STATCOM无功补偿技术在10kV配电网中的应用分析

/广西电网公司梧州供电局 苏志全 伍小兵/

技术交流

STATCOM无功补偿技术在10kV配电网中的应用分析

/广西电网公司梧州供电局 苏志全 伍小兵/

针对STATCOM的原理结构特点，依据瞬时无功功率理论分析了其无功电流检测原理以及电压的控制策略，它将三相对称的交流量变为两相直流量分别进行控制，实现直流侧电压均衡控制，达到了无功补偿的目的。10kV配电网负荷的变化幅度大，电压质量问题严重，将STATCOM无功补偿技术应用到10kv配电网中，补偿效果明显，并指出了静止同步补偿器技术在未来城市配电网的发展趋势。

静止同步补偿器 无功补偿 配电网 电压调节

0 引言

在城市工业生产和日常生活用电负载中，自动化水平愈来愈完善，电力客户对电能质量的可靠性要求越来越高[1]。当前，电力系统的无功补偿存在不足，无功负荷不仅增加了各种损耗，更严重影响了用户的电能质量。配电端负荷，特别是冲击性、非线性负荷容量的急剧增加，造成系统的电压波动和谐波畸变等一系列问题，与其相关的电气设备正常运转也会造成危害。系统中存在的无功电流，降低了供用电系统及负载的功率因数，增大了功率损耗，增加了设备容量。因此，无功补偿在电力系统中就显得越来越重要[1-2]。

常用的无功补偿措施有同步调相机，并联电容器，并联电抗器，静止无功补偿器（简称SVC）和静止同步补偿器（简称STATCOM）[2]。STATCOM是由逆变器构成的静止同步无功补偿装置，能够发出无功功率或者吸收无功功率，其结构简单，输出无功电流不会因为母线电压的降低而降低。

1 STATCOM的结构特点及工作原理

STATCOM不仅可以用于输电系统中，也可用于配电系统中，与传统的无功补偿装置相比，具有响应速度快、谐波含量少、占地面积小、输出特性更为理想等优点[3]。不仅能吸收无功也能提供无功，使母线电压维持在稳定范围内，必要时还可滤除负荷产生的谐波。因此在提高电能质量、维持系统稳定性和无功补偿方面，STATCOM具有无可比拟的优越性。

STATCOM的主电路一般分为电流型和电压型两种桥式电路，直流侧采用电感和电容两个不同的储能元件。系统主体电路结构大致如图1所示，无功补偿装置分为主电路和控制电路两大部分，主电路包括电压源逆变器，直流储能电容和连接变压器或电抗器部分组成[3]。控制电路包括过零点检测电路，信号调理电路，保护电路等。

图1 STATCOM总体电路结构图

图2为STATCOM的单相等效电路图，考虑理想的情况下时可以将电抗器视为纯电感、即R=0，逆变器此时不必从电网吸收有功功率，与同相，这时只改变幅值的大小即可分析判断出STATCOM从配网中吸收的电流是超前还是滞后90℃，同时该电流的大小也能得到控制。电压的工作向量图如图3所示。在非理想情况下，控制STATCOM输出端电压，即可控制输出无功电流的大小和方向，从而实现无功补偿。

图2 STATCOM单相等效电路图

2 STATCOM的控制策略

2.1 瞬时无功功率理论

图3 STATCOM向量图

在电力系统中电压或电流中必定含有谐波或含有不对称分量时产生的功率，这一现象较为复杂，对于传统功率理论难以正确求解。赤木泰文（Akagi）等提出将三相瞬时电流分解为有功电流和无功电流的算法，此算法由Fortes-cue、Park、Clarke变换进化而来，该算法将三相电路中的各相电压和电流瞬时值ua(n)、ub(n)、uc(n)以及ia(n)、ib(n)、ic(n)变换到两相正交的坐标系上研究，即：

α、β平面上的瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分解为瞬时空间电流矢量i在瞬时空间电压矢量u及其法线的投影：

定义三相电路瞬时有功功率、瞬时无功功率：

瞬时无功功率理论认为：任一时刻三相电路瞬时有功功率为各相瞬有功功率之和，即各相瞬时功率之和，它反映了三相电路由电源向负载传递的一个整体功率；瞬时无功功率仅在三相电路之间来回传递，各相瞬时无功率之和恒等于零[4]。

2.2 无功电流检测

无功检测算法的结构框图如图4所示。采用三角形连接，采集电路采集到的三相负载电流ila、ilb和ilc折算成线电流ilab、ilbc、ilca能计算成指令电流。折算后电流做dq变换，对q轴低通滤波，即可得到。

