采用STATCOM抑制配网电压波动与闪变研究

袁 愿

（厦门红相电力设备股份有限公司，福建 厦门361001）

STATCOM作为新一代动态补偿装置，基于IGBT等全控型电力电子器件构建，在谐波抑制、响应速度、补偿能力方面更强，是性价比更优的电压波动与闪变问题的解决方案［1－7］。STATCOM 已开始逐步在我国各区域电网得到推广应用［8］，本文分析了STATCOM的工作机理和电压波动与闪变抑制方案基本原理，介绍和分析了STATCOM在昆明电网110kV变电站的实际工程应用效果。

1 基于STATCOM的电压波动与闪变抑制方案

1.1 STATCOM工作机理

STATCOM本质上是一种基于全控型功率器件的逆变器，可将其等效为电压幅值、相位和频率均可调节的三相正弦交流电源［2］。根据直流侧电压和输出电流特性的不同，STATCOM分为电流源型和电压源型两类。由于转换效率等原因，在学术研究和工程应用中，以电压源型STATCOM为主。STATCOM通过电抗器、耦合变压器或升压变压器并联接入电网，输出电压与系统电压的频率始终保持一致。通过调节STATCOM输出电压幅值大小来控制电抗器等中间连接器件的电压和方向，实现快速、双向、动态补偿。同时，采用不同主电路拓扑结构设计和控制策略优化方案，可有效降低自身谐波含量，几乎不向电网注入谐波［5，9］。作为电网的重要无功电源，STATCOM可用于改善系统暂态稳定性、防止电压崩溃、电能质量治理、实现新能源系统接入等。

1.2 电压波动与闪变抑制方案分析

电压波动是最典型的电能质量问题之一，波动性负荷在运行过程中频繁、剧烈地从系统取用电能导致冲击性无功功率变化是该问题产生的根源，而负荷特性、大小、公共接入点处短路容量、系统内可用的无功电源性质等等决定了电压波动的严重程度，波动幅值和变动频度则是其严重性的量化指标。STATCOM优良的无功功率跟随特性和精确的补偿输出是抑制电压波动的关键，响应速度、补偿容量、暂态响应时间、过载能力是决定电压波动抑制效果的主要因素。根据国标定义，闪变是反映电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生影响的指标，与电压波动频率和幅度有关，治理闪变的关键仍在于电压波动抑制。

根据文献［2］的研究结论，对STATCOM的电压波动与闪变抑制过程简要分析。

图1 为单机无穷大系统的简化模型。将STATCOM等效为一可控电流源。其中，E为系统等值电压，Z为系统等值阻抗，ψ为等值阻抗角，I为从系统流向公共连接点（PCC点）的电流；U为PCC点处母线电压，IC为STATCOM注入的无功电流；ZL为 冲 击 性 负 荷 等 值 阻 抗 ，φ为 负 荷 阻 抗 角 ，IL为冲击性负荷电流；SSC为系统短路容量，负荷容量为SL，PCC点额定电压UN，SC为STATCOM补偿容量。

当未投入STATCOM时，由冲击性负荷运行导致的PCC点电压波动

当STATCOM接入后，电压波动变为

为较好地分析STATCOM对电压波动的改善效果，假定STATCOM对负荷的跟随系数k，它表征STATCOM对负荷无功变化的快速响应能力，设定SC＝k·SLsinφ，并设定由Q表示波动抑制效果，则简化后有

由此可得到以下结论:电压波动与闪变程度由系统阻抗、短路容量、负荷大小及特性决定；抑制效果由STATCOM负荷跟随特性、系统阻抗、负荷特性决定，与短路容量、负荷大小等无直接关系，STATCOM的负荷响应能力越强，效果越好。STATCOM的负荷跟随系数为一综合动态参数，主要包括响应速度、容量配置、暂态过渡时间、过载系数等，并与装置无功－电压特性、主电路拓扑结构、控制策略、动静态补偿容量配比等均有关。

2 STATCOM在昆明电网110 kV二街变电站的应用

2.1 问题现状

昆明电网110kV二街变电站共计两台50 MVA三相三绕组有载调压变压器，三侧电压等级为110kV/35kV/10kV，其35kV侧主要为工业负荷供电，10kV母线为居民生活和商业用电。35 kV侧主供负荷为旭峰钢厂、浩坤化工厂。上述企业含有大量的非线性、冲击性负荷，如电弧炉、压球机等，已导致该站35kV、10kV侧均出现明显的电压波动、闪变及谐波污染。同时，还伴随着三相不平衡问题。站内已配备两组额定容量4Mvar自动投切式并联电容器，均安装于10kV母线侧，难以做到分区就地平衡，由于该站设计较早，站内可利用场地有限且工业负荷可能扩产，综合比较35kV母线加装电容器和直接装设STATCOM装置两种方案的投入产出效益，最终确定先期安装1套STATCOM通过35kVⅡ段母线并联接入系统，本期工程STATCOM额定容量4MVar，根据改善效果及负荷扩建情况决定后期扩容方案。

