基于配电变压器无功补偿技术的研究

张 起，朱连勇，王 军，孙法治

（1.国网葫芦岛兴城供电分公司，辽宁 兴城 125100；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

基于配电变压器无功补偿技术的研究

张 起1，朱连勇1，王 军2，孙法治3

（1.国网葫芦岛兴城供电分公司，辽宁 兴城 125100；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

配电网普遍采用的无功补偿方式分为高压集中补偿和低压分散补偿，考虑到两种补偿方式的不足，提出一种基于配电变压器的一体化静止无功补偿 （STATCOM）技术。该技术通过将补偿装置接到高压绕组抽头，充分利用配电变压器的富余容量，实现对变压器和负荷的动态无功补偿，并引入虚拟三相对称系统保证检测电流的精度。通过仿真分析，验证一体化STATCOM技术可实现配电网三相不平衡状态下无功功率的动态跟踪补偿，改善变压器输出电能质量。

配电变压器；无功补偿；三相不平衡；虚拟三相对称系统

配电网的无功需求实时波动，在降低末端电能质量的同时增加了网损，配电网传统的无功补偿方式一般分为分散补偿和集中补偿。集中补偿基于电力电子功率单元实现无功动态补偿，其控制效果优良、维护方便，但较高的电压等级使其结构复杂且成本高。分散式补偿基于无功就地补偿，补偿装置安装分散，存在无法集中协调控制、补偿效率低等缺点。分散补偿时系统电源不提供无功功率，使得无功功率在线路传输上增加了有功损耗。同时，分散补偿方式一般基于低压补偿，通过分组投切低压侧并联电容器补偿无功缺额，存在补偿容量不足且调节不平滑等缺点。

针对无功补偿方式存在的不足，为保证配电网灵活、高效进行无功补偿以及输出电能质量，本文基于电力电子的静止无功补偿器连接到配电变压器的高压抽头组成一体化无功补偿装置，动态跟踪配电变压器和负荷的无功需求。该补偿方案具有一定的集中补偿优势，也利用了配电变压器的富余容量且能够平滑调节无功。考虑到配电网绝大部分采用中性点非有效接地运行方式，使三相对地参数不平衡、三相负荷不平衡引起负荷电压不对称，进而降低无功补偿电流的精确检测。通过引入虚拟三相对称系统抑制负荷电压不对称性，使无功补偿电流生成环节不受到运行状态变化的影响。

1 技术原理

静止无功补偿单元与配电变压器高压侧的抽头并联，加入滤波环节，通过变压器实现低压侧输出端口的无功功率补偿和电能质量控制。基于配电变压器的一体化STATCOM系统总体结构如图1所示。

图1 一体化STATCOM系统总体结构

该系统补偿结构实现了负荷和配电变压器自身的无功功率动态跟踪补偿，连接到配电变压器上使无功补偿具有一定的灵活性和分散性，充分利用了配电变压器的富余容量，保证了关键节点的无功功率平衡和电压稳定。由于变压器高压侧抽头的存在，使接入无功补偿设备的电压等级灵活调节，降低其功率单元级联数和耐压水平等。考虑到无功补偿装置通过变压器连接抽头注入所需的补偿无功功率，改变了配电变压器的功率分布，可能引起变压器过载。但基于配电变压器的负载率一般在0.3～0.5，将负荷的功率因数补偿到0.9以上也不会使变压器过载［1］。

2 静止无功补偿单元结构分析

低压配电变压器的绕组一般采用Dyn联结方式，高压侧绕组采用三角型连接使抽头电压的获取比较困难。对此基于一体化STATCOM的变压器高压绕组两相相连的端点设置2个连接抽头，使各端点A、B、C与其两侧的抽头连接形成三组三相电压B1—A—C1、A3—C—B3、 C2—B—A2分别接入 STATCOM 补偿装置，高压绕组多抽头结构如图2所示。

图2 高压绕组多抽头结构

高压绕组多抽头结构有效降低了接入STATCOM的电压，进而降低了补偿功率单元的电力电子器件的耐压水平，同时扩大了接入电压的选择范围，保证了无功容量的灵活配置［2］。

