應(yīng)用STATCOM抑制配電網(wǎng)的電壓暫降

袁愿

(廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，廈門 361001)

1 前言

電壓暫降是指供電系統(tǒng)中工頻電壓有效值突然下降至額定值的10% ～90%［1］，持續(xù)時(shí)間在0.5周波到1分鐘之間的電磁擾動(dòng)。在諸多電能質(zhì)量問題中，電壓暫降首當(dāng)其沖［2］，已成為一種突出的電能質(zhì)量問題。隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展和系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的重大變化，如變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、自動(dòng)生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電壓敏感設(shè)備的大量使用，暫態(tài)電能質(zhì)量問題引發(fā)的事故越來越多，歐洲某電力部門的調(diào)查結(jié)果表明:在因電能質(zhì)量引起的用戶投訴中，在工業(yè)化國(guó)家，電壓暫降已上升為最重要的電能質(zhì)量問題之一，目前已受到廣泛關(guān)注，電壓暫降分析與評(píng)估、抑制措施成為研究的熱點(diǎn)［3］。

2 電壓暫降的產(chǎn)生原因與危害

電壓暫降是由電力系統(tǒng)中某處電流突然增大造成的，其產(chǎn)生的原因涉及到電力系統(tǒng)和用戶兩方面，既可能源于系統(tǒng)故障，也有可能由用戶負(fù)荷運(yùn)行而產(chǎn)生。電壓暫降的故障原因非常復(fù)雜，有自然因素，也有人為因素，有供電部門系統(tǒng)保護(hù)的因素，也有設(shè)備原因和誤操作等因素，而典型的電壓暫降與系統(tǒng)故障及非正常電流上升的發(fā)生密切相關(guān)，如短路、雷擊、開關(guān)操作、感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)、變壓器及電容器組的投切等都會(huì)引起電壓暫降［4］。

調(diào)查和分析顯示，電力系統(tǒng)短路故障是引起電壓暫降的主要原因，其中輸配電系統(tǒng)單相接地短路故障是產(chǎn)生電壓暫降最主要因素。目前，輸電線短路故障引起的電壓暫降，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家的廣泛關(guān)注。對(duì)于配電系統(tǒng)而言，線路主保護(hù)一般是分段式電流保護(hù)，該保護(hù)的最大缺陷就是在線路故障時(shí)不能做到無延時(shí)地切除故障。即使是無延時(shí)保護(hù)，其固有動(dòng)作時(shí)間也要6～9個(gè)周期。這樣就會(huì)造成故障線路母線及其附近區(qū)域的電壓降低。如果故障線路或其附近線路上接有敏感負(fù)荷，則在故障期間，線路上的敏感負(fù)荷將跳閘以至被迫退出工作。如果配電線路上再裝有重合閘裝置，由此引發(fā)的電壓暫降次數(shù)將成倍增加。配電系統(tǒng)故障引發(fā)的電壓跌落的幅值大部分都在30%額定值以下［5］。

從總體上看，電壓暫降帶來的損失是巨大的，其危害性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:第一、影響用電負(fù)荷的正常運(yùn)行，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失;第二、系統(tǒng)故障或大電機(jī)啟動(dòng)導(dǎo)致的電壓暫降較嚴(yán)重時(shí)將引起敏感負(fù)荷群的欠壓或失壓脫扣繼電器動(dòng)作，造成大面積負(fù)荷損失，由此引起的負(fù)荷沖擊會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，并且在故障切除后系統(tǒng)出現(xiàn)的有功不平衡也容易引發(fā)頻率問題;第三，某些關(guān)鍵的用電負(fù)荷，如大型醫(yī)院、銀行、數(shù)據(jù)中心等往往是敏感負(fù)荷較為集中的區(qū)域，由電壓暫降導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)有可能帶來人員受傷、設(shè)備損壞等。

3 解決方案

從不同技術(shù)路線考慮，可以將電壓暫降的解決方案歸納為以下三類:

