基于配電變壓器無功補償技術(shù)的研究

張 起，朱連勇，王 軍，孫法治

（1.國網(wǎng)葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

基于配電變壓器無功補償技術(shù)的研究

張 起1，朱連勇1，王 軍2，孫法治3

（1.國網(wǎng)葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

配電網(wǎng)普遍采用的無功補償方式分為高壓集中補償和低壓分散補償，考慮到兩種補償方式的不足，提出一種基于配電變壓器的一體化靜止無功補償 （STATCOM）技術(shù)。該技術(shù)通過將補償裝置接到高壓繞組抽頭，充分利用配電變壓器的富余容量，實現(xiàn)對變壓器和負荷的動態(tài)無功補償，并引入虛擬三相對稱系統(tǒng)保證檢測電流的精度。通過仿真分析，驗證一體化STATCOM技術(shù)可實現(xiàn)配電網(wǎng)三相不平衡狀態(tài)下無功功率的動態(tài)跟蹤補償，改善變壓器輸出電能質(zhì)量。

配電變壓器；無功補償；三相不平衡；虛擬三相對稱系統(tǒng)

配電網(wǎng)的無功需求實時波動，在降低末端電能質(zhì)量的同時增加了網(wǎng)損，配電網(wǎng)傳統(tǒng)的無功補償方式一般分為分散補償和集中補償。集中補償基于電力電子功率單元實現(xiàn)無功動態(tài)補償，其控制效果優(yōu)良、維護方便，但較高的電壓等級使其結(jié)構(gòu)復雜且成本高。分散式補償基于無功就地補償，補償裝置安裝分散，存在無法集中協(xié)調(diào)控制、補償效率低等缺點。分散補償時系統(tǒng)電源不提供無功功率，使得無功功率在線路傳輸上增加了有功損耗。同時，分散補償方式一般基于低壓補償，通過分組投切低壓側(cè)并聯(lián)電容器補償無功缺額，存在補償容量不足且調(diào)節(jié)不平滑等缺點。

針對無功補償方式存在的不足，為保證配電網(wǎng)靈活、高效進行無功補償以及輸出電能質(zhì)量，本文基于電力電子的靜止無功補償器連接到配電變壓器的高壓抽頭組成一體化無功補償裝置，動態(tài)跟蹤配電變壓器和負荷的無功需求。該補償方案具有一定的集中補償優(yōu)勢，也利用了配電變壓器的富余容量且能夠平滑調(diào)節(jié)無功?？紤]到配電網(wǎng)絕大部分采用中性點非有效接地運行方式，使三相對地參數(shù)不平衡、三相負荷不平衡引起負荷電壓不對稱，進而降低無功補償電流的精確檢測。通過引入虛擬三相對稱系統(tǒng)抑制負荷電壓不對稱性，使無功補償電流生成環(huán)節(jié)不受到運行狀態(tài)變化的影響。

1 技術(shù)原理

靜止無功補償單元與配電變壓器高壓側(cè)的抽頭并聯(lián)，加入濾波環(huán)節(jié)，通過變壓器實現(xiàn)低壓側(cè)輸出端口的無功功率補償和電能質(zhì)量控制?；谂潆娮儔浩鞯囊惑w化STATCOM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化STATCOM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)補償結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了負荷和配電變壓器自身的無功功率動態(tài)跟蹤補償，連接到配電變壓器上使無功補償具有一定的靈活性和分散性，充分利用了配電變壓器的富余容量，保證了關(guān)鍵節(jié)點的無功功率平衡和電壓穩(wěn)定。由于變壓器高壓側(cè)抽頭的存在，使接入無功補償設(shè)備的電壓等級靈活調(diào)節(jié)，降低其功率單元級聯(lián)數(shù)和耐壓水平等。考慮到無功補償裝置通過變壓器連接抽頭注入所需的補償無功功率，改變了配電變壓器的功率分布，可能引起變壓器過載。但基于配電變壓器的負載率一般在0.3～0.5，將負荷的功率因數(shù)補償?shù)?.9以上也不會使變壓器過載［1］。

2 靜止無功補償單元結(jié)構(gòu)分析

低壓配電變壓器的繞組一般采用Dyn聯(lián)結(jié)方式，高壓側(cè)繞組采用三角型連接使抽頭電壓的獲取比較困難。對此基于一體化STATCOM的變壓器高壓繞組兩相相連的端點設(shè)置2個連接抽頭，使各端點A、B、C與其兩側(cè)的抽頭連接形成三組三相電壓B1—A—C1、A3—C—B3、 C2—B—A2分別接入 STATCOM 補償裝置，高壓繞組多抽頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高壓繞組多抽頭結(jié)構(gòu)

