应用于配电网的STATCOM电压与无功功率综合控制方法

刘国辉

（荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114000）

应用于配电网的STATCOM电压与无功功率综合控制方法

刘国辉

（荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114000）

本文首先介绍 STATCOM的基本工作原理，并简述项目应用的基本概况；针对配电网对动态无功补偿装置提出的要求，设计了 STATCOM电压与无功功率综合控制算法及控制参数整定方法，通过 PSIM仿真模型验证了控制方法的可行性。该STATCOM设备已经在广东电网取得了良好的应用，通过对比 STATCOM投运前后系统的电压与无功情况，进一步验证了控制方法的有效性，保证了配电网供电的可靠与稳定。

静止同步补偿器；电压控制；双PI调节

STATCOM（static synchronous compensator）是柔性交流输电技术（flexible AC transmission system,FACTS）的主要装置之一，它代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向[1]。STATCOM能够快速连续地提供容性和感性无功功率，为电力系统提供必要的无功支撑，其工作原理是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的[2]。STATCOM在电力系统应用的示意图如图1所示。

随着全控型开关器件生产工艺和数字信号处理器芯片性能的升级，STATCOM的设计容量和控制灵活性有了进一步的提高，与传统的并补电容器、电抗器甚至SVC相比都具有明显的性能优势，这也为STATCOM在更广阔的领域应用奠定了坚实的基础。

图1 STATCOM应用示意图

目前STATCOM在新能源发电（如风能、太阳能等）和输配电领域已经有了普遍的应用，其主要的控制模式包括恒电压控制、恒无功功率控制和恒功率因数控制[3]。本文主要介绍 STATCOM在配电网变电所的应用，基于稳定性和经济性的考虑，供电企业对动态无功补偿装置提出了新的要求，即STATCOM在能够快速响应电压波动的同时还要兼顾提高系统的功率因数。

1 项目概况

广东电网公司佛山供电局变电站STATCOM改造项目是通过在站内 10kV母线上装设±8Mvar链式动态无功补偿装置STATCOM实现对系统电压的控制。在项目改造前该变电站主要采用投切电容器组的方法实现对系统电压的控制，即在负荷高峰期投入一定量的电容器组稳定系统电压，而在负荷较轻时再将电容器组切除。该方法的缺点是不能实现无功功率的连续调节，并且实时性差。

2 STATCOM主电路设计

该项目STATCOM装置设计为模块化级联拓扑结构，采用星形连接[5]。电压等级设计为10kV，额定容量为±8Mvar，每相级联功率单元数量为12级，功率单元直流侧电压设定为800V，主电路拓扑结构如图2所示，图中Us为系统电压，额定值为10kV；R为充电电阻，按照1000Ω设计；QF为旁路接触器，用于充电后旁路充电电阻；L为连接电抗器，电感值按额定容量5%设计。

图2 STATCOM主电路拓扑图

3 电压与无功功率综合控制

3.1 控制方法设计

该控制方法的设计思想是优先控制系统电压，在保证系统电压不越界的情况下尽量提高供电系统的功率因数。该控制系统设计为双PI调节，分别为越上限调节和越下限调节。

系统电压与无功功率综合控制框图如图 3所示，Urefup、Urefdown分别为系统电压上下限指令、Ufbk为系统电压实际反馈值、IqUsum为越上限调节器PI_Uh输出与越下限调节器 PI_Ul输出之和、Iqload为检测到的负载无功电流、Iqref为最终得到的STATCOM无功电流指令值。

图3 电压无功综合控制框图

控制框图中负载电流iaload、ibload、icload可以通过检测系统电流和STATCOM输出电流计算得到；负载无功电流Iqload可由dq变换得到[4]；同步角度θ由锁相环PLL得到；无功电流指令Iqref的计算过程如下式：

Iqref为最终的无功电流指令值，该指令值经过限幅滤波后即可作为无功电流环调节器的输入。当系统电压在电压指令范围外时，电压环调节器发挥作用，将系统电压稳定在允许值范围内；当系统电压在电压指令范围内时，屏蔽电压环的调节作用，此时STATCOM只补偿系统的无功功率，其执行的指令Iqref就是所检测到的负荷无功电流Iqload。

3.2 控制参数整定

为便于控制参数的整定，将电压与电流量进行归一化处理，STATCOM系统设计的额定电压UN为10kV、额定容量QSTAT为8Mvar、则额定电流ISTAT为 462A。根据额定参数选取系统电压定标值为10000V，电流定标值为 462A；根据单元级数的设计选取直流侧电压定标值UdcN为900V。

1）单元直流侧电压整定

该系统设计的单元级数N为 12级，选取的连接电抗器电感L为2mH，则STATCOM输出的相电压UPSTAT应满足下式的关系

经计算UPSTAT为 6063.8V，则单元直流侧电压指令值Udcref应按照式（5）计算。

经计算Udcref应为 0.79以上，留取一定的裕量取Udcref为0.85。

2）PI调节器参数整定

为了提高STATCOM控制系统响应的快速性，需要对PI调节器比例系数KP和积分系数KI进行整定。该控制参数可以根据系统短路容量S估算，系统短路容量可以由系统设计方提供也可以利用STATCOM设备测算；通常KI取值为0.05，KP取值按照式（6）估算，其中0.25为经验值。

