D-STATCOM在配电网中的应用

平　增,　张　娟

(驻马店市建筑勘察设计院有限公司, 河南 驻马店　463000)



D-STATCOM在配电网中的应用

平增,张娟

(驻马店市建筑勘察设计院有限公司, 河南 驻马店463000)

摘要：在配电网中,配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)能稳定公共接入点电压,连续快速地调节无功功率。研究了配电网静止无功补偿器通过与公共连接点进行无功功率交换,使公共连接点电压维持在参考电压值。采用MATLAB进行了仿真验证。仿真结果表明,应用配电网静止无功补偿器可以降低网络损耗,改善供电质量。

关键词：配电网静止无功补偿器; 无功功率; 公共连结点; MATLAB仿真

0引言

电压质量是衡量电能质量高低的重要指标之一,随着我国经济的发展和人们生活水平的提高,大量非线性、不平衡的负荷出现在生产、生活中。电能质量会受到这些负荷的影响,导致无功功率增加,功率因数降低,出现电压波动等问题,甚至会使电网电压崩溃、系统解列[1]。电力系统中无功功率影响电压的水平,所以电网中广泛使用无功补偿设备。传统的无功补偿设备一般都采用晶闸管投切电容器组或固定电容器+晶闸管控制电抗器,但这两种无功补偿装置的响应速度较慢,体积偏大。配电网静止同步补偿器(Distribution Static Synchronous Compensator,D-STATCOM)作为一种重要的用户电力装置,与其他传统的无功补偿设备相比,响应时间短,补偿能力强,且能从感性到容性连续调节无功功率,已成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。

1D-STATCOM补偿电压的基本原理

D-STATCOMTATCOM基本工作原理是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,或直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或发出满足要求的无功电流,实现稳定接入点电压[2]。根据D-STATCOM装置直流侧储能元件的不同,主电路可以分为电压型桥式电路和电流型桥式电路。电压型桥式电路结构简单、易控制、运行效率高,所以本文选用电压型桥式电路作为主电路结构。D-STATCOM基本结构电路图如图1所示。

图1中,电容的作用是提供电压支撑;电压源逆变器采用大功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gage Bipolar Transistor,IGBT),使用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术来控制IGBT的通断;电抗器起到滤除高次谐波和使变流装置及电力系统耦合起来的作用。

图1　D-STATCOM基本结构电路图

D-STATCOM补偿电压的基本原理图如图2所示。

图2　D-STATCOM补偿电压的基本原理图

图2中,Us为配电网电压,Upcc为配电网与D-STATCOM的公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)电压,Il为负载电流,Ic为补偿电流,Zs为等效阻抗,Sl为负载的视在功率。由图2可知,当D-STATCOM没有投入时,压降为

ΔU=Us-Upcc=ZsIl

(1)

因

S=UI*

(2)

S*=U*I

(3)

由式(2),可得

(4)

所以

(5)

由式(5)可知,参考电压矢量用PCC电压Upcc来表示,则ΔU可以由与Upcc相位一致的ΔUR和与Upcc正交的ΔUX组成。无D-STATCOM补偿时的矢量图如图3所示。

图3　无D-STATCOM补偿时的矢量图

图3中,当Us与Upcc之间的相位差较小时,可以忽略ΔUX,所以

(6)

用户端的电压会随负荷侧无功功率的变化而变化,所以采用D-STATCOM装置来补偿变化的无功功率。投入D-STATCOM补偿时的矢量图如图4所示。

图4　投入D-STATCOM补偿时的矢量图

由图4可知,控制D-STATCOM的交流侧输出电流Ic,可使|Upcc|=|Us|,PCC电压和电源电压之间存在相位差,达到电压补偿的目的。

2D-STATCOM电压控制方法

根据D-STATCOM装置交流侧输出的电流是否可以直接调节,将D-STATCOM控制方法分为间接电流控制法和直接电流控制法[4-7]。

间接电流控制将D-STATCOM看成等效的交流电压源,并对D-STATCOM交流侧所产生的电压相位和幅值进行控制,达到间接控制交流侧输出电流的目的。该控制方法大多被大容量的D-STATCOM装置所采用,但不能对电流波形进行准确、实时的控制。