高壓繞組多抽頭結(jié)構(gòu)有效降低了接入STATCOM的電壓，進而降低了補償功率單元的電力電子器件的耐壓水平，同時擴大了接入電壓的選擇范圍，保證了無功容量的靈活配置［2］。

高壓繞組多抽頭結(jié)構(gòu)的電壓向量如圖3所示，由于接入STATCOM裝置的電壓為三相三線制，以抽頭電壓B1—A—C1為例，圖3中的C1點在AC上變化，但A3點也可以在CA上變化。為了保證抽頭電壓的連續(xù)可調(diào)，即認為抽頭電壓的變化范圍為0～UL（UL表示 UAB、 UBC、 UCA）。

圖3 高壓繞組多抽頭結(jié)構(gòu)的電壓向量圖

3 基于一體化STATCOM的無功電流檢測

為了保證一體化STATCOM的無功補償效果和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓能力，無功電流的檢測端口應分布在變壓器的高壓連接抽頭側(cè)和負荷側(cè)，但是這使補償功率的注入點和電壓電流測量點之間間隔著變壓器高、低壓繞組，進而引起電壓電流幅值和頻率的檢測值與實際值的差別。因此，檢測所得瞬時無功電流無法作為STATCOM控制系統(tǒng)的無功電流反饋值［3－4］。

考慮到抽頭側(cè)和負荷側(cè)的電壓存在一定相位差，通過對不同端口電壓、電流的坐標變換為有功電流和無功電流生成所需變換矩陣提供角頻率和初始相位信息，實現(xiàn)電流的跨端口檢測。

一般情況下，配電網(wǎng)的三相負荷是不平衡的，這樣使得配電變壓器低壓負荷側(cè)的負荷電壓三相不對稱。電流檢測目前普遍采用基于電壓定向的瞬時功率平衡的pq法以及同步旋轉(zhuǎn)坐標dq變換法實現(xiàn)，但是保證該方法檢測精度的前提是三相電壓對稱。對于三相負荷不平衡引起的負荷電壓不對稱，無功電流的諧波、負序分量都被忽略，使實際的無功補償電流指令偏低，降低了STATCOM的補償效果和電能質(zhì)量改善能力。對此，通過虛構(gòu)對稱的三相負荷電壓來減少基于電壓定向在三相不平衡條件下的電流檢測誤差。在虛擬三相對稱系統(tǒng)中，只考慮三相電壓的幅值不對稱、相位對稱，這也符合實際電網(wǎng)運行條件。假設(shè)負荷c相電壓通過a相電壓延時60°后反向獲得。設(shè)a相電壓為

則c相電壓為

依據(jù)三相對稱系統(tǒng)的原則，b相電壓為

則虛擬三相對稱系統(tǒng)的負荷電壓u1abc和負荷電流i1abc變換到兩相靜止坐標下的電壓 u1和i1。u1am為a相電壓幅值，φ為初相位，假設(shè)對稱三相負荷電壓合成矢量→u與dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系d軸重合，相應的電壓向量矢量圖如圖4所示。

圖4 虛擬三相電壓和電流矢量示意圖

依據(jù)圖4的幾何關(guān)系可知：

在αβ兩相靜止坐標系下的負荷電流分量為

在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的負荷電流分量可表示為式 （6）：

在式 （6）中，負荷電流在基于電壓矢量的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的無功電流分量i1q為零，有功電流 i1d含有直流分量 I1d和交流分量 i′1d， i′lq被低通濾波器濾除。

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流I1d，即負荷電流中基波正序分量，通過式 （7）得到負荷電流所需補償?shù)臒o功、諧波和負序電流分量ikabc，Cdq／abc為坐標變換矩陣。

考慮變壓器的高壓抽頭側(cè)和負荷側(cè)的端口電壓存在相位差，使獲得無功補償電流指令所獲得的相位存在偏差。對此，通過變壓器高壓抽頭側(cè)的端口電壓經(jīng)過鎖相環(huán)PLL獲得變換矩陣所需的角頻率和相位信息，實現(xiàn)無功補償電流的跨端口檢測和交換?；诳缍丝诘臒o功補償電流檢測控制框如圖5所示，utabc為抽頭電壓，φt為抽頭電壓初相位。

圖5 基于跨端口的無功電流檢測

該電流檢測方法解決了因三相負荷不平衡和不同端口電壓存在相位差而引起無功電流補償指令不準確的問題，所獲得的無功電流補償指令可以實時跟蹤補償系統(tǒng)的無功缺額。

