基于电力系统无功补偿的移动式STATCOM系统研究

荆 辉

（国网技术学院，山东济南250002）

0 引言

移动式STATCOM作为一种革新的、先进的动态无功补偿技术，实现了对电网无功动态补偿。其配套设备设计成模块化结构型式，运输灵活，可根据电网不同区块无功情况进行合理分配，有利于后期的合理再利用。以下主要对STATCOM的基本原理、电路接线结构、参数设计以及控制技术进行研究。

1 STATCOM基本原理

对于电网而言，移动式STATCOM等效电路结构如图1所示。

图1 移动式STATCOM等效电路

由上可知，STATCOM主要部件有：电压源换流器和直流电容器，此外还需要一个耦合变压器（或电抗器），实现与电网对接。

研究发现，稳态工况下，STATCOM对电网无功补偿的能力取决于电网端电压与其本身的输出电压的相角，准确调整该相角，能够有效提高无功补偿功效。

2 移动式STATCOM主电路结构

移动式STATCOM主要有变压器多重化结构和链式结构。虽然两种型式外特性相同，不过工作原理还是有本质区别。

多重化结构以大功率的两电平或三电平VSC为核心，是大多数输电网STATCOM工程所采用的主电路结构。以日本Kanzaki变电站±80 Mvar STATCOM工程为例，如图2所示，低压侧每台VSC输出的方波电压相差一定角度，经过多重化变压器的电磁耦合作用，在高压侧产生接近正弦的阶梯波电压。变压器多重化结构有效增大了STATCOM的装机容量，但这种结构型式也存在着占地大、成本高、无冗余运行能力、磁非线性引起的过压和过流等问题，从而限制了其应用。

图2 基于三电平VSC和多重化变压器的STATCOM主电路结构

图3为移动式STATCOM的链式结构。该种结构型式以链式VSC为核心，相与相之间相互独立，每一相都由若干联结组别相同的单相桥式电压源逆变器串接构成，N个基本单元串联可得到2N+1级的阶梯电压波形。第一台基于链式拓扑结构的±75 Mvar STATCOM设备由ALSTOM研发成功应用，并且实现了可移动化。工程案例的成功论证了该种拓扑结构STATCOM的合理性和有效性，也展现了链式STATCOM的特殊优势。

图3 基于链式VSC的移动式STATCOM主电路结构

3 移动式STATCOM主设备参数设计

3.1 连接电抗器

连接电抗主要作用有三方面：首先是进行能量传递，其次是有效抑制高次谐波，再次是可以限制稳态负序电流。电抗参数可以在0.1～0.2 p.u.区间内初选，若X=0.1 p.u.，转换成有名值为3.674 9 Ω。

3.2 直流侧电容

在两个冗余链节退出的情况下，电网电压1.3 p.u.时单个链节交流侧视在功率达到最大1.15 MVA，若此时取直流电压波动系数为5%，则Cd≥14.3 mF，初步选定Cd=16 mF。

4 移动式STATCOM控制技术

4.1 低电压控制方案

移动式STATCOM应包含一种控制逻辑，低电压情况比较恶劣时采用，比如短路故障，闭锁无功电流指令。如果移动式STATCOM在低电压水平持续工作，母线电压调节器会导致产生大幅值容性无功电流，故障排除后易导致过电压。

4.2 移动式STATCOM不对称故障控制方案

移动式STATCOM能否在电网故障期间承受故障冲击而不退出，并在故障切除后快速提供动态电压支撑，是衡量移动式STATCOM性能的重要指标。

不对称短路时，移动式STATCOM的受端电压参数波动较大，若换流链出口侧不能快速跟踪这种变化，则有可能因过流而退出，故障切除后移动式STATCOM将不能发挥应有的作用。不对称故障情况下，存在两种可能的控制模式：一种做法是忽略负序，只输出正序电压；另一种是抵消负序。

针对上述两种控制模式存在的问题，提出了正、负序分离最优控制模式。在电网电压不平衡度小于20%时，换流链平均直流电压基本能够维持平衡，整个过程没有出现严重过流。在电网电压不平衡度大于30%时，该方法的控制效果不理想，装置在达到稳态之前的很长一段时间都处于过流状态，主要是由于负序电压刚出现时，正、负序两种分量互相耦合，造成换流链平均直流电压剧烈变化，需要较长时间消除。因此，正、负序电压分离最优控制模式不适用于链式结构的STATCOM。

5 结语

当前对电网质量水平要求越来越高，动态无功补偿能实时追踪电网无功现状并进行合理补给，有利于电力系统持续稳定运营和发展，而且对受端用户设备也起到了保护作用，延长了使用寿命，节约了资源。移动式STATCOM装置在变电站的灵活使用、高效响应，能够提高电网的暂态稳定性，保障电网的良好运营，抑制电压闪变，补偿不平衡电流，滤除高次谐波分量及提升电网功率因数。本文通过研究STATCOM的基本原理、电路结构、参数设计以及控制技术，为后续装置设计及应用提供了技术支撑。