应用STATCOM抑制配电网的电压暂降

2014-06-23袁愿

云南电力技术 2014年1期

袁愿

(厦门红相电力设备股份有限公司，厦门 361001)

1 前言

电压暂降是指供电系统中工频电压有效值突然下降至额定值的10% ～90%［1］，持续时间在0.5周波到1分钟之间的电磁扰动。在诸多电能质量问题中，电压暂降首当其冲［2］，已成为一种突出的电能质量问题。随着现代电力工业的快速发展和系统中用电负荷结构、性质的重大变化，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、自动生产线以及计算机系统等电压敏感设备的大量使用，暂态电能质量问题引发的事故越来越多，欧洲某电力部门的调查结果表明:在因电能质量引起的用户投诉中，在工业化国家，电压暂降已上升为最重要的电能质量问题之一，目前已受到广泛关注，电压暂降分析与评估、抑制措施成为研究的热点［3］。

2 电压暂降的产生原因与危害

电压暂降是由电力系统中某处电流突然增大造成的，其产生的原因涉及到电力系统和用户两方面，既可能源于系统故障，也有可能由用户负荷运行而产生。电压暂降的故障原因非常复杂，有自然因素，也有人为因素，有供电部门系统保护的因素，也有设备原因和误操作等因素，而典型的电压暂降与系统故障及非正常电流上升的发生密切相关，如短路、雷击、开关操作、感应电机启动、变压器及电容器组的投切等都会引起电压暂降［4］。

调查和分析显示，电力系统短路故障是引起电压暂降的主要原因，其中输配电系统单相接地短路故障是产生电压暂降最主要因素。目前，输电线短路故障引起的电压暂降，已引起国内外学者专家的广泛关注。对于配电系统而言，线路主保护一般是分段式电流保护，该保护的最大缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护，其固有动作时间也要6～9个周期。这样就会造成故障线路母线及其附近区域的电压降低。如果故障线路或其附近线路上接有敏感负荷，则在故障期间，线路上的敏感负荷将跳闸以至被迫退出工作。如果配电线路上再装有重合闸装置，由此引发的电压暂降次数将成倍增加。配电系统故障引发的电压跌落的幅值大部分都在30%额定值以下［5］。

从总体上看，电压暂降带来的损失是巨大的，其危害性主要表现在以下三个方面:第一、影响用电负荷的正常运行，造成巨大经济损失;第二、系统故障或大电机启动导致的电压暂降较严重时将引起敏感负荷群的欠压或失压脱扣继电器动作，造成大面积负荷损失，由此引起的负荷冲击会对电力系统的正常运行产生干扰，并且在故障切除后系统出现的有功不平衡也容易引发频率问题;第三，某些关键的用电负荷，如大型医院、银行、数据中心等往往是敏感负荷较为集中的区域，由电压暂降导致的设备停运有可能带来人员受伤、设备损坏等。

3 解决方案

从不同技术路线考虑，可以将电压暂降的解决方案归纳为以下三类:

第一类为改善敏感设备自身性能。该方案主要采取提高用电设备的抗扰能力实现。终端用户在设备订货合同上应向设备制造商明确提出技术要求，使所购设备具备一定的抗电压暂降能力，也可以通过分析，调整电子装置内部某些环节参数来解决，如果电压暂降是由于用户大电动机启动引起的，则应改进启动方式 (如由全压启动改为降压启动，由硬启动改为软启动)或增加公共连接点的短路容量来解决［9］。

第二类为基于优化供电系统配置的解决方案:主要包括减少公用电网故障次数;通过在敏感负荷附近加设供电电源;采用母线分段或多设配电站的方法来限制同一回供电母线上的馈线数或在系统的关键位置安装限流线圈，以增加与故障点间的电气距离等改变供电方式;采用固态转换开关SSTS缩短故障清除时间［1］;加装失压脱扣装置等。

第三类是在系统侧或负荷侧加装电压补偿设备。通常，主要可采取安装不间断电源 (UPS)、串联型动态电压恢复器 (DVR)或STATCOM装置实现。

对上述各种方案的比较可知，采用固态转换开关缩短故障清除时间、加装UPS、安装串联型动态电压恢复器DVR和安装STATCOM装置是电压暂降治理效果较好的四种方案。随着系统中敏感用户的增多，多用户同时补偿技术存在多个补偿器相互配合、相互影响的问题，在考虑配电网电压暂降综合治理方案时，采用从用户侧补偿的电压暂降抑制方案会大幅增加总投资和总损耗。考虑到大部分电压暂降由系统故障引起，故从电压暂降扰动源侧 (系统侧)统一解决更加有利于提高配网暂态电压质量的整体水平。下面主要介绍系统侧基于TATCOM的配电网电压暂降抑制方案的原理及系统组成等。

