基于STATCOM的配電網(wǎng)三相不平衡治理

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(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041； 2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；3.成都億成科技有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

中國農(nóng)村地區(qū)地域?qū)拸V，電力系統(tǒng)存在大量的時(shí)空不對稱單相負(fù)荷，造成了很多配電臺(tái)區(qū)有著不同程度的三相不平衡問題[1]。三相不平衡使得配電變壓器效率降低，增加了變壓器和線路的損耗，導(dǎo)致供電質(zhì)量嚴(yán)重下降，電路中的零序電流增加，會(huì)使得配電變壓器的渦流損耗增加，進(jìn)而使其運(yùn)行溫度升高，危及變壓器的安全與壽命[1-3]。因此，有效地降低配電臺(tái)區(qū)的三相不平衡度，提高臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平和供電質(zhì)量是亟待解決的問題。

目前國內(nèi)外治理三相不平衡的主要措施有跨接相間電容調(diào)整、用戶負(fù)荷的再分配換相和無功補(bǔ)償?shù)萚4]。換相器由于整體投入較高、線路改建困難，所以目前應(yīng)用較少?？缃酉嚅g電容調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備整體投資費(fèi)用較低，可濾除一定頻率范圍內(nèi)的雜波，缺點(diǎn)為易于給電網(wǎng)造成大量諧波，系統(tǒng)特性容易漂移。無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢是極大地提高了線路的功率因數(shù)，降低了線損，減少了設(shè)計(jì)容量，增加了電網(wǎng)有功傳輸比例，降低了農(nóng)網(wǎng)低電壓出現(xiàn)概率；缺點(diǎn)是沖擊電流過大，易產(chǎn)生大量諧波[5-6]。

常用的無功補(bǔ)償裝置有靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator,SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator,STATCOM)。SVC因其響應(yīng)速度快，價(jià)格適中，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[7]，但是由于它在應(yīng)用時(shí)會(huì)向電網(wǎng)注入大量的諧波，需要外加濾波器，且在多臺(tái)工作時(shí)易發(fā)生諧振等[8-10]。而STATCOM在控制中利用PWM技術(shù)，能夠使其注入電網(wǎng)的電流諧波含量很小，接近正弦波，并且STATCOM具有能夠快速平滑地輸出感性和容性無功功率、調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、降低線路損耗、校正功率因數(shù)等功能[11-13]。

這里將STATCOM穩(wěn)態(tài)模型引入三相不平衡分析中，研制了基于IGBT的STATCOM無功補(bǔ)償裝置。運(yùn)用不平衡補(bǔ)償方法對STATCOM抑制三相不平衡原理進(jìn)行了分析，并利用d-q法對無功電流進(jìn)行檢測，降低了運(yùn)算量，減少了運(yùn)算時(shí)間；控制策略采用的是雙閉環(huán)控制法，提高了控制系統(tǒng)的精度。研究了配電網(wǎng)中應(yīng)用STATCOM進(jìn)行三相不平衡抑制的效果，并通過掛網(wǎng)試驗(yàn)與MATLAB仿真測試進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 STATCOM工作原理分析

STATCOM靜止同步無功補(bǔ)償器，是利用全控型大功率電力電子器件(IGBT或GTO)組成自換相橋式電路[14]，通過控制IGBT開關(guān)管的開斷，使STATCOM產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)所需的無功的補(bǔ)償。

1.1 工作原理

圖1為STATCOM系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，即指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電流和主電路，圖中us表示電網(wǎng)側(cè)電壓，is表示電網(wǎng)側(cè)輸出電流。從圖1可以知道，STATCOM首先測量負(fù)載側(cè)的電流值iL，然后將測得的數(shù)據(jù)傳輸給補(bǔ)償電流運(yùn)算單元，由該單元來計(jì)算補(bǔ)償電流，并將計(jì)算的結(jié)果，即相關(guān)指令傳輸給脈沖信號(hào)發(fā)生單元；之后由脈沖信號(hào)發(fā)生單元對傳輸來的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，并得到相應(yīng)的控制信號(hào)；再將控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大，傳輸給主電路。

