STATCOM接入泰州电网仿真分析

叶 勇，陆 路，李 杰

(泰州供电公司，江苏泰州225300)

目前,电力系统存在无功补偿容量不足，大部分补偿装置难以满足现代电力系统的补偿要求。现代电力系统中感性负载占很大比例，大量感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，提供无功功率合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方进行补偿[1]。针对泰州电网近几年的运行数据，现有无功补偿装置落后的2个方面：（1）部分电容器补偿投切装置选用机械式交流断路器，寿命短，响应速度慢，投切过程会对系统产生冲击电压和冲击电流；（2）大多数补偿器为有级调容，无功补偿精度不高。

静止无功发电器（STATCOM）提供了一个很好的解决方案,它是由变流器构成的静止无功调节装置，可以发出和吸收无功功率。直流侧的电容器维持了直流电压，不需要大容量。STATCOM能提供稳定的无功电流，在改善系统电压质量，提高稳定性方面有很大优势[2]。在输电线路中，应用STATCOM将能维持电压水平，本文针对泰州220 kV电网部分进行补偿后的电压分析；同时应用STATCOM也可以减少网损，本文针对不同补偿方案进行了网损分析。

1 STATCOM的工作原理

1.1 STATCOM的特性

STATCOM又称为静止同步补偿器,是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置，属于FACTS的重要组成部分[3]。STATCOM基本原理如图1所示。STATCOM是通过电压源变流器（VSC）实现的可控无功电源，VSC的直流侧是一组直流支撑电容，经过PWM将直流电压逆变为交流输出电压，同时可以控制交流输出的电压幅值和相位[4]。STATCOM的交流输出经过限流电抗器与系统连接，忽略其损耗后，可以将STATCOM与系统之间无功功率的交换理解为改变VSC的输出电压幅值Ui来控制。具体控制过程如表1所示。

图1 STATCOM的基本原理

表1 STATCOM电压控制

STATCOM的U-I特性如图2所示，STATCOM可以在容性额定值到感性额定值范围内提供连续可调节的无功功率。从图2中不难看出STATCOM在暂态过程中有短时过载的输出能力。

图2 STATCOM的U-I特性

1.2 STATCOM的控制

STATCOM在输电系统中的主要控制目标，一般有维持系统电压、提高系统暂态稳定性、增强系统阻尼等，按控制物理量划分，可以分为：（1）直接电流控制。直接电流控制是对电流瞬时值的跟踪控制，参数设计比较困难，而且要求电路中电力电子开关器件的开关频率高，这样的控制法不适用于大功率STATCOM场合。（2）间接电流控制。间接电流控制分为单δ控制和逆变器导通角θ与δ配合控制，因为θ与δ配合控制法包含的系统参数有极大的不确定性，所以要求STATCOM控制器自适应性强，实现难度也较大。一般间接电流控制法采用单δ控制，并且应用于大容量STATCOM，但针对大容量系统的开关频率降低，输出的电压会有大量谐波产生，为减少谐波从而提高直流电压的利用率，可采用多重化、多电平或PWM控制技术[5]。图3为±20 Mvar STATCOM装置控制器示意图，主要实现的功能如表2所示。

图3 STATCOM本地控制系统结构示意图

表2 ±20 Mvar STATCOM装置控制器主要功能

1.3 STATCOM的补偿

电力系统中的负荷电流含有无功分量，STATCOM投运前，负荷电流的无功分量完全由系统承担，当STATCOM接入系统后，将产生容性无功电流补偿，为系统提供了无功支撑[7]。理论上STATCOM将完全抵消负荷无功电流，使系统功率因数等于1。目前工程应用的大容量STATCOM基本采用的是电压型变换器（VSI），其工作原理如图4所示。