第一類為改善敏感設(shè)備自身性能。該方案主要采取提高用電設(shè)備的抗擾能力實(shí)現(xiàn)。終端用戶在設(shè)備訂貨合同上應(yīng)向設(shè)備制造商明確提出技術(shù)要求，使所購(gòu)設(shè)備具備一定的抗電壓暫降能力，也可以通過分析，調(diào)整電子裝置內(nèi)部某些環(huán)節(jié)參數(shù)來解決，如果電壓暫降是由于用戶大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的，則應(yīng)改進(jìn)啟動(dòng)方式 (如由全壓?jiǎn)?dòng)改為降壓?jiǎn)?dòng)，由硬啟動(dòng)改為軟啟動(dòng))或增加公共連接點(diǎn)的短路容量來解決［9］。

第二類為基于優(yōu)化供電系統(tǒng)配置的解決方案:主要包括減少公用電網(wǎng)故障次數(shù);通過在敏感負(fù)荷附近加設(shè)供電電源;采用母線分段或多設(shè)配電站的方法來限制同一回供電母線上的饋線數(shù)或在系統(tǒng)的關(guān)鍵位置安裝限流線圈，以增加與故障點(diǎn)間的電氣距離等改變供電方式;采用固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)SSTS縮短故障清除時(shí)間［1］;加裝失壓脫扣裝置等。

第三類是在系統(tǒng)側(cè)或負(fù)荷側(cè)加裝電壓補(bǔ)償設(shè)備。通常，主要可采取安裝不間斷電源 (UPS)、串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (DVR)或STATCOM裝置實(shí)現(xiàn)。

對(duì)上述各種方案的比較可知，采用固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)縮短故障清除時(shí)間、加裝UPS、安裝串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR和安裝STATCOM裝置是電壓暫降治理效果較好的四種方案。隨著系統(tǒng)中敏感用戶的增多，多用戶同時(shí)補(bǔ)償技術(shù)存在多個(gè)補(bǔ)償器相互配合、相互影響的問題，在考慮配電網(wǎng)電壓暫降綜合治理方案時(shí)，采用從用戶側(cè)補(bǔ)償?shù)碾妷簳航狄种品桨笗?huì)大幅增加總投資和總損耗?？紤]到大部分電壓暫降由系統(tǒng)故障引起，故從電壓暫降擾動(dòng)源側(cè) (系統(tǒng)側(cè))統(tǒng)一解決更加有利于提高配網(wǎng)暫態(tài)電壓質(zhì)量的整體水平。下面主要介紹系統(tǒng)側(cè)基于TATCOM的配電網(wǎng)電壓暫降抑制方案的原理及系統(tǒng)組成等。

4 方案分析

4.1 工作原理

基于STATCOM的配電網(wǎng)電壓暫降抑制方案主要由并聯(lián)接入系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的STATCOM、升壓變壓器、限流電抗器、旁路開關(guān)組成。相對(duì)于串聯(lián)型電壓恢復(fù)器DVR方案而言，該系統(tǒng)可被認(rèn)為是一種并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (也稱為PQIVR)，通過快速、精確地注入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流以抵消電壓跌落部分從而實(shí)現(xiàn)電壓暫降的抑制效果。

下面針對(duì)電壓暫降發(fā)生前后，對(duì)該方案工作原理進(jìn)行分析。圖1為簡(jiǎn)化后的配電網(wǎng)等效電路。其中，為配電網(wǎng)等效電壓，為敏感性負(fù)荷接入系統(tǒng)公共點(diǎn) (PCC)處電壓，為負(fù)荷電流，Zs為配電網(wǎng)等效阻抗，Ψ為系統(tǒng)阻抗角，ZL為敏感性負(fù)荷等效阻抗，φ為負(fù)荷阻抗角。

圖1 敏感性負(fù)荷供電系統(tǒng)等效電路

在電壓暫降發(fā)生前，存在如下關(guān)系:

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，電壓暫降發(fā)生，假設(shè)此時(shí)配網(wǎng)等效電壓降低為，PCC點(diǎn)電壓降為，負(fù)荷電流變?yōu)?，則有:

敏感負(fù)荷接入點(diǎn)處電壓暫降分量為:

考慮加裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器抑制電壓暫降，提高PCC點(diǎn)處電壓，則配電系統(tǒng)等效電路如圖2，補(bǔ)償后，PCC點(diǎn)處電壓為

圖2 加裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器后的供電系統(tǒng)等效電路

此時(shí)，PCC點(diǎn)處的電壓為:

故安裝并聯(lián)型電壓恢復(fù)器后，電壓暫降分量變?yōu)?