圖1 STATCOM系統(tǒng)原理

主電路采用電壓型橋式電路，由IGBT、電容器和電抗器組成，直流側(cè)采用的是電容器，可以有效地提高運(yùn)行效率。放大后的控制信號(hào)用來控制IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，這樣就能在橋式電路上產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流ic。所以負(fù)載側(cè)的電流值iL為系統(tǒng)電流is與STATCOM補(bǔ)償電流ic之和，負(fù)載電流中含有諧波、零序、負(fù)序和無功電流，相應(yīng)地調(diào)整STATCOM的補(bǔ)償電流值，就能夠使系統(tǒng)側(cè)只提供正序基波分量，使得系統(tǒng)電流保持穩(wěn)定，達(dá)到電網(wǎng)綜合補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖2 STATCOM主電路

圖3 STATCOM等效電路

圖2為STATCOM的主電路，圖3為其等效電路圖，從圖3中可以得到：

(1)

由式(1)，在忽略系統(tǒng)的損耗等效電阻值R時(shí)，可以得到STATCOM對電網(wǎng)注入的復(fù)功率為

(2)

當(dāng)δ<5o時(shí)，系統(tǒng)有功功率及無功功率可以簡化為

(3)

(4)

式中：Ug為逆變橋輸出電壓；Ic為STATCOM補(bǔ)償器輸出的無功電流；R為系統(tǒng)等效電阻；X為所接電抗器阻抗；Us為電網(wǎng)相電壓；δ為系統(tǒng)電壓與補(bǔ)償器電壓之間的相角差。

由式(3)、式(4)可以得到：

1)當(dāng)δ>0時(shí)，P>0，STATCOM是從電網(wǎng)中吸收功率；

2)當(dāng)δ<0時(shí)，P<0，STATCOM是向電網(wǎng)中釋放功率；

3)當(dāng)Ug0，STATCOM是發(fā)出容性無功；

4)當(dāng)Ug>Us時(shí)，Q<0，STATCOM是吸收感性無功。

1.2 無功電流檢測方法分析

現(xiàn)在廣泛使用的補(bǔ)償電流檢測方法主要有p-q法、ip-iq法和d-q法，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍。p-q法和ip-iq法都可以使用在對稱系統(tǒng)中，能夠很準(zhǔn)確地檢測出補(bǔ)償電流值。但在三相四線制系統(tǒng)中，因?yàn)閜-q檢測法和ip-iq檢測法中的αβ變換要求三相電流之和為0，三相四線制系統(tǒng)中三相電流的和并不為0。而d-q檢測法是對dq0坐標(biāo)系下的檢測法進(jìn)行簡化，并采用電壓、電流雙矢量投影的方法，所以能夠適應(yīng)于三相電壓畸變和三相電壓不對稱的系統(tǒng)中。

1.3 STATCOM控制策略

STATCOM接入配電網(wǎng)的方式可以通過變壓器或者電抗器[16]實(shí)現(xiàn)，因此，對交流側(cè)輸出電壓和相角或電流進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)對STATCOM向電網(wǎng)發(fā)出或吸收無功電流的控制。根據(jù)產(chǎn)生方式的不同，無功電流的控制方式有兩種：直接電流控制和間接電流控制。

圖4 d-q算法等效圖

直接電流控制方式是將STATCOM當(dāng)作受控電流源，采用跟蹤PWM控制技術(shù)對STATCOM的交流側(cè)產(chǎn)生的無功電流進(jìn)行控制。間接法是將STATCOM作為交流電壓源來對待，通過對IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來進(jìn)行控制，即控制所產(chǎn)生的電壓相位和幅值，間接控制STATCOM的交流側(cè)電流[17]。

為了保證設(shè)計(jì)出的補(bǔ)償器具有良好的性能，準(zhǔn)確快速地對系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，所以所設(shè)計(jì)的控制器采用電流間接控制方式。