高压绕组多抽头结构的电压向量如图3所示，由于接入STATCOM装置的电压为三相三线制，以抽头电压B1—A—C1为例，图3中的C1点在AC上变化，但A3点也可以在CA上变化。为了保证抽头电压的连续可调，即认为抽头电压的变化范围为0～UL（UL表示 UAB、 UBC、 UCA）。

图3 高压绕组多抽头结构的电压向量图

3 基于一体化STATCOM的无功电流检测

为了保证一体化STATCOM的无功补偿效果和稳定系统电压能力，无功电流的检测端口应分布在变压器的高压连接抽头侧和负荷侧，但是这使补偿功率的注入点和电压电流测量点之间间隔着变压器高、低压绕组，进而引起电压电流幅值和频率的检测值与实际值的差别。因此，检测所得瞬时无功电流无法作为STATCOM控制系统的无功电流反馈值［3－4］。

考虑到抽头侧和负荷侧的电压存在一定相位差，通过对不同端口电压、电流的坐标变换为有功电流和无功电流生成所需变换矩阵提供角频率和初始相位信息，实现电流的跨端口检测。

一般情况下，配电网的三相负荷是不平衡的，这样使得配电变压器低压负荷侧的负荷电压三相不对称。电流检测目前普遍采用基于电压定向的瞬时功率平衡的pq法以及同步旋转坐标dq变换法实现，但是保证该方法检测精度的前提是三相电压对称。对于三相负荷不平衡引起的负荷电压不对称，无功电流的谐波、负序分量都被忽略，使实际的无功补偿电流指令偏低，降低了STATCOM的补偿效果和电能质量改善能力。对此，通过虚构对称的三相负荷电压来减少基于电压定向在三相不平衡条件下的电流检测误差。在虚拟三相对称系统中，只考虑三相电压的幅值不对称、相位对称，这也符合实际电网运行条件。假设负荷c相电压通过a相电压延时60°后反向获得。设a相电压为

则c相电压为

依据三相对称系统的原则，b相电压为

则虚拟三相对称系统的负荷电压u1abc和负荷电流i1abc变换到两相静止坐标下的电压 u1和i1。u1am为a相电压幅值，φ为初相位，假设对称三相负荷电压合成矢量→u与dq同步旋转坐标系d轴重合，相应的电压向量矢量图如图4所示。

图4 虚拟三相电压和电流矢量示意图

依据图4的几何关系可知：

在αβ两相静止坐标系下的负荷电流分量为

在dq同步旋转坐标系下的负荷电流分量可表示为式 （6）：

在式 （6）中，负荷电流在基于电压矢量的同步旋转坐标系下的无功电流分量i1q为零，有功电流 i1d含有直流分量 I1d和交流分量 i′1d， i′lq被低通滤波器滤除。

同步旋转坐标系下的直流电流I1d，即负荷电流中基波正序分量，通过式 （7）得到负荷电流所需补偿的无功、谐波和负序电流分量ikabc，Cdq／abc为坐标变换矩阵。

考虑变压器的高压抽头侧和负荷侧的端口电压存在相位差，使获得无功补偿电流指令所获得的相位存在偏差。对此，通过变压器高压抽头侧的端口电压经过锁相环PLL获得变换矩阵所需的角频率和相位信息，实现无功补偿电流的跨端口检测和交换。基于跨端口的无功补偿电流检测控制框如图5所示，utabc为抽头电压，φt为抽头电压初相位。

图5 基于跨端口的无功电流检测

该电流检测方法解决了因三相负荷不平衡和不同端口电压存在相位差而引起无功电流补偿指令不准确的问题，所获得的无功电流补偿指令可以实时跟踪补偿系统的无功缺额。

4 基于配电变压器的一体化STATCOM控制系统

基于配电变压器的一体化STATCOM总体控制系统如图6所示，图中无功电流检测环节通过负荷侧和抽头侧信息获得补偿无功功率所需的无功电流补偿指令。负荷电流中的谐波、无功和负序有功电流分量由STATCOM提供，而平衡负荷的用功需求的三相对称基波有功电流分量由系统提供。但是负荷中的负序有功电流，通过STATCOM中IGBT并联的直流母线电容提供，依据直流母线电压的稳定来平衡负序有功功率的需求［5－7］。

依据图6基于配电变压器的STATCOM的总体控制系统在Simulink／Matlab环境下建立基于配电变压器无功补偿系统的仿真模型，对本文所提出的基于一体化STATCOM无功补偿控制方法的正确性和有效性进行仿真验证。

