高文根，江　明，李云飛（安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000）

一種混合無功功率補(bǔ)償容量配置策略及其應(yīng)用

高文根，江明，李云飛
（安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000）

基于SVC和STATCOM的混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合了SVC和STATCOM兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可有效消除補(bǔ)償成本和補(bǔ)償裝置類型之間的壁壘，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于補(bǔ)償容量配置不當(dāng)，混合補(bǔ)償系統(tǒng)會出現(xiàn)裝機(jī)容量過度冗余、補(bǔ)償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下等問題。提出一種基于歷史狀態(tài)的選擇性配置策略，通過對歷史無功需求量的分析，在既定的分配規(guī)則基礎(chǔ)上，對補(bǔ)償額度進(jìn)行合理分配，有效地提高了補(bǔ)償裝置的工作性能和供電質(zhì)量。

靜態(tài)無功補(bǔ)償器；靜止同步補(bǔ)償器；混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)；歷史狀態(tài)；配置策略

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是通過控制晶閘管的導(dǎo)通時刻來控制流過電抗器的電流［1-2］，從而快速跟蹤負(fù)載無功的變化，并通過分相控制來補(bǔ)償三相不對稱，使用與其匹配的交流濾波裝置來吸收諧波。SVC具有技術(shù)成熟、控制靈活、損耗小、可靠性高、維護(hù)工作量小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的靜止型無源快速動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。但SVC采用半控器件晶閘管，其控制依賴上半個周期的測量數(shù)據(jù)，響應(yīng)時間較慢，對閃變的改善率低，甚至有時會造成閃變加劇，不能進(jìn)行連續(xù)無功調(diào)節(jié)，很難滿足電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)男枨螅?-7］。靜止動態(tài)補(bǔ)償器（STATCOM）采用全控器件IGBT或IGCT，具有響應(yīng)快、抑制閃變效果好等優(yōu)點(diǎn)［8］，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無功調(diào)節(jié)，解決因非線性負(fù)荷的快速無功電流變化所引起的電壓閃變及電壓驟降等電能質(zhì)量問題。但STATCOM受到開關(guān)器件頻率、容量、電壓等級的限制，價格昂貴、控制復(fù)雜、可靠性低，使其推廣受到制約［9］。

基于上述因素，在現(xiàn)有條件下，結(jié)合SVC和STATCOM兩種無功補(bǔ)償技術(shù)組成混合無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)［10-11］，是平衡補(bǔ)償成本和補(bǔ)償裝置類型最優(yōu)的選擇。而現(xiàn)有混合補(bǔ)償系統(tǒng)存在裝機(jī)容量過度冗余、補(bǔ)償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下等問題。本文提出一種基于歷史狀態(tài)的選擇性補(bǔ)償容量配置策略，能夠有效地解決上述問題。

1　混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)

1.1混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)由SVC和STATCOM以及控制器3部分組成［12］，如圖1所示?；旌蠠o功補(bǔ)償系統(tǒng)同時具備了SVC和STATCOM兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅有利于保證并網(wǎng)電壓水平，而且能夠有效解決一些應(yīng)用問題，例如風(fēng)電場的低電壓穿越等。

1.2補(bǔ)償容量的選取及分配原則

一般情況下，補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償容量取決于總體無功需求量以及線路變壓器無功需求量。本文對系統(tǒng)中的SVC容量部分，在分析歷史狀態(tài)的基礎(chǔ)上采用分級投切；對系統(tǒng)中的STATCOM容量部分，基于工作狀態(tài)、工作效率，采用選擇性配置策略，以提高系統(tǒng)整體性能。

圖1　混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)容量的分配主要是對SVC和STATCOM的容量分配以及對SVC各組容量的分配。在容量分配時遵循以下原則：①控制SVC和STATCOM的成本；②控制STATCOM補(bǔ)償裝置的工作狀態(tài)和工作組數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)盡可能少的工作組在接近額定功率的狀態(tài)下工作；③滿足歷史狀態(tài)中的最大無功需求，且盡量避免過度補(bǔ)償。

基于上述規(guī)則，確定對SVC和STATCOM的容量配置與分級投切策略，并通過實(shí)際應(yīng)用來研究本文提出的配置策略的有效性、可靠性。

2　補(bǔ)償容量配置策略

針對混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文主要的研究對象是SVC和STATCOM混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償容量配置策略。以下介紹無功補(bǔ)償容量配置策略的具體方法。