STATCOM從系統(tǒng)中吸收的有功電流和無功電流的有效值的計(jì)算公式為[18]

(5)

(6)

穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)δ角的絕對值不是太大時(shí)，δ和Iq近似為線性的正比關(guān)系。

圖5 電流間接控制

為了獲得較為穩(wěn)定的輸出電壓，在控制系統(tǒng)中引入了一個(gè)電壓負(fù)反饋環(huán)，用補(bǔ)償器的輸出電壓值減去系統(tǒng)中給定的電壓值，根據(jù)該差值對補(bǔ)償器做出有效控制。所設(shè)計(jì)的STATCOM采用的控制方式為雙閉環(huán)控制模式，即外環(huán)采用電壓控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制。并引入反饋控制環(huán)對補(bǔ)償電流進(jìn)行反饋控制，從而有效地提高控制系統(tǒng)的精度，整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。

圖6 雙變量間接控制原理

雙閉環(huán)控制模式的具體實(shí)施步驟如下：

1)將通過檢測得到的補(bǔ)償器直流側(cè)直流電壓Udc與系統(tǒng)中所給定的電壓參考值Udcref作出比較，得到了它們的差值電壓，之后使用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，輸出有功電流的參考值Idref；

2)補(bǔ)償器輸出端的電壓Ug與電壓參考值Uref的電壓差值也經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，就可以得到系統(tǒng)無功電流所需的參考值Iqref；

3)將檢測獲得的補(bǔ)償器的輸出電流作d-q坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換，獲得d軸和q軸下的電流Id和Iq，分別將Id與Idref、Iq與Iqref作比較，所得差值再經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)即可獲得d軸和q軸下的電壓。

4)獲得d軸和q軸下的電壓后就能得到系統(tǒng)的控制變量m與δ，從而獲得系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)參數(shù)Uabc作為PWM調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)。并以載波信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制，獲得逆變橋開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)。

2 MATLAB仿真分析

仿真原理如圖7所示，仿真系統(tǒng)是一個(gè)電壓等級(jí)為25 kV的配電網(wǎng)；三相可編程的電壓源作為系統(tǒng)電源，為系統(tǒng)提供能量；母線B1和B2之間是一段輸電線路，線路長20 km，用π型等值電路來進(jìn)行代替；母線B2上帶有3.5 MW、0.25 MVA的負(fù)載；母線B2和B3之間有一段輸電線路，線路長2.5 km，用電感電路來進(jìn)行代替；B3母線后接入一個(gè)降壓變壓器，用于降低電壓為負(fù)載供電；變壓器二次測接有一個(gè)1 MW的固定負(fù)載及一個(gè)可變負(fù)載；STATCOM裝置接在B3母線上，其容量為±3.5 MVA。

圖7 仿真原理

仿真故障設(shè)置為：負(fù)載對稱時(shí)，A、B、C三相各帶5 kW的負(fù)荷；負(fù)載不對稱時(shí)，A、C兩相帶5 kW負(fù)荷，B相帶8 kW負(fù)荷。仿真結(jié)果見圖8至圖13。

圖8 三相電流波形

圖9 STATCOM無功輸出

圖10 STATCOM未接入電網(wǎng)時(shí)三相電流波形

圖11 STATCOM接入電網(wǎng)時(shí)三相電流波形

圖12 STATCOM有功與無功輸出

圖13 直流側(cè)電壓

當(dāng)A、B、C三相負(fù)荷對稱時(shí)，電流波形如圖8所示，STATCOM是不動(dòng)作的，此時(shí)的輸出無功為0，如圖9所示。當(dāng)A、B、C三相所帶負(fù)荷不對稱時(shí)，A、B、C三相電流波形也發(fā)生了變化，電流波形如圖10所示，A、B、C三相電流不再對稱，此時(shí)STATCOM還未接入電網(wǎng)；圖11為將STATCOM接入電網(wǎng)后的電流波形，可以發(fā)現(xiàn)這時(shí)A、B、C三相電流是對稱的；STATCOM輸出無功和直流側(cè)電壓分別如圖12和圖13所示。仿真結(jié)果表明：STATCOM對三相不平衡具有調(diào)節(jié)作用。