图5　D-STATCOM直接电流控制

D-STATCOM采用直接电流控制方法后,实际上相当于一个受控的电流源,其响应速度和控制精度比间接控制法有很大的提高。直接电流控制方法是对电流瞬时值的跟踪控制,要求主电路功率开关器件有较高的开关频率,这对于较大容量的D-STATCOM目前很难做到,所以主要应用在容量较小的D-STATCOM装置中。

D-STATCOM电压控制对象是PCC电压和直流侧电容电压。控制PCC电压是为了使其维持在参考电压值,满足电力用户对供电电压质量的要求;控制直流侧电容电压是为了使直流侧电容电压恒定,以保证 D-STATCOM 装置能正常工作。一般在直接电流控制法或间接电流控制法的基础上引入电压负反馈,构成双闭环法,即电压外环和电流内环。电压外环包括交流电压外环和直流电压外环,交流电压外环用来稳定接入点的电压,且为电流内环提供无功参考信号;直流电压外环用来稳定逆变器直流侧电容两端电压,且为电流内环提供有功参考信号。电流内环的作用是使逆变器的输出电流能跟踪电压外环输出的参考信号。D-STATCOM电压双闭环控制原理如图6所示。

图6　D-STATCOM电压双闭环控制原理

图6中,Upccref为D-STATCOM接入PCC电压的参考信号,udcref为逆变器直流侧电压基准值;udc为逆变器直流侧电压采样值。接入点电压的参考信号Upccref和采样值Upcc构成交流电压外环,udc与udcref比较,通过PI调节器得到调节信号idref,然后将idref和瞬时有功电流的直流分量id进行叠加,使补偿电流中包含一定的基波有功电流分量,D-STATCOM直流侧与交流侧产生能量流动,从而将udc调节到udcref附近,构成直流电压外环。

3仿真验证

为了验证在配电网中应用D-STATCOM的优势,采用MATLAB软件进行仿真。参数如下:系统电压为380 V;频率为50 Hz;直流侧电容为1.2×10-3F;工作电压为800 V;PWM载波频率为1.2×10-2Hz;滤波电感为5×10-3H、等效电阻为0.3 Ω。

配电网电压、电流波形如图7所示。由图7可知,当未投入D-STATCOM 装置时,PCC处A相电流的相位明显滞后A相电压相位,功率因数很低;当投入D-STATCOM装置时,PCC处A相电压、电流的相位几乎同步,提高了功率因数,无功得到了很好的补偿。

图7　配电网电压、电流波形

4结语

D-STATCOM是现阶段配电网中无功补偿技术的新方向,可以对无功功率进行连续、快速的调节,使配电网中的电压维持恒定。随着我国智能电网的快速发展,D-STATCOM装置必定会在电力系统中得到广泛应用,发挥越来越大的作用。

参考文献

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吴英明(1962—),男,高级工程师,从事建筑电气设计工作。

陈兴航(1962—),男,研究员,从事建筑电气设计工作。

Application of D-STATCOM in Distribution NetworkPINGZeng,ZHANGJuan

(Zhumadian Construction Survey and Design Institute Co., Ltd., Zhumadian 463000, China)

Abstract：The distribution static synchronous compensator(D-STATCOM) can stablize the voltage of point of common coupling(PCC),and regulate the reactive power continuously and rapidly in distribution network.This paper studied the problem that is D-STATCOM can make the voltage of PCC maintain the voltage reference value through the reactive power exchange with the power system.The MATLAB simulation was carried out.The simulation results show that the application of the D-STATCOM in distribution network can reduce the net losses and improve the power quality.

Key words:distribution static synchronous compensator(D-STATCOM); reactive power; point of common coupling(PCC); MATLAB simulation

收稿日期：2015-03-08

中图分类号：TM 711

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2015)06-0052-04