1）獲取歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，分解無功補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)容量與動態(tài)容量。在容量配置之前，針對無功補(bǔ)償實(shí)際工程應(yīng)用對象，獲取該對象的無功補(bǔ)償需求的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。在獲取的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)中，依據(jù)應(yīng)用對象需要的采樣周期記錄歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，如式（1）所示。

其中：Q表示無功需求量；Q1，Q2，…，QN表示周期采樣記錄的無功需求量。

對記錄的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將其中的靜態(tài)無功補(bǔ)償需求記錄如下：

其中Qs1，Qs2，…，QsN表示各次記錄的無功需求量中的靜態(tài)無功需求量。同時，將記錄中出現(xiàn)的最大動態(tài)無功補(bǔ)償需求記錄如下：

為了使得混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)能更好地適應(yīng)不同應(yīng)用對象，混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)的總補(bǔ)償容量設(shè)計為

其中Q1是SVC補(bǔ)償裝置的單組補(bǔ)償容量。根據(jù)不同的應(yīng)用對象、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、總體成本，以及冗余的SVC補(bǔ)償裝置組數(shù)來確定p的值。

2）SVC投切級別設(shè)計。針對SVC補(bǔ)償裝置，將SVC的補(bǔ)償容量設(shè)置為不同的投切級別，每個級別的單位容量均相同，記為Q1。SVC的投切級別設(shè)置如下：

其中J1，J2，…，Jn級別依次增大，且補(bǔ)償容量也相應(yīng)增大。級別等級n隨應(yīng)用對象而定。投切級別確定如下：

3）STATCOM容量選擇性配置方案。針對STATCOM補(bǔ)償裝置，要確定其工作組數(shù)和工作狀態(tài)。在步驟2）中完成對靜態(tài)無功的補(bǔ)償后，動態(tài)無功功率補(bǔ)償需求量如下：

假設(shè)STATCOM補(bǔ)償裝置的單組補(bǔ)償容量為Q2，則STATCOM補(bǔ)償裝置的組數(shù)和每組的工作狀態(tài)的配置策略為

STATCOM容量選擇性配置方案為

其中：ξ和η分別表示狀態(tài)系數(shù)和容量系數(shù)，都小于等于1；容量系數(shù)η指的是單組補(bǔ)償裝置實(shí)際補(bǔ)償容量與額定補(bǔ)償容量的比值。對于動態(tài)無功補(bǔ)償需求容量較低的情況，滿足L-［L］＜ξ，則STATCOM補(bǔ)償裝置工作組數(shù)為［L］+1，其中［L］組工作在額定狀態(tài)，1組工作在欠額定狀態(tài)，即工作在ξ倍額定補(bǔ)償容量之下；對于動態(tài)無功補(bǔ)償需求容量較高的情況，滿足L-［L］≥ξ，則STATCOM補(bǔ)償裝置工作組數(shù)為［QD/ηQ1］+1，其中［QD/ηQ1］工作在η倍額定容量的狀態(tài)下，1組工作在較高容量下，｛QD-［QD/ηQ1］·η｝＞ξ。

3　實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性、可靠性，本文將提出的補(bǔ)償容量配置策略應(yīng)用于某造船廠的混合無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，并將策略應(yīng)用前后整個造船廠電網(wǎng)的功率因素和供電質(zhì)量進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示。

圖2　采用傳統(tǒng)容量配置策略的供電質(zhì)量

圖3　采用本文容量配置策略的供電質(zhì)量

從圖2和3可見，本文提出的容量配置策略有效地實(shí)現(xiàn)了對混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)中靜態(tài)無功容量和動態(tài)無功容量的分解和單組設(shè)備容量的配置，滿足了應(yīng)用對象的無功補(bǔ)償需求，提升了應(yīng)用對象的供電質(zhì)量。同時，在減少補(bǔ)償裝置機(jī)組數(shù)量的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)的供電質(zhì)量并沒有發(fā)生下降，反而有所提高。如圖4和圖5所示，改善后的功率因素提高了0.07以上，達(dá)到0.999。

圖4　采用傳統(tǒng)容量配置策略的供電質(zhì)量參數(shù)

圖5　采用本文容量配置策略的供電質(zhì)量參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，減少了冗余的SVC和STATCOM的補(bǔ)償機(jī)組數(shù)量，降低了補(bǔ)償成本，改善了各機(jī)組的工作狀態(tài)。如表1所示，在采用了控制策略后，減少了3組補(bǔ)償機(jī)組，改善了每組機(jī)組的工作狀態(tài)，有效延長了機(jī)組的工作壽命。

