靜止同步補償器的潮流控制性能分析

汪清涓，黃懌浩

（1.廣西電網(wǎng)公司欽州供電局，廣西 欽州 535000；2.國投欽州發(fā)電有限公司，廣西 欽州 535008）

1 前言

柔性交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS）因其靈活、穩(wěn)定、高效的特性得到了廣泛的研究和迅速的推廣應(yīng)用。靜止同步補償器（static synchronous compensator，STATCOM）是 FACTS 的核心控制器之一，屬于基于變換器型FACTS控制器，控制器可以采用電壓型變換器（voltage sourced converter，VSC），也可采用（current sourced converter，CSC）。

STATCOM可向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收無功和/或有功功率，進(jìn)而可以控制電力系統(tǒng)的無功功率和/或有功功率的平衡。因而，STATCOM可改變電網(wǎng)的阻抗特性，提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，改善電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，維持或控制節(jié)點電壓，通過潮流變化阻尼系統(tǒng)振蕩。

2 STATCOM的基本原理

2.1 理想狀態(tài)下STATCOM的工作原理

實用的大容量STATCOM基本上都采用電壓型變換器（voltage sourced converter，VSC），STATCOM 的主電路包括作為儲能元件的電容和基于電力電子器件的VSC，變換器通過連接電抗（或變壓器）接入系統(tǒng)。

圖1 STATCOM接入系統(tǒng)的簡化電路

理想情況下（忽略線路阻抗和 STATCOM的損耗），如圖1所示，可將STATCOM的輸出等效成“可控”電壓源，系統(tǒng)視為理想電壓源，兩者相位一致，當(dāng)UI＞US時，從系統(tǒng)流向STATCOM的電流相位超前系統(tǒng)電壓90°，STATCOM工作于“容性”區(qū)，輸出感性無功；反之，當(dāng)UI＜US時，從系統(tǒng)流向STATCOM的電流相位滯后系統(tǒng)90°，STATCOM工作于“感性”區(qū)，吸收感性無功；當(dāng)UI=US時，系統(tǒng)與STATCOM之間的電流為0，不交換無功功率。由此可見，STATCOM輸出無功功率的極性和大小決定于UI和US的大小，通過控制UI的大小就可以連續(xù)調(diào)節(jié)STATCOM發(fā)出或吸收無功的多少。

2.2 STATCOM的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

由于STATCOM采用了電壓型橋式電路，因此必須通過連接電抗器或變壓器并入系統(tǒng)，連接電抗器的作用是將變換器與交流母線這兩個電壓不等的電源連接，另一作用是抑制電流中的高次諧波，用x等值變壓器漏抗或連接電抗，r等值銅耗和STATCOM引起的有功損耗，則變換器從系統(tǒng)吸收的有功功率為

式中:US—系統(tǒng)電壓，作為參考相量；UI—變換器輸出電壓；δ—UI滯后US的角度。

STATCOM送入系統(tǒng)的無功功率為

穩(wěn)態(tài)情況下，變換器既不吸收也不發(fā)出有功功率，在式（1）中令P=0可得

將式（3）代入式（2）可得

由式（4）可見，調(diào)整相位角δ可改變STATCOM向系統(tǒng)輸入的無功功率，STATCOM的穩(wěn)態(tài)運行相量圖如圖2所示。δ的變化范圍很小，當(dāng)STATCOM從系統(tǒng)吸收無功功率時，滯后的角度為 δ，由圖 2（b）可見δ總小于α，而等值電阻r的值相對于等值電抗x的值來說很小，因此α的值很小。當(dāng)STATCOM向系統(tǒng)注入無功功率時，超前的角度為 δ，由于電阻r的值不大，因此δ的值受補償電流最大值的約束不大。近似分析時直接忽略電阻r，則在式（1）和式（2）中令α和δ為零，可得

圖2 STATCOM穩(wěn)態(tài)運行相量圖

由式（5）可見，UI大于US則STATCOM向系統(tǒng)注入無功功率，反之則吸收無功功率。

在潮流計算中，可將STATCOM視為一個并聯(lián)在節(jié)點上的電容或電抗，向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收無功功率。因此，可將裝有STATCOM的節(jié)點作為PV節(jié)點，其控制目標(biāo)是支撐該節(jié)點的電壓幅值為US。而維持US所需的該節(jié)點注入無功功率Qin與節(jié)點電壓的相位δ可由STATCOM安裝前的潮流計算得出。

3 STATCOM的潮流控制性能分析

以五節(jié)點系統(tǒng)為例，在此系統(tǒng)中，節(jié)點1的無功損耗較重，電壓偏低，因此將STATCOM安裝于節(jié)點1處。如圖3所示，STATCOM并聯(lián)于節(jié)點1。

圖3 安裝STATCOM的5節(jié)點系統(tǒng)

對STATCOM安裝前后的5節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將數(shù)據(jù)對比如表1和表2所示。

表1 STATCOM安裝前后的電源出力比較（P，Q—標(biāo)么值）

表2 STATCOM安裝前后的節(jié)點電壓比較（U—標(biāo)么值）

由表1可見，在節(jié)點1處安裝STATSCOM后，電源G4、G5的無功出力有所降低。STATSCOM向系統(tǒng)注入無功功率，減少了電源的無功出力。而由表2可見，節(jié)點1的電壓由 0.86升至 0.99，接近于1.00，STATSCOM起到了補償無功，支撐該節(jié)點電壓的作用。

以14節(jié)點系統(tǒng)為例，選擇在遠(yuǎn)離電源的節(jié)點14處安裝STATCOM。由表3可見，安裝STATCOM后，電源G6、電源G8的無功出力有所減少。STATCOM向系統(tǒng)注入無功功率，補償系統(tǒng)無功損耗，保持節(jié)點電壓在合理范圍內(nèi)。

表3 STATCOM安裝前后的電源無功出力比較（Q—標(biāo)么值）

4 小結(jié)

本文介紹了STATCOM的基本原理，并通過對其穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的闡述詳細(xì)分析了STATCOM的工作原理。以安裝STATCOM的5節(jié)點系統(tǒng)與14節(jié)點系統(tǒng)為例，直觀地展示了STATCOM的潮流控制性能，在電力系統(tǒng)中安裝STATCOM是一種靈活、有效的潮流控制手段。

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