D-STATCOM容量配置方法及其在配电系统中的应用效果分析

曹华珍，黄春艳，张勇军

(1.广东电网公司电网规划研究中心，广东广州510080;2.广州市奔流电力科技有限公司，广东广州510640;3.华南理工大学电力学院，广东广州510640)

D-STATCOM容量配置方法及其在配电系统中的应用效果分析

曹华珍1，黄春艳2，张勇军3

(1.广东电网公司电网规划研究中心，广东广州510080;2.广州市奔流电力科技有限公司，广东广州510640;3.华南理工大学电力学院，广东广州510640)

配电网结构复杂，负荷波动性大，易造成供电电压的波动和不稳定，严重影响到供电质量和用户用电的安全性和经济性。本文简要介绍了D-STATCOM的结构和工作原理，分别提出了根据无功电量、冲击源的无功损耗量和PCC点电压波动限制确定D-STATCOM配置容量的实用方法，指出了各种配置方法的适用场合，对D-STATCOM在广东电网变电站中的应用效果进行了分析，研究表明D-STATCOM可有效解决近区电网的电压波动和不稳定问题。

D-STATCOM;配置容量;配电网;电压波动;冲击源

1 引言

随着分布式电源数量和容量的日益增加，其发电功率的随机性、间歇性、季节性等特点使得局部电网无功功率波动问题更加突出;电弧炉、电气化铁路等非线性、不平衡负荷的增加，对电网电压波动和畸变等影响也不断增大。输电系统采用FACTS技术可在一定程度上改善电压波动和不稳定问题，然而与用户直接相连的配电网结构复杂，负荷波动性大，故障发生几率高，供电电压的波动和不稳定程度更为严重，对供电质量和用户用电的安全性和经济性造成较大影响，所以有必要在配电网中采用新的技术来改善其电压波动和不稳定，满足用户对供电电压的要求。

用于配电网的D-STATCOM以配电系统无功补偿和电能质量控制为主要目标，可调节公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)处的电压幅值，有效解决电压波动和不稳定问题。文献［1］研究表明，在配电变电站低压侧安装多套小容量无功补偿设备比在输电系统或者变电站集中安装高压大容量无功补偿装置具有优越性;文献［2，3］报道了利用D-STATCOM改善澳大利亚远距离配电农网中的电压调节性能，取得了不错的效果。但如何进行DSTATCOM容量合理配置是一个较为困惑的问题。

本文基于D-STATCOM的结构和工作原理，研究了D-STATCOM配置容量的实用方法，并以广东典型配电站为例对应用D-STATCOM效果进行分析。

2 D-STATCOM的结构和工作原理

D-STATCOM按其直流侧储能元件不同，分为电压型和电流型两种。前者直流侧以电容为储能元件，主电路采用三相电压源桥式变换电路［4］(如图1所示)，将直流电压变为交流电压，再通过串联电抗器接入电网，电抗器起到阻尼过电流、滤除纹波作用;后者直流侧以电感为储能元件，主电路采用电流源变换电路，将直流电流逆变为交流后送入电网，并联于交流侧的电容器可吸收换相产生的过电压。由于电流型D-STATCOM运行效率较低，工程应用中投入运行的绝大部分是电压型，本文以电压型为例说明D-STATCOM的工作原理。

图2(a)为D-STATCOM单相等效电路结构图，Us为电网电压，Uc为D-STATCOM交流侧电压，两者相位差为δ;R和X分别为D-STATCOM等效电阻和电抗。由于变流器运行时无需有功能量，电流I与Uc的相位差应为90°。当I超前(或滞后)Uc时，D-STATCOM吸收容性(或感性)无功功率(如图2(b)所示)。

图1 D-STATCOM的主电路Fig.1 Main circuit of D-STATCOM

图2 D-STATCOM的工作原理Fig.2 Working principle of D-STATCOM

设Us为参考相量，由图2(a)可得到:

忽略电阻R时可得到:

则电网向D-STATCOM提供的复功率为:

结合图2，还可得到电流无功分量如下［5］:

无功补偿无功功率大小为:

因此，只要适当控制δ值，就可动态调节DSTATCOM输出无功电流大小及其性质。

3 D-STATCOM配置容量确定方法

3.1 无功补偿配置方式分析

对于冲击源接入的变电站，如全部由电容器和电抗器补偿，由于其补偿采用自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)策略，要求无功补偿装置投切动作间隔不能小于5min，否则会严重缩短补偿装置的开关寿命。此外，部分冲击源功率瞬间可达到最大负荷水平，一般电容电抗器来不及投切，需配置一定容量的动态无功补偿。综合考虑投资费用及动态无功补偿装置在现有技术水平下的容量限制要求，无功补偿配置全部为D-STATCOM不大现实。

为提高D-STATCOM的无功补偿范围，在提高补偿效果的同时减小设备投资费用，推荐将静态无功补偿装置与D-STATCOM配合使用。分析确定DSTATCOM配置容量时，首先应了解补偿点的最大无功功率值，以确定无功配置的总容量;其次，在静态无功补偿和D-STATCOM补偿配合使用时，建议DSTATCOM的配置容量略大于静态无功补偿容量。当接入点电压水平长期偏低时，可先投入电容器，再利用D-STATCOM进行动态调节;当接入点电压水平长期偏高时，可退出电容器，必要时投入电抗器，再利用D-STATCOM进行动态调节。

3.2 根据无功电量确定无功补偿配置容量

采集冲击源典型工作日一天的无功功率大小，数据采集周期Δt尽量小，单位为分钟。将采集的无功数据按照数值大小和持续时间排列，数据相近的进行归类并以均值表示，可得到无功功率日持续曲线，如图3所示。

图3 无功功率日持续曲线Fig.3 Daily reactive power curve

记t0为一天内负荷工作总时间，则，用数学函数拟合无功功率日持续曲线，可得到无功功率与时间关系曲线Q(t)，如图4所示。

根据无功补偿就地平衡原则，理想状态下接入点的无功量应控制为0。由图4可见，安装的静态无功补偿容量Qc1和动态无功补偿容量Qc2应不小于冲击源无功功率最大值Qm;时间tc之后为静态无功补偿过补偿状态，此时并非冲击源的实际无功需求，这种需要由动态无功补偿运行在感性状态来抵消电容器过补偿的无功电量应越小越好。若以无功电量WQ(图4中阴影部分的面积)来衡量动态无功补偿工作在感性无功补偿所吸收的无功电量，显然WQ越小，总体无功补偿配置中重复配置的量也就越小，技术经济性就越好。

图4 无功功率与时间关系曲线Fig.4 Reactive power-time curve

由此确定综合无功配置的目标函数及其约束条件分别为:

式中，t为时间;Q(t)为一天内无功负荷与时间的函数关系;C为无功补偿预投资费用;C1、C2分别为静态无功补偿装置与动态无功补偿装置投资代价系数。

求解上式即可得到冲击源接入点的理想无功补偿配置容量，包括静态无功补偿和D-STATCOM配置容量。值得说明的是，为了使得电容器补偿过剩(即图中tc点之后情况)时，D-STATCOM能最大程度实现接入点的无功就地平衡，要求Qc1≤Qc2。

3.3 根据冲击源的无功损耗量确定配置容量

该方法主要适用于风电场等分布式发电的冲击源。由于风电场中风机数量较多，发电后要进行升压并且通过集电线路送到并网点，并网点处还有升压变无功损耗，该过程将产生较大的无功损耗，而风电场出力波动时该无功损耗也随着变化，从而导致并网点的电压波动［6］。因此，无功补偿配置容量应在风电场出力满发时满足:

式中，Qc为无功补偿容量;QG为风电场无功出力; QGT为机组升压变总无功损耗;QL为集电线路总无功损耗;QT为并网点升压变总无功损耗。

实际上，风电场出力波动时会导致并网点与中枢变电站之间线路损耗变化，从而影响并网点电压。如要保证并网点电压水平不变，其并网点变电站的无功补偿配置容量应适当增加。

3.4 根据PCC点电压波动限制确定配置容量

对于电网络中每个节点，均可用短路容量来表征其与电源点的联系紧密程度，因此可用图5所示的短路阻抗等值电路进行分析。

图5 短路阻抗等值电路Fig.5 Short circuit impedance equivalent circuit

由电压损耗近似计算公式可以得到负荷波动前后PCC点的电压分别为:

式中，V0为电源点电压;V1为当负荷为 P+jQ时PCC点电压，ΔV1是此时PCC点和电源点之间的网络电压损耗;V'1为当负荷功率波动后 PCC点电压，ΔV'1是相应的网络电压损耗;Rk+jXk为短路阻抗;ΔP+jΔQ为功率波动量。