图4 无功电流检测算法结构框图

其中，电流折算的变换公式为：

abc三相坐标到dq坐标的变换矩阵如下：

以上的算法只含基波正序分量，三相负载不对称时，三相负载电流就失去平衡，此时采用对称分量法分解三相不平衡电流，可得到：

因此为了维持三相负载的平衡，对负载电流中的零序分量与负序分量必须加以补偿。

2.3 平稳的电压控制

在配电网中，负荷的千变万化导致无功电流随大随小，而无功功率决定了两个节点之间电压的幅度差值，因此一旦无功电流过大，系统产生过大的电压损耗便不能及时的补偿无功，这样在负荷处变会出现欠压的现象。为了保证串联多电平电能质量控制器有良好的补偿电流跟随性能，须对逆变器侧的电容电压控制在一个适当稳定的值。电压的控制可以分为两层，第一层控制总的有功电流，第二层控制直流侧各电容电压均衡控制[5-6]。

图5 总的有功电流控制

直流侧电容电压均衡控制如图6所示。其工作原理为：A相的第一个H桥单相单元模块直流侧电压和直流侧电压的平均值uave做为一个差值，此差再与有功电流的符合函数做一个乘值，比例积分调节器PI调整该值后，结果输出值作为A相第一个H桥单相电路模块电压偏差指 令。照此类推可以求出A相其余H桥单元模块电压偏差指令， ，再将A相PWM信号调制波与A相第一个H桥单元模块电压偏差指令相乘，作为该模块PWM调制波Va的微调指令，照此类推得出A相其余H桥单相电路模块PWM调制波的微调指令，，… ，实现直流侧电压均衡控制。其余两项与此类似。

图6 直流侧电容电压均衡控制

3 STATCOM在10kV配电系统的应用

10kV电压配电系统是直接与负荷端相连，特别是城市配电网负荷中电力电子设备等家用电器的大量使用，使得系统呈现感性，需要消耗大量的无功功率，配网系统所产生的无功传送至负荷端，加大了输电线路所传输的电流，进而也加大了有功损耗，电压损失加重。因此对其进行无功补偿是最为有效的途径，提高了配电网电压的稳定性，避免有功损耗和减少电压损失。

依据前文所叙的静止同步补偿器——STATCOM对无功电流的检测与电压控制的特点，分析出STATCOM应用于10kV的低电压配电系统中的功能效果，其主要功能体现在以下方面：

（1）提高城市10kV配电网的可靠性与稳定性。STATCOM是可控电流源。可以灵活控制对用户的电能输送，只补偿基波无功电流，与SVC等补偿设备相比造成设备损坏小，具有更高的可靠性，对于系统而言，特别是电压稳定性稳定性大大提高。

（2）提高供电企业经济效益。STATCOM能提高功率因数，减少配网电能输送损耗。降低线损、节能降耗一直是供电企业中的关键考核指标，其有效地进行无功补偿从而提高功率因数，在提高供电企业效益的同时降低了用户的用电费用。

（3）提高电能质量。STATCOM可跟随负载变化，动态连续补偿功率因数。动态连续平滑补偿，更高的响应速度，使对电压闪变的补偿效果更好，可以发无功，也可吸收无功，彻底杜绝了无功倒送的情况。抑制三相不平衡、电压波动、闪变等问题。

4 结束语

论述了电网无功补偿的重要性，分析介绍了静止同步补偿器STATCOM原理结构及工作特点，依据瞬时无功功率理论分析了其无功电流检测以及对电压的控制策略。结合10kV配电网的电压波动特点和无功补偿形势，分析得出了STATCOM无功补偿技术在10kV配电网中的应用优势。与传统的无功补偿设备相比，STATCOM具有响应速度更快、稳定性更高、控制精度更准、经济性能更优、调节范围更广的多重优点。随着城市建设步伐的加快、家用电子设备的广泛使用，STATCOM的无功补偿技术必将成为未来改善城市配电网电能质量的主要方式。

[1] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社,2005.

[2] 苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M].北京：中国电力出版社,2003.

[3] 沈斐,王娅岚,刘文华,等.大容量STATCOM 主电路结构的比较和分析[J].电力系统自动化,2003,27(8).

[4] 涂春鸣,李慧,唐杰.基于直接电流控制的D-STATCOM 装置研制[J].高电压技术,2008,34(6)：58-62.

[5] 朱永强,刘文华,宋强,等.D-STATCOM不平衡负荷补偿电流的优化设计[J].电力系统自动化,2005,29(8)：65-69.

[6] 李建民,杨兆华,陈立定.低压STATCOM直接电流控制方法的研究[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2008,26(6)：23-26.