D-STATCOM在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

平　增,　張　娟

(駐馬店市建筑勘察設(shè)計院有限公司, 河南 駐馬店　463000)

?

D-STATCOM在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

平增,張娟

(駐馬店市建筑勘察設(shè)計院有限公司, 河南 駐馬店463000)

摘要：在配電網(wǎng)中,配電網(wǎng)靜止同步補償器(D-STATCOM)能穩(wěn)定公共接入點電壓,連續(xù)快速地調(diào)節(jié)無功功率。研究了配電網(wǎng)靜止無功補償器通過與公共連接點進行無功功率交換,使公共連接點電壓維持在參考電壓值。采用MATLAB進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明,應(yīng)用配電網(wǎng)靜止無功補償器可以降低網(wǎng)絡(luò)損耗,改善供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)靜止無功補償器; 無功功率; 公共連結(jié)點; MATLAB仿真

0引言

電壓質(zhì)量是衡量電能質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,大量非線性、不平衡的負荷出現(xiàn)在生產(chǎn)、生活中。電能質(zhì)量會受到這些負荷的影響,導(dǎo)致無功功率增加,功率因數(shù)降低,出現(xiàn)電壓波動等問題,甚至?xí)闺娋W(wǎng)電壓崩潰、系統(tǒng)解列[1]。電力系統(tǒng)中無功功率影響電壓的水平,所以電網(wǎng)中廣泛使用無功補償設(shè)備。傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備一般都采用晶閘管投切電容器組或固定電容器+晶閘管控制電抗器,但這兩種無功補償裝置的響應(yīng)速度較慢,體積偏大。配電網(wǎng)靜止同步補償器(Distribution Static Synchronous Compensator,D-STATCOM)作為一種重要的用戶電力裝置,與其他傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備相比,響應(yīng)時間短,補償能力強,且能從感性到容性連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率,已成為現(xiàn)階段配電網(wǎng)無功補償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向。

1D-STATCOM補償電壓的基本原理

D-STATCOMTATCOM基本工作原理是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯(lián)到電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,或直接控制其交流側(cè)電流,使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流,實現(xiàn)穩(wěn)定接入點電壓[2]。根據(jù)D-STATCOM裝置直流側(cè)儲能元件的不同,主電路可以分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路。電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)簡單、易控制、運行效率高,所以本文選用電壓型橋式電路作為主電路結(jié)構(gòu)。D-STATCOM基本結(jié)構(gòu)電路圖如圖1所示。

圖1中,電容的作用是提供電壓支撐;電壓源逆變器采用大功率絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gage Bipolar Transistor,IGBT),使用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)技術(shù)來控制IGBT的通斷;電抗器起到濾除高次諧波和使變流裝置及電力系統(tǒng)耦合起來的作用。

圖1　D-STATCOM基本結(jié)構(gòu)電路圖

D-STATCOM補償電壓的基本原理圖如圖2所示。

圖2　D-STATCOM補償電壓的基本原理圖

圖2中,Us為配電網(wǎng)電壓,Upcc為配電網(wǎng)與D-STATCOM的公共連接點(Point of Common Coupling,PCC)電壓,Il為負載電流,Ic為補償電流,Zs為等效阻抗,Sl為負載的視在功率。由圖2可知,當(dāng)D-STATCOM沒有投入時,壓降為

ΔU=Us-Upcc=ZsIl

(1)

因

S=UI*

(2)

S*=U*I

(3)

由式(2),可得

(4)

所以

(5)

由式(5)可知,參考電壓矢量用PCC電壓Upcc來表示,則ΔU可以由與Upcc相位一致的ΔUR和與Upcc正交的ΔUX組成。無D-STATCOM補償時的矢量圖如圖3所示。

圖3　無D-STATCOM補償時的矢量圖

圖3中,當(dāng)Us與Upcc之間的相位差較小時,可以忽略ΔUX,所以

(6)

用戶端的電壓會隨負荷側(cè)無功功率的變化而變化,所以采用D-STATCOM裝置來補償變化的無功功率。投入D-STATCOM補償時的矢量圖如圖4所示。

圖4　投入D-STATCOM補償時的矢量圖

由圖4可知,控制D-STATCOM的交流側(cè)輸出電流Ic,可使|Upcc|=|Us|,PCC電壓和電源電壓之間存在相位差,達到電壓補償?shù)哪康摹?/p>

2D-STATCOM電壓控制方法

根據(jù)D-STATCOM裝置交流側(cè)輸出的電流是否可以直接調(diào)節(jié),將D-STATCOM控制方法分為間接電流控制法和直接電流控制法[4-7]。

間接電流控制將D-STATCOM看成等效的交流電壓源,并對D-STATCOM交流側(cè)所產(chǎn)生的電壓相位和幅值進行控制,達到間接控制交流側(cè)輸出電流的目的。該控制方法大多被大容量的D-STATCOM裝置所采用,但不能對電流波形進行準(zhǔn)確、實時的控制。