设ΔV为节点1的电压波动量，即ΔV=V1－V'1，从而由式(9)和式(10)可推导得:

令ΔS为冲击源接入点视在功率波动量，则:

式中，φ为冲击源功率因数角。

由式(11)和式(13)可得:

当ΔV取PCC点的最大电压波动量ΔVmax时，可得到其允许的功率波动幅值ΔSmax为:

根据冲击源的功率特性和联系数方法［7］，冲击源功率SL可以分为平稳部分Ss和波动部分Sim，波动变化的特性可以通过随机算子i来反映，即有:

对于Ss，可采用一般电容器补偿，记补偿容量为Qc1，而对于具有波动随机性的 Sim，则可以配置D-STATCOM，记补偿容量为Qc2。电容器补偿后，若PCC点的电压偏移量仍超出允许范围，则动态无功补偿配置容量应该至少满足补偿后iSim最大值与ΔSmax差值引起的电压偏移为零。

由此得到确定D-STATCOM的补偿配置容量步骤如下:

(1)根据冲击源平稳功率Ss，由式(12)得到电压偏移ΔVs，将ΔVs代入式(15)并将有功功率设置为零，则可以得到静态无功补偿配置容量Qc1;

(2)根据PCC点电压允许偏移值ΔVpcc，由式(16)可得PCC点允许功率波动量ΔSmax;

(3)ΔSmax与Sim最大值之差得到功率波动越限量，类似于步骤(1)，则可得到Qc2。

3.5 各种配置方法评价

根据无功电量确定无功补偿配置容量的方法可根据冲击源负荷性质直接计算得到静态/动态无功配置方案，由于是基于无功平衡而未兼顾电压控制的需求，其主要适应于电能质量问题不突出的配电网。

根据冲击源的无功损耗量确定配置容量的方法针对风电场发电环节的无功损耗进行补偿，考虑的因素较少，据此确定的无功补偿容量往往不能满足调压的需求，通常用于无功补偿投资预算较保守的情况。

根据PCC点电压波动限制确定配置容量的方法的立足点是避免冲击源功率波动带来配电网的电压越限，因此主要适用于风电场等分布式发电的冲击源，且配电网的电压波动受分布式发电影响较为严重的场合。

4 D-STATCOM应用效果仿真分析

4.1 分布式电源接入配电网时的仿真分析

接入了新兴风电场的某市兴瑶片区电网结构如图6所示，风电场装机总容量为47.6MW，出力曲线如图7所示。由于风电场采用异步发电机，对有功无功控制性能较差，风电出力曲线波动较大。

图6 兴瑶片区架构图Fig.6 System wiring diagram of Xingyao area

图7 出力曲线Fig.7 Power curves

在风电场配置容量为±9Mvar的D-STATCOM后，仿真分析D-STATCOM投入前后片区内各变电站10kV电压水平，如图8所示。显然，D-STATCOM接入风电场后，接入点的无功波动明显变小，各站电压波动程度也相应变小。

图8 兴瑶片区各站10kV母线电压曲线Fig.8 Voltage curves of 10kV buses in Xingyao area

4.2 冲击负荷接入配电网时的仿真分析

本节主要以轧钢厂中的电弧炉负荷接入某市长安片区配电网时的无功配置进行分析。长安片区高压配电网以220kV长安站为辐射中心，下接有5座110kV变电站。2012年片区最大负荷548MW，总体负荷水平较高。长安片区网架结构如图9所示。

图9 长安片区网架结构图Fig.9 System wiring diagram of Changan area

在长安片区草围站110kV母线接入钢厂电弧炉负荷，此时马达负荷占母线有功负荷比例为80%。电弧炉负荷的功率最大值为 29.81+ j10.84MVA，稳态值为18.0+j8.7MVA，冲击高峰时刻为1s，稳态起始时刻为2s，功率曲线如图10所示。

图10 冲击负荷功率曲线Fig.10 Power curve of impact load

在草围站 10kV母线接入额定容量为 ± 3.5Mvar的 D-STATCOM，采用定电压控制。DSTATCOM投入前后片区内各站10kV电压水平如图11所示。D-STATCOM接入前，在冲击负荷冲击作用下，接入点电压跌落较大;接入D-STATCOM后，系统整体电压都可维持在较高水平，且具有较好的动态效应，比接入前电压恢复得更快。