图2为现场调研阶段35kV两段母线的电压短时、长时闪变（Pst、Plt）一个月的测试数据对比，可知Ⅱ段母线电压波动更为恶劣，均超出国标限值。

2.2 STATCOM系统组成

35kVⅡ段母线电能质量问题更加突出，安装一定容量的动态补偿装置可更好验证其治理能力并为后期工程积累经验。本套STATCOM装置由逆变单元、升压变压器、主控制单元、人机操作系统组成，其逆变单元不同于常见的链式结构，采用低压大电流输出方式，由高功率密度IGBT模块构建，具有占地面积小、部署灵活、保护功能齐全等优点，采用循环风冷散热，由多个小容量逆变器并联组成，单个功率模块故障不影响其他模块正常工作，均具有独立的均流措施，具有高达2.67倍额定容量的短时过载能力，确保能最大限度地改善系统的电压条件，且谐波输出满足符合IEEE519标准；升压变压器为0.48/35kV油式变压器，采用YNd5接线方式；主控制单元实时采集主变中压侧CT及35kV母线PT信号进行快速运算，以两路光纤方式与逆变单元实现高/低速数据的分组响应和处理，具有对电容器/电抗器的投切控制接口，具备光纤Ethernet接口，可直接与SCADA系统连接，具有就地和远程状态监控与报警功能，可通过WEB服务器实现远程诊断和故障处理，且集成了多种保护和报警功能，如过电流保护，过电压/欠电压保护，电压不平衡保护，频率过高/过低保护和接地故障跳开关保护等。图3为现场安装外观与系统组成。

2.3 控制策略分析

本工程的主要控制目标为35kV母线电压。主控单元对实时采集的35kV母线正序电压值进行动态滤波，在与电压参考值比较计算后产生电压误差。误差信号在完成PI调节后生成无功输出指令电流，该电流值经PWM脉冲电路产生IGBT门极触发信号，逆变器通过升压变压器向系统输出无功［10］。功率单元开关频率为4kHz。图4为STATCOM系统控制框图。

图4 STATCOM系统控制框图

STATCOM采用的电压控制策略包括电压调节和暂态响应两种调节方式，电压调节是在常规模式下调节所控制母线电压，暂态响应专用于应对系统瞬态低、高电压冲击事件，两种模式均为有差控制。图5为系统电压－无功控制曲线。

图5 STATCOM电压－无功控制曲线

电压调节模式表示在母线电压允许的偏差范围内的无功－电压线性调节，如粗线所示（对应的电压调节区间为1.01～1.04p.u.与1.06～1.09p.u.之间）。将理想电压目标值作为参考值Vref，电压调节死区为±δ。在死区范围内，STATCOM无输出，防止其频繁调节而影响稳定性；当电压位于死区上限至偏差上限以内时，STATCOM从系统吸收无功，降低电压；当电压处于死区下限至偏差下限范围时，STATCOM向系统注入无功，抬高电压。此处设定Vref为1.05p.u.，死区为±0.015p.u.，偏差下限Vsmin和下限Vsmax分别为1.01p.u.和1.09p.u.。暂态响应模式反映了STATCOM对暂态电压事件的快速响应能力，见粗线连接的上方和下方曲线（对应的电压范围包括小于0.98p.u.以及大于1.12p.u.的区间）。当母线电压瞬间跌落至暂态电压下限Vfmin或超过暂态电压上限Vfmax时，STATCOM过负荷输出；当电压低至电压控制下限值Vrmin或高至控制上限值Vrmax时，系统始终保持最大无功输出。图中粗线外曲线部分区间（对应的电压范围为0.98～1.01p.u.与1.09～1.12p.u.之间），STATCOM保持额定容量输出。

2.4 抑制效果验证

在STATCOM试运行期间，采用便携式电能质量测试仪对主变2中压侧进行了48h持续测试。前后两天各测试STATCOM离线和在线状态下的电能质量状况。在STATCOM 离线期间，A、B、C三相电压短时间闪变最大值分别为3.0376、3.0155、3.2536，三相电压短时闪变95%概率值均为0.115，均未超国标限值1；三相电压长时间闪变最大值分别为1.3272，1.3183，1.4215，长时闪变均取最大值为评估值，均超过限值0.8；在STATCOM投运后，三相电压短时间闪变最大值分别为1.7126、1.6988、1.7151，对应的95%概率值为0.11，0.112，0.112，未超国标限值1；三相电压长时间闪变最大值分别为0.7619、0.779、0.7617，未超过限值0.8。

图6、7分别为投运前后电压闪变曲线对比图。

图6 主变2中压侧三相电压短时闪变曲线

由上述数据可知，STATCOM可显著改善电压波动及闪变水平。此外，在STATCOM投运后，电压谐波总畸变率、三相电压不平衡度等指标均较离线时有明显降低。

图7 主变2中压侧三相电压长时间闪变曲线

3 结论与展望

该套STATCOM装置自投运以来，运行可靠、稳定，能够迅速响应冲击负荷功率变化，向系统快速注入精确、双向、动态无功，有效改善了35kV系统的电能质量水平，并起到一定的电压调节作用。运行和测试数据验证了STATCOM优良的电压波动与闪变抑制能力。随着大功率器件、智能控制技术等的不断发展，STATCOM将在电力系统多个技术领域得到广泛应用。

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