表1　單組機(jī)組實(shí)際工作容量與額定容量比

4　結(jié)束語

針對現(xiàn)有混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)中存在裝機(jī)容量冗余較大、補(bǔ)償裝置工作狀態(tài)混亂、工作效率低下的問題，提出了一種基于歷史狀態(tài)的選擇性容量配置策略。通過對歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析，對補(bǔ)償裝置的容量分配進(jìn)行了有效配置。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：本文提出的混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)的容量配置策略能夠有效提高系統(tǒng)的無功補(bǔ)償性能，減小裝機(jī)容量冗余度，提升補(bǔ)償裝置的工作效率。

［1］毛啟靜.利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率補(bǔ)償風(fēng)電場無功損耗［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（19）：177-180.

［2］王兆安，楊君，劉近軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］張定華，桂衛(wèi)華，王衛(wèi)安，等.混合動態(tài)無功補(bǔ)償裝置及其應(yīng)用研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2010，14（2）：71 -78.

［4］沈東，姜齊榮，韓英鐸.靜止動態(tài)補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)化模型及開環(huán)響應(yīng)時間常數(shù)分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20（7）：56-61.

［5］王成福，梁軍，張利，等.風(fēng)電場混合無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)及其控制策略研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（14）：43-124.

［6］朱凌志，陳寧，王偉.兼顧接入地區(qū)無功需求的風(fēng)電場無功控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，33（5）：80 -85.

［7］CHOMPOO-INWAIC，YINGVIVATANAPONG C，METHAPRAYOONK，et al.Reactive compensation techniques to improve the ride-through capability ofwind turbine during disturbance［J］.IEEE Transactions on industry applications，2005，41（3）：666-672.

［8］CHAUDHARIB N，F(xiàn)ERNANDES B G.Performance of line start permanentmagnet synchronousmotor with single-phase supply system［J］.IEE Proceedings Electric Power Applications，2004，151（1）：83-90.

［9］CHDMERSB J，BAINESG D.A Performance of a linestart single-phase permanent-magnet synchronous motor［C］//Seventh International Conference on Electrical Machines and Drives.Durham，UK：［s.n.］，1995：413 -417.

［10］CERRADA A G，GONZALE P G，COLLLANTES R，et al.Comparison of thyristor controlled reactors and voltage source inverters for compensation of flicker caused by arc furnaces［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（4）：1225-1231.

［11］HONG Yingyi，LUO Yifeng.Optimal VAR control considering wind farms using probabilistic load-flow and graybased genetic algorithms［J］.IEEE Transactionson Power Delivery，2009，24（3）：1441-1449.

［12］LIU Chenhung，HU Yuanyi.Design of a self-turning PI controller for a STATCOM using particle swarm optimization［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（2）：702-715.

（責(zé)任編輯楊黎麗）

Hybrid Reactive Power Com pensation Capacity Allocation Strategy and Its Application

GAOWen-gen，JIANG Ming，LIYun-fei
（Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Based on SVC and STATCOM and combined the advantages of two kinds of compensation technology，the hybrid reactive power compensation system could effectively eliminate barriers between compensation cost and compensation device types，however，in practical application，because of the improper allocation of compensation capacity，problems such as over redundancy of installed capacity，confused operating state of compensation devices，and low efficiency were caused.A selective allocation strategy was proposed in this paper based on the historical state，and through the analysis of the history of reactive power demand，we allocated rational compensation capacity based on the established distribution rules and effectively improved the quality of power supply aswell as performance of compensation device.

static var compensator；static synchronous compensator；hybrid reactive power compensation system；historical status；allocation strategy

TM712

A

1674-8425（2015）05-0099-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.018

2015-02-09

安徽省科技計劃項(xiàng)目（1206c0805006）；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（1301022045）；蕪湖市科技計劃重大項(xiàng)目（2014zd23）

高文根（1973—），男，安徽蕪湖人，博士研究生，主要從事智能微電網(wǎng)及電能質(zhì)量治理研究。

高文根，江明，李云飛.一種混合無功功率補(bǔ)償容量配置策略及其應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（5）：99-102.

format：GAOWen-gen，JIANG Ming，LIYun-fei.Hybrid Reactive Power Compensation Capacity Allocation Strategy and Its Application［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：99-102.