圖5　D-STATCOM直接電流控制

D-STATCOM采用直接電流控制方法后,實際上相當(dāng)于一個受控的電流源,其響應(yīng)速度和控制精度比間接控制法有很大的提高。直接電流控制方法是對電流瞬時值的跟蹤控制,要求主電路功率開關(guān)器件有較高的開關(guān)頻率,這對于較大容量的D-STATCOM目前很難做到,所以主要應(yīng)用在容量較小的D-STATCOM裝置中。

D-STATCOM電壓控制對象是PCC電壓和直流側(cè)電容電壓?？刂芇CC電壓是為了使其維持在參考電壓值,滿足電力用戶對供電電壓質(zhì)量的要求;控制直流側(cè)電容電壓是為了使直流側(cè)電容電壓恒定,以保證 D-STATCOM 裝置能正常工作。一般在直接電流控制法或間接電流控制法的基礎(chǔ)上引入電壓負反饋,構(gòu)成雙閉環(huán)法,即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)包括交流電壓外環(huán)和直流電壓外環(huán),交流電壓外環(huán)用來穩(wěn)定接入點的電壓,且為電流內(nèi)環(huán)提供無功參考信號;直流電壓外環(huán)用來穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電容兩端電壓,且為電流內(nèi)環(huán)提供有功參考信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使逆變器的輸出電流能跟蹤電壓外環(huán)輸出的參考信號。D-STATCOM電壓雙閉環(huán)控制原理如圖6所示。

圖6　D-STATCOM電壓雙閉環(huán)控制原理

圖6中,Upccref為D-STATCOM接入PCC電壓的參考信號,udcref為逆變器直流側(cè)電壓基準(zhǔn)值;udc為逆變器直流側(cè)電壓采樣值。接入點電壓的參考信號Upccref和采樣值Upcc構(gòu)成交流電壓外環(huán),udc與udcref比較,通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號idref,然后將idref和瞬時有功電流的直流分量id進行疊加,使補償電流中包含一定的基波有功電流分量,D-STATCOM直流側(cè)與交流側(cè)產(chǎn)生能量流動,從而將udc調(diào)節(jié)到udcref附近,構(gòu)成直流電壓外環(huán)。

3仿真驗證

為了驗證在配電網(wǎng)中應(yīng)用D-STATCOM的優(yōu)勢,采用MATLAB軟件進行仿真。參數(shù)如下:系統(tǒng)電壓為380 V;頻率為50 Hz;直流側(cè)電容為1.2×10-3F;工作電壓為800 V;PWM載波頻率為1.2×10-2Hz;濾波電感為5×10-3H、等效電阻為0.3 Ω。

配電網(wǎng)電壓、電流波形如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)未投入D-STATCOM 裝置時,PCC處A相電流的相位明顯滯后A相電壓相位,功率因數(shù)很低;當(dāng)投入D-STATCOM裝置時,PCC處A相電壓、電流的相位幾乎同步,提高了功率因數(shù),無功得到了很好的補償。

圖7　配電網(wǎng)電壓、電流波形

4結(jié)語

D-STATCOM是現(xiàn)階段配電網(wǎng)中無功補償技術(shù)的新方向,可以對無功功率進行連續(xù)、快速的調(diào)節(jié),使配電網(wǎng)中的電壓維持恒定。隨著我國智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,D-STATCOM裝置必定會在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,發(fā)揮越來越大的作用。

參考文獻

[1]STONES J,COLLINSON A.Power quality[J].Power Engineering Journal,2001,15(2):58-64.

[2]王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3]WOO S,KANG D,LEE W,et al.The distribution STATCOM for reducing the effect of voltage sag and swell[C]∥The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2001(11):1132-1137.

[4]榮芳.配電網(wǎng)動態(tài)無功補償技術(shù)及其控制策略[J].變頻器世界,2009(6):102-105.

[5]趙偉,羅安,唐杰,等.靜止無功發(fā)生器與晶閘管投切電容器協(xié)同運行混合無功補償系統(tǒng)[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(19):92-98.

[6]AKAGI H,KANAZAWA Y,NABAE A.Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1984,20(3):625-630.

[7]張成飛.基于IGBT靜止同步補償器的研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2009.

吳英明(1962—),男,高級工程師,從事建筑電氣設(shè)計工作。

陳興航(1962—),男,研究員,從事建筑電氣設(shè)計工作。

Application of D-STATCOM in Distribution NetworkPINGZeng,ZHANGJuan

(Zhumadian Construction Survey and Design Institute Co., Ltd., Zhumadian 463000, China)

Abstract：The distribution static synchronous compensator(D-STATCOM) can stablize the voltage of point of common coupling(PCC),and regulate the reactive power continuously and rapidly in distribution network.This paper studied the problem that is D-STATCOM can make the voltage of PCC maintain the voltage reference value through the reactive power exchange with the power system.The MATLAB simulation was carried out.The simulation results show that the application of the D-STATCOM in distribution network can reduce the net losses and improve the power quality.

Key words:distribution static synchronous compensator(D-STATCOM); reactive power; point of common coupling(PCC); MATLAB simulation

收稿日期：2015-03-08

中圖分類號：TM 711

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2015)06-0052-04