3 實(shí)驗(yàn)及掛網(wǎng)運(yùn)行測試

3.1實(shí)驗(yàn)測試

對STATCOM裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，測試接線圖如圖14所示，將STATCOM裝置并聯(lián)接在負(fù)載和電網(wǎng)之間。

圖14 測試接線

STATCOM裝置接入電網(wǎng)前后，系統(tǒng)各種參數(shù)如表1、表2所示。

從表1和表2可以看出，補(bǔ)償后系統(tǒng)的電流和電壓不平衡度的下降比較明顯，說明該裝置對三相不平衡有很好的調(diào)節(jié)作用。

表1 補(bǔ)償前系統(tǒng)各參數(shù)

表2 補(bǔ)償后系統(tǒng)各參數(shù)表

4.2 掛網(wǎng)運(yùn)行測試

此次掛網(wǎng)運(yùn)行的STATCOM無功補(bǔ)償裝置掛網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)為三相不平衡臺(tái)區(qū)變壓器出口處，掛網(wǎng)測試監(jiān)測了變壓器出口處的三相電流和中性線電流。

圖15為該臺(tái)區(qū)在安裝STATCOM無功補(bǔ)償裝置前的變壓器出口三相電流波形圖，從圖15中可以看出三相電流值差距比較大，圖16為STATCOM未接入電網(wǎng)時(shí)的三相電流不平衡度，可以看出其電流不平衡度在40%左右，其中最大三相電流不平衡度高達(dá)53.6%。

圖15 STATCOM未接入電網(wǎng)時(shí)的三相電流波形

圖16 STATCOM未接入電網(wǎng)時(shí)的三相電流不平衡度

圖17 接入STATCOM后三相電流波形

圖17為該掛網(wǎng)測試臺(tái)區(qū)安裝STATCOM無功補(bǔ)償裝置后，變壓器出口三相電流波形圖。圖18為STATCOM接入電網(wǎng)后三相電流不平衡度，從圖中可以看出三相電流不平衡度均小于20%，平均為10%左右，其中最小三相電流不平衡度為4.5%。

圖18 STATCOM接入電網(wǎng)后的三相電流不平衡度

從STATCOM無功補(bǔ)償裝置安裝前后的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)安裝補(bǔ)償裝置后該臺(tái)區(qū)的不平衡度下降很明顯，說明STATCOM無功補(bǔ)償裝置對三相不平衡有很好的抑制作用。

4 結(jié) 語

首先運(yùn)用不平衡補(bǔ)償方法對STATCOM原理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)睦@組和變壓器的接線，可以使得線路中無零序電流，所以在進(jìn)行不平衡補(bǔ)償時(shí)，僅需對正序和負(fù)序電流進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到抑制三相不平衡的目的。

1)所設(shè)計(jì)的STATCOM裝置采用無功電流檢測方法為d-q檢測法，其能夠?qū)χC波電流與無功電流進(jìn)行較為精確的檢測；當(dāng)對諧波電流進(jìn)行檢測時(shí)，只需進(jìn)行坐標(biāo)變換，該檢測方法提高了計(jì)算速度，減少了計(jì)算量。

2)所采用的控制方式為雙閉環(huán)控制模式，即外環(huán)采用電壓控制模式，內(nèi)環(huán)采用電流控制模式，這種控制方式提高了對STATCOM裝置的控制精度。

3)使用MATLAB軟件的Simulink部分搭建了仿真系統(tǒng)，對STATCOM進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明STATCOM裝置對三相負(fù)載不對稱有很好的調(diào)節(jié)作用。

4)最后基于前面的理論，研制了基于IGBT的STATCOM三相不平衡調(diào)節(jié)裝置，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試與掛網(wǎng)測試，通過對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)STATCOM裝置能夠有效地降低系統(tǒng)的三相不平衡度，對抑制負(fù)載三相不平衡有明顯作用。

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