劉國輝

（榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114000）

應用于配電網的STATCOM電壓與無功功率綜合控制方法

劉國輝

（榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114000）

本文首先介紹 STATCOM的基本工作原理，并簡述項目應用的基本概況；針對配電網對動態(tài)無功補償裝置提出的要求，設計了 STATCOM電壓與無功功率綜合控制算法及控制參數(shù)整定方法，通過 PSIM仿真模型驗證了控制方法的可行性。該STATCOM設備已經在廣東電網取得了良好的應用，通過對比 STATCOM投運前后系統(tǒng)的電壓與無功情況，進一步驗證了控制方法的有效性，保證了配電網供電的可靠與穩(wěn)定。

靜止同步補償器；電壓控制；雙PI調節(jié)

STATCOM（static synchronous compensator）是柔性交流輸電技術（flexible AC transmission system,FACTS）的主要裝置之一，它代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補償技術新的發(fā)展方向[1]。STATCOM能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，為電力系統(tǒng)提供必要的無功支撐，其工作原理是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(lián)在電網上，適當?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康腫2]。STATCOM在電力系統(tǒng)應用的示意圖如圖1所示。

隨著全控型開關器件生產工藝和數(shù)字信號處理器芯片性能的升級，STATCOM的設計容量和控制靈活性有了進一步的提高，與傳統(tǒng)的并補電容器、電抗器甚至SVC相比都具有明顯的性能優(yōu)勢，這也為STATCOM在更廣闊的領域應用奠定了堅實的基礎。

圖1 STATCOM應用示意圖

目前STATCOM在新能源發(fā)電（如風能、太陽能等）和輸配電領域已經有了普遍的應用，其主要的控制模式包括恒電壓控制、恒無功功率控制和恒功率因數(shù)控制[3]。本文主要介紹 STATCOM在配電網變電所的應用，基于穩(wěn)定性和經濟性的考慮，供電企業(yè)對動態(tài)無功補償裝置提出了新的要求，即STATCOM在能夠快速響應電壓波動的同時還要兼顧提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1 項目概況

廣東電網公司佛山供電局變電站STATCOM改造項目是通過在站內 10kV母線上裝設±8Mvar鏈式動態(tài)無功補償裝置STATCOM實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的控制。在項目改造前該變電站主要采用投切電容器組的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的控制，即在負荷高峰期投入一定量的電容器組穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，而在負荷較輕時再將電容器組切除。該方法的缺點是不能實現(xiàn)無功功率的連續(xù)調節(jié)，并且實時性差。

2 STATCOM主電路設計

該項目STATCOM裝置設計為模塊化級聯(lián)拓撲結構，采用星形連接[5]。電壓等級設計為10kV，額定容量為±8Mvar，每相級聯(lián)功率單元數(shù)量為12級，功率單元直流側電壓設定為800V，主電路拓撲結構如圖2所示，圖中Us為系統(tǒng)電壓，額定值為10kV；R為充電電阻，按照1000Ω設計；QF為旁路接觸器，用于充電后旁路充電電阻；L為連接電抗器，電感值按額定容量5%設計。

圖2 STATCOM主電路拓撲圖

3 電壓與無功功率綜合控制

3.1 控制方法設計

該控制方法的設計思想是優(yōu)先控制系統(tǒng)電壓，在保證系統(tǒng)電壓不越界的情況下盡量提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。該控制系統(tǒng)設計為雙PI調節(jié)，分別為越上限調節(jié)和越下限調節(jié)。

系統(tǒng)電壓與無功功率綜合控制框圖如圖 3所示，Urefup、Urefdown分別為系統(tǒng)電壓上下限指令、Ufbk為系統(tǒng)電壓實際反饋值、IqUsum為越上限調節(jié)器PI_Uh輸出與越下限調節(jié)器 PI_Ul輸出之和、Iqload為檢測到的負載無功電流、Iqref為最終得到的STATCOM無功電流指令值。

圖3 電壓無功綜合控制框圖

控制框圖中負載電流iaload、ibload、icload可以通過檢測系統(tǒng)電流和STATCOM輸出電流計算得到；負載無功電流Iqload可由dq變換得到[4]；同步角度θ由鎖相環(huán)PLL得到；無功電流指令Iqref的計算過程如下式：

