D-STATCOM容量配置方法及其在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果分析

曹華珍，黃春艷，張勇軍

(1.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東廣州510080;2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東廣州510640;3.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640)

D-STATCOM容量配置方法及其在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果分析

曹華珍1，黃春艷2，張勇軍3

(1.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東廣州510080;2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東廣州510640;3.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640)

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負荷波動性大，易造成供電電壓的波動和不穩(wěn)定，嚴重影響到供電質(zhì)量和用戶用電的安全性和經(jīng)濟性。本文簡要介紹了D-STATCOM的結(jié)構(gòu)和工作原理，分別提出了根據(jù)無功電量、沖擊源的無功損耗量和PCC點電壓波動限制確定D-STATCOM配置容量的實用方法，指出了各種配置方法的適用場合，對D-STATCOM在廣東電網(wǎng)變電站中的應(yīng)用效果進行了分析，研究表明D-STATCOM可有效解決近區(qū)電網(wǎng)的電壓波動和不穩(wěn)定問題。

D-STATCOM;配置容量;配電網(wǎng);電壓波動;沖擊源

1 引言

隨著分布式電源數(shù)量和容量的日益增加，其發(fā)電功率的隨機性、間歇性、季節(jié)性等特點使得局部電網(wǎng)無功功率波動問題更加突出;電弧爐、電氣化鐵路等非線性、不平衡負荷的增加，對電網(wǎng)電壓波動和畸變等影響也不斷增大。輸電系統(tǒng)采用FACTS技術(shù)可在一定程度上改善電壓波動和不穩(wěn)定問題，然而與用戶直接相連的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負荷波動性大，故障發(fā)生幾率高，供電電壓的波動和不穩(wěn)定程度更為嚴重，對供電質(zhì)量和用戶用電的安全性和經(jīng)濟性造成較大影響，所以有必要在配電網(wǎng)中采用新的技術(shù)來改善其電壓波動和不穩(wěn)定，滿足用戶對供電電壓的要求。

用于配電網(wǎng)的D-STATCOM以配電系統(tǒng)無功補償和電能質(zhì)量控制為主要目標，可調(diào)節(jié)公共連接點(Point of Common Coupling，PCC)處的電壓幅值，有效解決電壓波動和不穩(wěn)定問題。文獻［1］研究表明，在配電變電站低壓側(cè)安裝多套小容量無功補償設(shè)備比在輸電系統(tǒng)或者變電站集中安裝高壓大容量無功補償裝置具有優(yōu)越性;文獻［2，3］報道了利用D-STATCOM改善澳大利亞遠距離配電農(nóng)網(wǎng)中的電壓調(diào)節(jié)性能，取得了不錯的效果。但如何進行DSTATCOM容量合理配置是一個較為困惑的問題。

本文基于D-STATCOM的結(jié)構(gòu)和工作原理，研究了D-STATCOM配置容量的實用方法，并以廣東典型配電站為例對應(yīng)用D-STATCOM效果進行分析。

2 D-STATCOM的結(jié)構(gòu)和工作原理

D-STATCOM按其直流側(cè)儲能元件不同，分為電壓型和電流型兩種。前者直流側(cè)以電容為儲能元件，主電路采用三相電壓源橋式變換電路［4］(如圖1所示)，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，再通過串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)，電抗器起到阻尼過電流、濾除紋波作用;后者直流側(cè)以電感為儲能元件，主電路采用電流源變換電路，將直流電流逆變?yōu)榻涣骱笏腿腚娋W(wǎng)，并聯(lián)于交流側(cè)的電容器可吸收換相產(chǎn)生的過電壓。由于電流型D-STATCOM運行效率較低，工程應(yīng)用中投入運行的絕大部分是電壓型，本文以電壓型為例說明D-STATCOM的工作原理。

圖2(a)為D-STATCOM單相等效電路結(jié)構(gòu)圖，Us為電網(wǎng)電壓，Uc為D-STATCOM交流側(cè)電壓，兩者相位差為δ;R和X分別為D-STATCOM等效電阻和電抗。由于變流器運行時無需有功能量，電流I與Uc的相位差應(yīng)為90°。當I超前(或滯后)Uc時，D-STATCOM吸收容性(或感性)無功功率(如圖2(b)所示)。

圖1 D-STATCOM的主電路Fig.1 Main circuit of D-STATCOM

圖2 D-STATCOM的工作原理Fig.2 Working principle of D-STATCOM

設(shè)Us為參考相量，由圖2(a)可得到:

忽略電阻R時可得到:

則電網(wǎng)向D-STATCOM提供的復(fù)功率為:

結(jié)合圖2，還可得到電流無功分量如下［5］:

無功補償無功功率大小為:

因此，只要適當控制δ值，就可動態(tài)調(diào)節(jié)DSTATCOM輸出無功電流大小及其性質(zhì)。

3 D-STATCOM配置容量確定方法

3.1 無功補償配置方式分析

對于沖擊源接入的變電站，如全部由電容器和電抗器補償，由于其補償采用自動電壓控制(Automatic Voltage Control，AVC)策略，要求無功補償裝置投切動作間隔不能小于5min，否則會嚴重縮短補償裝置的開關(guān)壽命。此外，部分沖擊源功率瞬間可達到最大負荷水平，一般電容電抗器來不及投切，需配置一定容量的動態(tài)無功補償。綜合考慮投資費用及動態(tài)無功補償裝置在現(xiàn)有技術(shù)水平下的容量限制要求，無功補償配置全部為D-STATCOM不大現(xiàn)實。

為提高D-STATCOM的無功補償范圍，在提高補償效果的同時減小設(shè)備投資費用，推薦將靜態(tài)無功補償裝置與D-STATCOM配合使用。分析確定DSTATCOM配置容量時，首先應(yīng)了解補償點的最大無功功率值，以確定無功配置的總?cè)萘?其次，在靜態(tài)無功補償和D-STATCOM補償配合使用時，建議DSTATCOM的配置容量略大于靜態(tài)無功補償容量。當接入點電壓水平長期偏低時，可先投入電容器，再利用D-STATCOM進行動態(tài)調(diào)節(jié);當接入點電壓水平長期偏高時，可退出電容器，必要時投入電抗器，再利用D-STATCOM進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

3.2 根據(jù)無功電量確定無功補償配置容量

采集沖擊源典型工作日一天的無功功率大小，數(shù)據(jù)采集周期Δt盡量小，單位為分鐘。將采集的無功數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小和持續(xù)時間排列，數(shù)據(jù)相近的進行歸類并以均值表示，可得到無功功率日持續(xù)曲線，如圖3所示。

圖3 無功功率日持續(xù)曲線Fig.3 Daily reactive power curve

記t0為一天內(nèi)負荷工作總時間，則，用數(shù)學(xué)函數(shù)擬合無功功率日持續(xù)曲線，可得到無功功率與時間關(guān)系曲線Q(t)，如圖4所示。

根據(jù)無功補償就地平衡原則，理想狀態(tài)下接入點的無功量應(yīng)控制為0。由圖4可見，安裝的靜態(tài)無功補償容量Qc1和動態(tài)無功補償容量Qc2應(yīng)不小于沖擊源無功功率最大值Qm;時間tc之后為靜態(tài)無功補償過補償狀態(tài)，此時并非沖擊源的實際無功需求，這種需要由動態(tài)無功補償運行在感性狀態(tài)來抵消電容器過補償?shù)臒o功電量應(yīng)越小越好。若以無功電量WQ(圖4中陰影部分的面積)來衡量動態(tài)無功補償工作在感性無功補償所吸收的無功電量，顯然WQ越小，總體無功補償配置中重復(fù)配置的量也就越小，技術(shù)經(jīng)濟性就越好。

圖4 無功功率與時間關(guān)系曲線Fig.4 Reactive power-time curve

由此確定綜合無功配置的目標函數(shù)及其約束條件分別為:

式中，t為時間;Q(t)為一天內(nèi)無功負荷與時間的函數(shù)關(guān)系;C為無功補償預(yù)投資費用;C1、C2分別為靜態(tài)無功補償裝置與動態(tài)無功補償裝置投資代價系數(shù)。

求解上式即可得到?jīng)_擊源接入點的理想無功補償配置容量，包括靜態(tài)無功補償和D-STATCOM配置容量。值得說明的是，為了使得電容器補償過剩(即圖中tc點之后情況)時，D-STATCOM能最大程度實現(xiàn)接入點的無功就地平衡，要求Qc1≤Qc2。

3.3 根據(jù)沖擊源的無功損耗量確定配置容量

該方法主要適用于風電場等分布式發(fā)電的沖擊源。由于風電場中風機數(shù)量較多，發(fā)電后要進行升壓并且通過集電線路送到并網(wǎng)點，并網(wǎng)點處還有升壓變無功損耗，該過程將產(chǎn)生較大的無功損耗，而風電場出力波動時該無功損耗也隨著變化，從而導(dǎo)致并網(wǎng)點的電壓波動［6］。因此，無功補償配置容量應(yīng)在風電場出力滿發(fā)時滿足:

式中，Qc為無功補償容量;QG為風電場無功出力; QGT為機組升壓變總無功損耗;QL為集電線路總無功損耗;QT為并網(wǎng)點升壓變總無功損耗。

實際上，風電場出力波動時會導(dǎo)致并網(wǎng)點與中樞變電站之間線路損耗變化，從而影響并網(wǎng)點電壓。如要保證并網(wǎng)點電壓水平不變，其并網(wǎng)點變電站的無功補償配置容量應(yīng)適當增加。

3.4 根據(jù)PCC點電壓波動限制確定配置容量

對于電網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點，均可用短路容量來表征其與電源點的聯(lián)系緊密程度，因此可用圖5所示的短路阻抗等值電路進行分析。

圖5 短路阻抗等值電路Fig.5 Short circuit impedance equivalent circuit

由電壓損耗近似計算公式可以得到負荷波動前后PCC點的電壓分別為:

式中，V0為電源點電壓;V1為當負荷為 P+jQ時PCC點電壓，ΔV1是此時PCC點和電源點之間的網(wǎng)絡(luò)電壓損耗;V'1為當負荷功率波動后 PCC點電壓，ΔV'1是相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)電壓損耗;Rk+jXk為短路阻抗;ΔP+jΔQ為功率波動量。

設(shè)ΔV為節(jié)點1的電壓波動量，即ΔV=V1－V'1，從而由式(9)和式(10)可推導(dǎo)得:

令ΔS為沖擊源接入點視在功率波動量，則:

式中，φ為沖擊源功率因數(shù)角。

由式(11)和式(13)可得:

當ΔV取PCC點的最大電壓波動量ΔVmax時，可得到其允許的功率波動幅值ΔSmax為:

根據(jù)沖擊源的功率特性和聯(lián)系數(shù)方法［7］，沖擊源功率SL可以分為平穩(wěn)部分Ss和波動部分Sim，波動變化的特性可以通過隨機算子i來反映，即有:

對于Ss，可采用一般電容器補償，記補償容量為Qc1，而對于具有波動隨機性的 Sim，則可以配置D-STATCOM，記補償容量為Qc2。電容器補償后，若PCC點的電壓偏移量仍超出允許范圍，則動態(tài)無功補償配置容量應(yīng)該至少滿足補償后iSim最大值與ΔSmax差值引起的電壓偏移為零。

由此得到確定D-STATCOM的補償配置容量步驟如下:

(1)根據(jù)沖擊源平穩(wěn)功率Ss，由式(12)得到電壓偏移ΔVs，將ΔVs代入式(15)并將有功功率設(shè)置為零，則可以得到靜態(tài)無功補償配置容量Qc1;

(2)根據(jù)PCC點電壓允許偏移值ΔVpcc，由式(16)可得PCC點允許功率波動量ΔSmax;

(3)ΔSmax與Sim最大值之差得到功率波動越限量，類似于步驟(1)，則可得到Qc2。

3.5 各種配置方法評價

根據(jù)無功電量確定無功補償配置容量的方法可根據(jù)沖擊源負荷性質(zhì)直接計算得到靜態(tài)/動態(tài)無功配置方案，由于是基于無功平衡而未兼顧電壓控制的需求，其主要適應(yīng)于電能質(zhì)量問題不突出的配電網(wǎng)。

根據(jù)沖擊源的無功損耗量確定配置容量的方法針對風電場發(fā)電環(huán)節(jié)的無功損耗進行補償，考慮的因素較少，據(jù)此確定的無功補償容量往往不能滿足調(diào)壓的需求，通常用于無功補償投資預(yù)算較保守的情況。

根據(jù)PCC點電壓波動限制確定配置容量的方法的立足點是避免沖擊源功率波動帶來配電網(wǎng)的電壓越限，因此主要適用于風電場等分布式發(fā)電的沖擊源，且配電網(wǎng)的電壓波動受分布式發(fā)電影響較為嚴重的場合。

4 D-STATCOM應(yīng)用效果仿真分析

4.1 分布式電源接入配電網(wǎng)時的仿真分析

接入了新興風電場的某市興瑤片區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，風電場裝機總?cè)萘繛?7.6MW，出力曲線如圖7所示。由于風電場采用異步發(fā)電機，對有功無功控制性能較差，風電出力曲線波動較大。