4.1 配电网三相不平衡条件下无功补偿电流检测的仿真分析

为了验证本文所提出的配电网三相不平衡条件下跨端口无功补偿电流检测方法的有效性，在配电网三相不平衡依据该检测方法对电网电压波形和负荷电流波形进行分析，电网电压三相不对称时负荷电流包含谐波、基波无功、基波有功和负序有功电流分量。三相不对称电网电压波形和对应的负荷电流波形如图7所示，无虚拟三相对称。

图6 基于配电变压器的STATCOM总体控制系统

图7 三相不对称电网电压及其负荷电流波形

图8 无功补偿电流波形

系统的检测法和本文所提出的检测法检测得到的无功补偿电流波形如图8所示。仿真结果对比分析表明，不采用虚拟三相对称系统的检测法对无功补偿电流检测精度较低，无法精确地检测出负荷电流的谐波、无功和负序分量。因此，在电网电压三相不对称时，基于虚拟三相对称系统的跨端口的电流检测法能够准确检测出负荷电流中的无功补偿分量，验证了该检测方法的有效性。

4.2 一体化STATCOM补偿效果的仿真分析

考虑到配电网三相不平衡和跨端口补偿情况，仿真验证基于配电变压器的一体化STATCOM控制系统的有效性和正确性。STATCOM模块中的无功电流检测环节采用所提出的跨端口电流检测法，电流控制采用闭环控制，动态跟踪补偿负荷无功电流需求。仿真结果如图9和图10所示，图9为负荷无功功率由感性切换到容性时STATCOM跟踪输出的无功功率波形，图10为补偿前后的电压电流波形及其相位差。

图9 负荷无功功率由感性切换到容性时STATCOM跟踪输出功率

图10 变压器抽头侧输出的电压电流及其相位差

仿真结果表明：本文所提出的一体化STATCOM系统在配电网三相不平衡的条件下，负荷无功在0.50 s时刻由感性切换到容性，可以看出图9中补偿控制器STATCOM输出的无功功率快速精确跟踪。同时，在图10中对比分析补偿前后电压电流相位差明显减小，即 Δθ2＜Δθ1，功率因数明显提高，充分利用了变压器的富余容量通过其高压抽头侧对低压侧负荷实现动态无功补偿，补偿效果明显。

5 结束语

本文提出了一种基于配电变压器的一体化STATCOM技术，通过配电变压器的高压抽头侧对负荷无功需求进行动态跟踪补偿，充分利用配电变压器的富余功率。考虑到配电网三相不平衡和跨端口对无功补偿电流指令检测精度的影响，引入了基于虚拟三相对称系统的跨端口电流检测方法，该检测方法准确检测出负荷电流的谐波、无功和负序分量，避免了因谐波和负序电流分量检测丢失对无功补偿效果的影响。最后，仿真验证了本文所提出的无功补偿技术的正确性和有效性，具有一定的理论参考意义。

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Research on Reactive Power Compensation Technology Based on Distribution Transformer

ZHANG Qi1， ZHU Lianyong1， WANG Jun2， SUN Fazhi3

（1.State Grid Huludao Xingcheng Power Supply Company， Liaoning Province， Xingcheng 125100， China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；3.State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

The reactive power compensation method commonly used in the distribution network is divided into high-voltage concentrated compensation and low-voltage distributed compensation.Considering the shortcomings of the two compensation methods，this paper proposes a technology of integrating static reactive power compensation（STATCOM）based on distribution transformers.This technology can realize the dynamic reactive power compensation of transformer and load by connecting the compensation device to the high-voltage winding tap and making full use of the surplus capacity of the distribution transformer.Aiming at the influence of threephase unbalanced operation on the results of reactive current cross-port detection，the virtual three-phase symmetrical system is introduced to ensure the accuracy of current detection.At last，the simulation shows that the integrating STATCOM technology realized the dynamic tracking compensation of reactive power in the three-phase unbalanced state of the distribution network and improved the output power quality of the transformer.

distribution transformer； reactive power compensation； three-phase unbalance； virtual three-phase symmetrical system

TM421；TM714.3

A

1004－7913（2017）11－0035－05

张 起 （1990），男，工程师，从事电力系统运行与控制技术工作。

2017－05－12）