4 方案分析

4.1 工作原理

基于STATCOM的配电网电压暂降抑制方案主要由并联接入系统公共连接点的STATCOM、升压变压器、限流电抗器、旁路开关组成。相对于串联型电压恢复器DVR方案而言，该系统可被认为是一种并联型动态电压恢复器 (也称为PQIVR)，通过快速、精确地注入动态补偿电流以抵消电压跌落部分从而实现电压暂降的抑制效果。

下面针对电压暂降发生前后，对该方案工作原理进行分析。图1为简化后的配电网等效电路。其中，为配电网等效电压，为敏感性负荷接入系统公共点 (PCC)处电压，为负荷电流，Zs为配电网等效阻抗，Ψ为系统阻抗角，ZL为敏感性负荷等效阻抗，φ为负荷阻抗角。

图1 敏感性负荷供电系统等效电路

在电压暂降发生前，存在如下关系:

当系统出现短路故障时，电压暂降发生，假设此时配网等效电压降低为，PCC点电压降为，负荷电流变为，则有:

敏感负荷接入点处电压暂降分量为:

考虑加装并联型动态电压恢复器抑制电压暂降，提高PCC点处电压，则配电系统等效电路如图2，补偿后，PCC点处电压为

图2 加装并联型动态电压恢复器后的供电系统等效电路

此时，PCC点处的电压为:

故安装并联型电压恢复器后，电压暂降分量变为:

由 (6)、(7)式可知，当安装并联型动态电压恢复器后，负荷侧电压增大，电压暂降分量减小，电压暂降影响得到抑制，图3为各变量的向量关系图。

图3 各变量的向量关系

同时，由式 (5)可知，为增强电压暂降抑制效果，可以通过增大STATCOM补偿容量，并安装串联限流电抗器实现。式中，为STATCOM向系统注入的无功电流，表征补偿容量，反映安装串联电抗器后的负荷电流，当限流电抗器串联入系统后，负荷电流减小，电压暂降抑制作用增强。

4.2 系统组成与工作过程

图4为并联型动态电压恢复器的典型接线图。系统主要由电压恢复器、升压变压器、限流电抗器、免维护旁通开关组成。动态电压恢复器 (即STATCOM)通过升压变压器连接至配电网;免维护旁通开关为静态转换开关，其开断时间在1/4～1/2周波以内，当电压正常时，其处于常闭状态;限流电抗器仅当发生电压暂降时接入系统。

并联型动态电压恢复器的主要作用是作为电压支撑设备保护敏感用电负荷免受电压暂降的影响，其基本工作过程为:当系统检测到受保护的供电母线发生电压暂降时，动态电压恢复器立即向系统注入补偿电流，随后免维护旁通开关断开，限流电抗器接入供电系统，动态电压恢复器向受保护供电母线注入的补偿电流由限流电抗器流向系统，且在系统等效阻抗上产生一个电压分量，从而提高敏感负荷供电母线的电压;当受保护的供电母线的电压恢复至正常范围内时，免维护旁通开关恢复闭合状态，限流电抗器被旁路，动态电压恢复器向系统注入的补偿电流降至0。

图4 并联型动态电压恢复器典型接线图

限流电抗器的作用是增大系统等效阻抗，降低负荷母线处短路容量，从而增大动态电压恢复器对电压暂降的补偿作用。当负荷侧母线电压需要达到较高的电压提升时，往往通过在供电馈线中安装限流电抗器实现，从而无需增加动态电压恢复器的额定容量，因此，限流电抗器有利于节省项目投资。在实际应用中，可根据预期的电压恢复程度及所接入系统的强弱，决定是否安装设限流电抗器。

动态电压恢复器能够在数毫秒内检测到电压变化情况，并及时响应电压暂降事件，且能够对敏感负荷母线电压提供高达60%额定电压范围的电压提升能力。由于动态电压恢复器能实现双向补偿，因此它也能够在电压暂升时，发挥60%额定电压范围的电压调节能力将电压降低至正常水平［10］。

此外，动态电压恢复器的直流侧还可配置超导储能装置，以发挥更大的电压补偿能力。

与串联型补偿系统不同的是，动态电压恢复器的电压暂降恢复能力不受负荷的影响。当敏感负荷容量增大时，该解决方案仍具有较好的抑制效果。