圖6 興瑤片區(qū)架構(gòu)圖Fig.6 System wiring diagram of Xingyao area

圖7 出力曲線Fig.7 Power curves

在風電場配置容量為±9Mvar的D-STATCOM后，仿真分析D-STATCOM投入前后片區(qū)內(nèi)各變電站10kV電壓水平，如圖8所示。顯然，D-STATCOM接入風電場后，接入點的無功波動明顯變小，各站電壓波動程度也相應(yīng)變小。

圖8 興瑤片區(qū)各站10kV母線電壓曲線Fig.8 Voltage curves of 10kV buses in Xingyao area

4.2 沖擊負荷接入配電網(wǎng)時的仿真分析

本節(jié)主要以軋鋼廠中的電弧爐負荷接入某市長安片區(qū)配電網(wǎng)時的無功配置進行分析。長安片區(qū)高壓配電網(wǎng)以220kV長安站為輻射中心，下接有5座110kV變電站。2012年片區(qū)最大負荷548MW，總體負荷水平較高。長安片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 長安片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖Fig.9 System wiring diagram of Changan area

在長安片區(qū)草圍站110kV母線接入鋼廠電弧爐負荷，此時馬達負荷占母線有功負荷比例為80%。電弧爐負荷的功率最大值為 29.81+ j10.84MVA，穩(wěn)態(tài)值為18.0+j8.7MVA，沖擊高峰時刻為1s，穩(wěn)態(tài)起始時刻為2s，功率曲線如圖10所示。

圖10 沖擊負荷功率曲線Fig.10 Power curve of impact load

在草圍站 10kV母線接入額定容量為 ± 3.5Mvar的 D-STATCOM，采用定電壓控制。DSTATCOM投入前后片區(qū)內(nèi)各站10kV電壓水平如圖11所示。D-STATCOM接入前，在沖擊負荷沖擊作用下，接入點電壓跌落較大;接入D-STATCOM后，系統(tǒng)整體電壓都可維持在較高水平，且具有較好的動態(tài)效應(yīng)，比接入前電壓恢復(fù)得更快。

圖11 草圍片區(qū)各站10kV母線電壓曲線Fig.11 Voltage curves of 10kV buses in Caowei area

5 結(jié)論

(1)分布式電源、沖擊負荷等特殊負荷對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)為電壓的暫態(tài)變化，D-STATCOM等動態(tài)無功補償可較好抑制電壓的暫態(tài)波動。

(2)為提高D-STATCOM的無功補償范圍，提高補償效益同時減小設(shè)備投資費用，可考慮將靜態(tài)無功補償裝置與D-STATCOM配合使用。

(3)對沖擊源接入點的動態(tài)無功補償配置容量的選擇，可采用無功電量、無功損耗量及PCC點電壓波動限制等方法進行確定。

(4)從應(yīng)用效果分析可知，D-STATCOM補償后的電壓質(zhì)量能得到提高，補償效果較好。

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D-STATCOM capacity allocation methods and analysis of application effect on distribution system

CAO Hua-zhen1，HUANG Chun-yan2，ZHANG Yong-jun3
(1.Grid Planning＆Research Center，Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China; 2.Guangzhou Power Electric Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510640，China;3.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The distribution network structure is complex and the fluctuation of loads is so great that it is easy to cause the voltage fluctuation and instability.The quality of power supply and safety and economy of consumer are influenced seriously.The adoption of new technology is necessary to mitigate the voltage fluctuation and instability to meet the requirements of users.The primary objectives of STATCOM applied to transmission system are controlling power flow efficiently and improving the stability，reliability and the transmission capacity of power system.STATCOM is called D-STATCOM when it is applied to distribution system，and its primary objectives are compensating the reactive power and improving the power quality of distribution system.This paper gives a brief introduction to the structure and operational principle of D-STATCOM，and puts forward to the Applicable Capacity Allocation Methods of D-STATCOM，respectively，based on the reactive electricity quantities，the reactive power wastage of impulse source and the voltage fluctuation limit of PCC point.At last，the application effect of D-STATCOM on the transformer substations of Guangdong Power Grid is analyzed.The study indicates that the D-STATCOM can effectively solve the voltage fluctuation and unstable problems of the near district power grid.

D-STATCOM;capacity allocation;distribution system;voltage fluctuation;impulse source

TM714

:A

:1003-3076(2015)07-0069-06

2014-02-25

曹華珍(1974-)，女，湖北籍，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計及系統(tǒng)分析;黃春艷(1981-)，女，廣西籍，工程師，研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃與運行分析。