图4 STATCOM系统等效单线图及相量图

从电网侧可以直接将STATCOM等效为一个幅值和相位可以变化的电压源。图4中STATCOM的交流输出经过限流电抗器L连接系统，R为STATCOM的有功损耗等效电阻[6]。其中，UI为VSC交流输出电压的有效值，P和Q分别为STATCOM向系统输出的有功和无功功率。实际运行时，STATCOM输出电压与接入母线电压相位并不相同，存在一个相位差δ，其大小决定了STATCOM的工作状态[7，8]（直流电压大小、输出功率大小及方向等）；STATCOM的电流相量并不严格垂直于接入母线的电压相量，即STATCOM不仅是无功源，它还始终从系统吸收有功功率，将δ影响STATCOM的运行特性总结如表3所示。

表3 δ对STATCOM的影响

2 STATCOM接入对泰州电网潮流的改善分析

2.1 泰州电网潮流分布分析

泰州地区近年来采用变电站投切电容器的方式进行无功功率补偿，效果显著，但是部分线路的无功功率传输仍相对较多，还有待进一步优化。现将泰州电网的220 kV网络建立数学模型，将各个变电站线路进行编号，采用MATLAB软件编程对整个220 kV电网潮流做STATCOM接入仿真计算分析。220 kV变电站参数及功率要求数据如表4所示（因为数据量大，只列出一部分变电站数据）。

从表4数据可得出唐子、顾庄、帅垛、同济、洋桥、洋思、昭阳、沈星、陆庄、黄桥、徐庄、马华这些变电站需求的无功功率相对较多。若补偿不够，则会造成输电网络中的大量无功传输。为避免大量无功传输，结合泰州电网220 kV变电站现状，设计补偿方案如表5所示。

表4 220 kV变电站参数及功率需求数据表（U标=220 kV，S标=100 MV·A） p.u.

表5 STATCOM装置补偿方案 Mvar

2.2 仿真计算结果

不通方式下线路总损耗统计如表6所示。

表6 不同方式下线路总损耗统计表（S标=100 MV·A）

由表6可以直观得出按照方案1接入STATCOM补偿无功后，输电网功率总损耗值最低。

2.3 结果分析

比较不同补偿方式下的电压数据表、功率分布数据表以及功率总损耗可以初步得出按照做无功补偿，补偿效果最理想。由电压、功率数据绘制未补偿和接入STATCOM（按方案1）电压、功率对比曲线，曲线如图5、图6所示。

图5 电压分布曲线（STATCOM方案1和未补偿对比）

图6 无功分布曲线（STATCOM方案1和未补偿对比）

经过分析可以直观得出以下结论：（1）对输电网合理的无功补偿，可以有效地维持电压水平，提高系统的稳定性；（2）在输电网合理接入STATCOM装置后，可增强系统的稳定性和最大限度地减少网络的损耗，使电网质量提高。

3 结束语

FACTS技术是电力电子技术与现代控制技术结合的产物，它为改善系统运行特性提供了新的手段。本文通过对泰州220 kV电网中23个变电站做了STATCOM不同接入点的仿真，分析讨论了不同无功补偿方式下各节点电网电压、输电线路潮流分布所受到的影响，并经过对比提出工程应用的可行性方案。为今后更有效地使用STATCOM，从以下2点深入研究：

（1）对于一个综合电力系统来说，STATCOM装置的安装位置的选择在提高电力系统稳定性方面起着重要的作用，各种STATCOM装置同时作用于系统时可能存在相互之间的动态干扰问题，如何评估相互影响的程度及寻找有效途径来解决问题等都是值得研究的。例如：多个STATCOM装置控制系统的协调配合问题；STATCOM控制纳入现有的电网调度控制系统问题；STATCOM装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题等等。

（2）本文所有的工作都假设系统是平衡的，实际中的电力系统因为电流电压都含有正序、负序和零序分量导致其不平衡。下一步可考虑在单机无穷大系统中设计不平衡条件下的STATCOM控制系统，研究其暂态稳定状况，对比不同故障之后STATCOM抑制系统振荡的效果。随着电力技术的不断发展，将提出各种新技术以及优化控制策略，输电线路的功率传输将更加优化。

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