由于在算法执行过程中，无论实际系统电压是否越过指令电压范围，越上限 PI调节和越下限 PI调节的输出均有效，其作用都是控制实际电压趋向各自的电压指令，从而在控制上会产生相互削弱的影响。为避免上下限PI调节的这种冲突以便使调节器在各自的电压区域内发挥主导作用，需要对调节器的输出限值参数进行初始化。越上限调节器PI_Uh限值参数和越下限调节器 PI_Ul限值参数分别设置如下：

PI_Uh积分输出上限初始化为2；

PI_Uh积分输出下限初始化为−1；

PI_Uh调节器输出上限初始化为2；

PI_Uh调节器输出下限初始化为0；

PI_Ul积分输出上限初始化为1；

PI_Ul积分输出下限初始化为−2；

PI_Ul调节器输出上限初始化为0；

PI_Ul调节器输出下限初始化为−2。

4 仿真分析及应用效果

搭建STATCOM主电路的PSIM仿真模型，由10.2kV，50Hz理想电压源供电，系统短路容量为150MVA；控制部分由动态链接库（DLL）实现，即将控制程序源代码移植到动态链接库中；在系统中投入阻感性负荷，其感性无功功率为4.24Mvar。通过投入负荷改变STATCOM补偿点的电压，分别测试系统电压越界和系统电压不越界时STATCOM的响应情况。

在1s时刻向供电系统中投入感性负荷拉低系统电压，此时STATCOM不投入运行，系统电压与功率因数曲线如图4所示，图中最上面的曲线为系统线电压有效值，中间的曲线为功率因数，最下面的为负载变化实时波形。负载投入后系统电压从1.015p.u.跌落至0.91p.u.；功率因数从1降至0.7。

图4 系统电压与功率因数曲线

投入STATCOM并将系统电压控制目标值设置为 1.06～1.1，在 1s时刻投入负荷。由于设置的电压控制目标偏高，负荷投入前后系统实际电压均越界，STATCOM优先控制系统电压至目标值范围内。电压和功率因数曲线以及STATCOM电流波形如图5所示。图中最上面曲线为系统电压有效值，稳态值为 1.06p.u.；中间的曲线为功率因数，稳态值为0.83～0.91；最下面的波形为STATCOM输出电流，其数值从容性0.2p.u.变化到容性0.8p.u.。根据分析可知，负荷投入前后系统电压均能稳定在目标电压范围内。由于投入的负荷为感性 0.53p.u.，而STATCOM 拉升系统电压至目标电压的最小容性无功需求是 0.8p.u.，此时可以达到最优的功率因数0.91，所以STATCOM最终输出0.8p.u.容性无功电流。

图5 系统电压与功率因数曲线

投入STATCOM并将系统电压控制目标范围调大，保证负载投入前后系统电压不越界，投入负荷后 STATCOM 的响应波形如图 6所示。此时STATCOM只补偿负荷无功功率，输出电流从0变化到容性0.53p.u.，功率因数曲线稳态值为1，系统电压曲线始终在控制目标值范围内。

图6 系统电压与功率因数曲线

通过仿真分析可见 STATCOM 的控制逻辑正确，能够实现对系统电压与无功功率的综合控制。

STATCOM设备通过 RS 485接口，采用标准MODBUS通信协议与后台监控系统建立连接实现遥控、遥调功能。STATCOM设备能够实时接收后台监控机下发的电压指令，提高了电压控制的实时性。STATCOM设备投入运行后，站内系统电压控制精度明显提高，投运前后对比见表1。

表1 STATCOM运行前后对比

5 结论

STATCOM自投运以来，可以满足用户对系统电压及无功功率的控制要求，使系统电压稳定在设定的范围内。有效减少电压越界的同时又兼顾功率因数，在系统电压处于正常范围内时对系统功率因数有一定的提高，对电力系统电能质量有显著改善。STATCOM 设备与站内监控系统相配合取得了良好的控制效果。STATCOM 的电压控制指令由后台监控机直接下发，电压目标设定过程不需要运维人员对设备就地操作，提高了电压控制的实时性。

另外，由于STATCOM对被控量变化的响应速度与其电压环和电流环控制参数有关，而这些控制参数的整定又会受到所接入电力系统的短路容量、系统阻抗等参数的影响，所以对于不同的项目现场，STATCOM的闭环控制参数需要重新整定。

[1]粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M]．2版.北京:机械工业出版社,2006.

[3]燕福龙.电力系统电压和无功功率自动控制[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[4]王兆安,李民,卓放,等.三相电路瞬时无功功率理论的研究[J].电工技术学报,1992(3):45-49.

[5]龚娟.级联多电平 STATCOM控制策略研究[D].天津:天津理工大学,2008.

Integrated Control Method of Voltage and Reactive Power for STATCOM Applied in Distribution Network

Liu Guohui
(Rongxin Power Electronic Co.,Ltd,Anshan,Liaoning 114000)

This paper firstly introduced the basic principle of STATCOM,then supplied the overview of this project application.In order to satisfy the distribution network requirements to reactive power compensation equipment,integrated control method of voltage and reactive power,including corresponding parameters adjusting method was proposed,and its validity was verified by PSIM simulation model.STATCOM equipment with this control method was successfully applied in Guangdong power grid project.The good application effect proved that this control method could make power supplying more reliable and more stable.

STATCOM;voltage control;double PI regulation

刘国辉（1983-），男，辽宁鞍山人，研究生，工程师，主要从事电力系统无功补偿设备的研发设计工作。