由 (6)、(7)式可知，當(dāng)安裝并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器后，負(fù)荷側(cè)電壓增大，電壓暫降分量減小，電壓暫降影響得到抑制，圖3為各變量的向量關(guān)系圖。

圖3 各變量的向量關(guān)系

同時(shí)，由式 (5)可知，為增強(qiáng)電壓暫降抑制效果，可以通過增大STATCOM補(bǔ)償容量，并安裝串聯(lián)限流電抗器實(shí)現(xiàn)。式中，為STATCOM向系統(tǒng)注入的無功電流，表征補(bǔ)償容量，反映安裝串聯(lián)電抗器后的負(fù)荷電流，當(dāng)限流電抗器串聯(lián)入系統(tǒng)后，負(fù)荷電流減小，電壓暫降抑制作用增強(qiáng)。

4.2 系統(tǒng)組成與工作過程

圖4為并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的典型接線圖。系統(tǒng)主要由電壓恢復(fù)器、升壓變壓器、限流電抗器、免維護(hù)旁通開關(guān)組成。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (即STATCOM)通過升壓變壓器連接至配電網(wǎng);免維護(hù)旁通開關(guān)為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其開斷時(shí)間在1/4～1/2周波以內(nèi)，當(dāng)電壓正常時(shí)，其處于常閉狀態(tài);限流電抗器僅當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)接入系統(tǒng)。

并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的主要作用是作為電壓支撐設(shè)備保護(hù)敏感用電負(fù)荷免受電壓暫降的影響，其基本工作過程為:當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到受保護(hù)的供電母線發(fā)生電壓暫降時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器立即向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流，隨后免維護(hù)旁通開關(guān)斷開，限流電抗器接入供電系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器向受保護(hù)供電母線注入的補(bǔ)償電流由限流電抗器流向系統(tǒng)，且在系統(tǒng)等效阻抗上產(chǎn)生一個(gè)電壓分量，從而提高敏感負(fù)荷供電母線的電壓;當(dāng)受保護(hù)的供電母線的電壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)時(shí)，免維護(hù)旁通開關(guān)恢復(fù)閉合狀態(tài)，限流電抗器被旁路，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器向系統(tǒng)注入的補(bǔ)償電流降至0。

圖4 并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器典型接線圖

限流電抗器的作用是增大系統(tǒng)等效阻抗，降低負(fù)荷母線處短路容量，從而增大動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償作用。當(dāng)負(fù)荷側(cè)母線電壓需要達(dá)到較高的電壓提升時(shí)，往往通過在供電饋線中安裝限流電抗器實(shí)現(xiàn)，從而無需增加動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的額定容量，因此，限流電抗器有利于節(jié)省項(xiàng)目投資。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)預(yù)期的電壓恢復(fù)程度及所接入系統(tǒng)的強(qiáng)弱，決定是否安裝設(shè)限流電抗器。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠在數(shù)毫秒內(nèi)檢測(cè)到電壓變化情況，并及時(shí)響應(yīng)電壓暫降事件，且能夠?qū)γ舾胸?fù)荷母線電壓提供高達(dá)60%額定電壓范圍的電壓提升能力。由于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償，因此它也能夠在電壓暫升時(shí)，發(fā)揮60%額定電壓范圍的電壓調(diào)節(jié)能力將電壓降低至正常水平［10］。

此外，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的直流側(cè)還可配置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，以發(fā)揮更大的電壓補(bǔ)償能力。

與串聯(lián)型補(bǔ)償系統(tǒng)不同的是，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓暫降恢復(fù)能力不受負(fù)荷的影響。當(dāng)敏感負(fù)荷容量增大時(shí)，該解決方案仍具有較好的抑制效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，有效抑制電壓暫降不僅是提高供電質(zhì)量的重要內(nèi)容，也有利于保障電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。基于STATCOM的并聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是抑制電壓暫降的最有效方案之一。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，基于STATCOM的電壓暫降抑制方案能夠有效保障瞬時(shí)電壓暫降發(fā)生時(shí)電壓敏感負(fù)荷的正常工作，從而避免重大損失。

［1］IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment［J］ .IEEE Std.1346，1998.

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