4 基于配電變壓器的一體化STATCOM控制系統(tǒng)

基于配電變壓器的一體化STATCOM總體控制系統(tǒng)如圖6所示，圖中無功電流檢測環(huán)節(jié)通過負荷側(cè)和抽頭側(cè)信息獲得補償無功功率所需的無功電流補償指令。負荷電流中的諧波、無功和負序有功電流分量由STATCOM提供，而平衡負荷的用功需求的三相對稱基波有功電流分量由系統(tǒng)提供。但是負荷中的負序有功電流，通過STATCOM中IGBT并聯(lián)的直流母線電容提供，依據(jù)直流母線電壓的穩(wěn)定來平衡負序有功功率的需求［5－7］。

依據(jù)圖6基于配電變壓器的STATCOM的總體控制系統(tǒng)在Simulink／Matlab環(huán)境下建立基于配電變壓器無功補償系統(tǒng)的仿真模型，對本文所提出的基于一體化STATCOM無功補償控制方法的正確性和有效性進行仿真驗證。

4.1 配電網(wǎng)三相不平衡條件下無功補償電流檢測的仿真分析

為了驗證本文所提出的配電網(wǎng)三相不平衡條件下跨端口無功補償電流檢測方法的有效性，在配電網(wǎng)三相不平衡依據(jù)該檢測方法對電網(wǎng)電壓波形和負荷電流波形進行分析，電網(wǎng)電壓三相不對稱時負荷電流包含諧波、基波無功、基波有功和負序有功電流分量。三相不對稱電網(wǎng)電壓波形和對應的負荷電流波形如圖7所示，無虛擬三相對稱。

圖6 基于配電變壓器的STATCOM總體控制系統(tǒng)

圖7 三相不對稱電網(wǎng)電壓及其負荷電流波形

圖8 無功補償電流波形

系統(tǒng)的檢測法和本文所提出的檢測法檢測得到的無功補償電流波形如圖8所示。仿真結(jié)果對比分析表明，不采用虛擬三相對稱系統(tǒng)的檢測法對無功補償電流檢測精度較低，無法精確地檢測出負荷電流的諧波、無功和負序分量。因此，在電網(wǎng)電壓三相不對稱時，基于虛擬三相對稱系統(tǒng)的跨端口的電流檢測法能夠準確檢測出負荷電流中的無功補償分量，驗證了該檢測方法的有效性。

4.2 一體化STATCOM補償效果的仿真分析

考慮到配電網(wǎng)三相不平衡和跨端口補償情況，仿真驗證基于配電變壓器的一體化STATCOM控制系統(tǒng)的有效性和正確性。STATCOM模塊中的無功電流檢測環(huán)節(jié)采用所提出的跨端口電流檢測法，電流控制采用閉環(huán)控制，動態(tài)跟蹤補償負荷無功電流需求。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，圖9為負荷無功功率由感性切換到容性時STATCOM跟蹤輸出的無功功率波形，圖10為補償前后的電壓電流波形及其相位差。

圖9 負荷無功功率由感性切換到容性時STATCOM跟蹤輸出功率

圖10 變壓器抽頭側(cè)輸出的電壓電流及其相位差

仿真結(jié)果表明：本文所提出的一體化STATCOM系統(tǒng)在配電網(wǎng)三相不平衡的條件下，負荷無功在0.50 s時刻由感性切換到容性，可以看出圖9中補償控制器STATCOM輸出的無功功率快速精確跟蹤。同時，在圖10中對比分析補償前后電壓電流相位差明顯減小，即 Δθ2＜Δθ1，功率因數(shù)明顯提高，充分利用了變壓器的富余容量通過其高壓抽頭側(cè)對低壓側(cè)負荷實現(xiàn)動態(tài)無功補償，補償效果明顯。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于配電變壓器的一體化STATCOM技術(shù)，通過配電變壓器的高壓抽頭側(cè)對負荷無功需求進行動態(tài)跟蹤補償，充分利用配電變壓器的富余功率?？紤]到配電網(wǎng)三相不平衡和跨端口對無功補償電流指令檢測精度的影響，引入了基于虛擬三相對稱系統(tǒng)的跨端口電流檢測方法，該檢測方法準確檢測出負荷電流的諧波、無功和負序分量，避免了因諧波和負序電流分量檢測丟失對無功補償效果的影響。最后，仿真驗證了本文所提出的無功補償技術(shù)的正確性和有效性，具有一定的理論參考意義。

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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

張 起 （1990），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制技術(shù)工作。

2017－05－12）