和比較高的控制精度，不易受到影響，一般適用到容量較小的STATCOM 裝置。根據(jù)電流跟蹤的方式可將直接電流控制歸為三角波比較與滯環(huán)比較兩種。

滯環(huán)比較是指把指令電流信號(hào)和裝置的輸出電流信號(hào)間的差值輸入到滯環(huán)比較器（2H 的寬度）里進(jìn)行比較，差值比上限H 大時(shí)產(chǎn)生脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)并輸出，增加輸出電流的大小；相反，如差值比下幅值-H 小時(shí)輸出控制信號(hào)從而減小輸出電流的大小。滯環(huán)比較器的寬度設(shè)置直接影響著電流控制，寬度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)存在精度、可使用壽命有影響，缺點(diǎn)十分明顯，改善的代價(jià)較高，因此現(xiàn)場(chǎng)推廣使用比較難。

三角波比較是指在一定的載波頻率下利用跟蹤電流的誤差調(diào)節(jié)控制信號(hào)來(lái)當(dāng)做調(diào)制波的辦法，是開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)固定的方法，把電流信號(hào)和裝置的輸出電流信號(hào)的差值輸入到電流調(diào)節(jié)器中，使其產(chǎn)生電壓信號(hào)，并與三角載波比較從而得出脈沖信號(hào)用于開(kāi)關(guān)，達(dá)到電流控制的目的。其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操作容易，但缺點(diǎn)也很突出，響應(yīng)比較慢，控制偏差不確定等。

2 結(jié)語(yǔ)

電力五防一直都是各個(gè)用戶企業(yè)關(guān)心的主要問(wèn)題，它從人員的日常用電規(guī)范入手，從五個(gè)用電角度闡述了保障用電安全的相關(guān)內(nèi)容。但由于負(fù)荷等的變化引起的電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題也是導(dǎo)致區(qū)域用電風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素，因此如何保障電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，最大程度地減少電網(wǎng)波動(dòng)應(yīng)該納入到用電安全中。