图11 草围片区各站10kV母线电压曲线Fig.11 Voltage curves of 10kV buses in Caowei area

5 结论

(1)分布式电源、冲击负荷等特殊负荷对电网的影响主要表现为电压的暂态变化，D-STATCOM等动态无功补偿可较好抑制电压的暂态波动。

(2)为提高D-STATCOM的无功补偿范围，提高补偿效益同时减小设备投资费用，可考虑将静态无功补偿装置与D-STATCOM配合使用。

(3)对冲击源接入点的动态无功补偿配置容量的选择，可采用无功电量、无功损耗量及PCC点电压波动限制等方法进行确定。

(4)从应用效果分析可知，D-STATCOM补偿后的电压质量能得到提高，补偿效果较好。

［1］B T Ooi，S Kincic，X T Wan，et al.Distributed static Var system(SVS)for regulated voltage support of load centers［A］.IEEE Power Engineering Society General Meeting［C］.2003.2:13-17.

［2］E Twining，D G Holmes.Voltage compensation in weak distribution networks using multiple shunt connected voltage source inverters［A］.Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna［C］.2003.4:8-13.

［3］E Twining，M J Newman，P C Loh，et al.Voltage compensation in weak distribution networks using D-STATCOM［A］.The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems［C］.2003.1:178-183.

［4］侯勇，谢广志，童建东 (Hou Yong，Xie Guangzhi，Tong Jiandong).基于αβ系统的DSTATCOM积分型滑模变结构控制 (Sliding-mode variable structure with integral action under αβ frame for DSTATCOM)［J］.电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2007，26(1):25-28.

［5］王超(Wang Chao).静止无功补偿器D-STATCOM的研究 (Study on static synchronous compensator D-STATCOM)［D］.西安:西安理工大学(Xi’an:Xi’an U-niversity of Technology)，2003.

［6］薛尚青，蔡金锭，刘丽军 (Xue Shangqing，Cai Jinding，Liu Lijun).静止同步补偿器与双馈风电场的无功电压协调控制 (Coordinated reactive power and voltage control for wind farm and STATCOM)［J］.电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(2):24-27.

［7］王海潜(Wang Haiqian).超高功率电弧炉冲击负荷引起电网电压波动值和SVC补偿容量计算方法的分析(Analysis of the power voltage fluctuation caused impact load of ultra high power electric arc furnace and SVC compensation capacity calculation method)［J］.江苏电机工程(Jiangsu Electrical Engineering)，1999，18(1): 18-23.

D-STATCOM capacity allocation methods and analysis of application effect on distribution system

CAO Hua-zhen1，HUANG Chun-yan2，ZHANG Yong-jun3
(1.Grid Planning＆Research Center，Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China; 2.Guangzhou Power Electric Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510640，China;3.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The distribution network structure is complex and the fluctuation of loads is so great that it is easy to cause the voltage fluctuation and instability.The quality of power supply and safety and economy of consumer are influenced seriously.The adoption of new technology is necessary to mitigate the voltage fluctuation and instability to meet the requirements of users.The primary objectives of STATCOM applied to transmission system are controlling power flow efficiently and improving the stability，reliability and the transmission capacity of power system.STATCOM is called D-STATCOM when it is applied to distribution system，and its primary objectives are compensating the reactive power and improving the power quality of distribution system.This paper gives a brief introduction to the structure and operational principle of D-STATCOM，and puts forward to the Applicable Capacity Allocation Methods of D-STATCOM，respectively，based on the reactive electricity quantities，the reactive power wastage of impulse source and the voltage fluctuation limit of PCC point.At last，the application effect of D-STATCOM on the transformer substations of Guangdong Power Grid is analyzed.The study indicates that the D-STATCOM can effectively solve the voltage fluctuation and unstable problems of the near district power grid.

D-STATCOM;capacity allocation;distribution system;voltage fluctuation;impulse source

TM714

:A

:1003-3076(2015)07-0069-06

2014-02-25

曹华珍(1974-)，女，湖北籍，高级工程师，工学硕士，研究方向为电力系统规划设计及系统分析;黄春艳(1981-)，女，广西籍，工程师，研究方向为配电网规划与运行分析。