Iqref為最終的無功電流指令值，該指令值經過限幅濾波后即可作為無功電流環(huán)調節(jié)器的輸入。當系統(tǒng)電壓在電壓指令范圍外時，電壓環(huán)調節(jié)器發(fā)揮作用，將系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在允許值范圍內；當系統(tǒng)電壓在電壓指令范圍內時，屏蔽電壓環(huán)的調節(jié)作用，此時STATCOM只補償系統(tǒng)的無功功率，其執(zhí)行的指令Iqref就是所檢測到的負荷無功電流Iqload。

3.2 控制參數(shù)整定

為便于控制參數(shù)的整定，將電壓與電流量進行歸一化處理，STATCOM系統(tǒng)設計的額定電壓UN為10kV、額定容量QSTAT為8Mvar、則額定電流ISTAT為 462A。根據額定參數(shù)選取系統(tǒng)電壓定標值為10000V，電流定標值為 462A；根據單元級數(shù)的設計選取直流側電壓定標值UdcN為900V。

1）單元直流側電壓整定

該系統(tǒng)設計的單元級數(shù)N為 12級，選取的連接電抗器電感L為2mH，則STATCOM輸出的相電壓UPSTAT應滿足下式的關系

經計算UPSTAT為 6063.8V，則單元直流側電壓指令值Udcref應按照式（5）計算。

經計算Udcref應為 0.79以上，留取一定的裕量取Udcref為0.85。

2）PI調節(jié)器參數(shù)整定

為了提高STATCOM控制系統(tǒng)響應的快速性，需要對PI調節(jié)器比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI進行整定。該控制參數(shù)可以根據系統(tǒng)短路容量S估算，系統(tǒng)短路容量可以由系統(tǒng)設計方提供也可以利用STATCOM設備測算；通常KI取值為0.05，KP取值按照式（6）估算，其中0.25為經驗值。

由于在算法執(zhí)行過程中，無論實際系統(tǒng)電壓是否越過指令電壓范圍，越上限 PI調節(jié)和越下限 PI調節(jié)的輸出均有效，其作用都是控制實際電壓趨向各自的電壓指令，從而在控制上會產生相互削弱的影響。為避免上下限PI調節(jié)的這種沖突以便使調節(jié)器在各自的電壓區(qū)域內發(fā)揮主導作用，需要對調節(jié)器的輸出限值參數(shù)進行初始化。越上限調節(jié)器PI_Uh限值參數(shù)和越下限調節(jié)器 PI_Ul限值參數(shù)分別設置如下：

PI_Uh積分輸出上限初始化為2；

PI_Uh積分輸出下限初始化為?1；

PI_Uh調節(jié)器輸出上限初始化為2；

PI_Uh調節(jié)器輸出下限初始化為0；

PI_Ul積分輸出上限初始化為1；

PI_Ul積分輸出下限初始化為?2；

PI_Ul調節(jié)器輸出上限初始化為0；

PI_Ul調節(jié)器輸出下限初始化為?2。

4 仿真分析及應用效果

搭建STATCOM主電路的PSIM仿真模型，由10.2kV，50Hz理想電壓源供電，系統(tǒng)短路容量為150MVA；控制部分由動態(tài)鏈接庫（DLL）實現(xiàn)，即將控制程序源代碼移植到動態(tài)鏈接庫中；在系統(tǒng)中投入阻感性負荷，其感性無功功率為4.24Mvar。通過投入負荷改變STATCOM補償點的電壓，分別測試系統(tǒng)電壓越界和系統(tǒng)電壓不越界時STATCOM的響應情況。

在1s時刻向供電系統(tǒng)中投入感性負荷拉低系統(tǒng)電壓，此時STATCOM不投入運行，系統(tǒng)電壓與功率因數(shù)曲線如圖4所示，圖中最上面的曲線為系統(tǒng)線電壓有效值，中間的曲線為功率因數(shù)，最下面的為負載變化實時波形。負載投入后系統(tǒng)電壓從1.015p.u.跌落至0.91p.u.；功率因數(shù)從1降至0.7。

圖4 系統(tǒng)電壓與功率因數(shù)曲線

投入STATCOM并將系統(tǒng)電壓控制目標值設置為 1.06～1.1，在 1s時刻投入負荷。由于設置的電壓控制目標偏高，負荷投入前后系統(tǒng)實際電壓均越界，STATCOM優(yōu)先控制系統(tǒng)電壓至目標值范圍內。電壓和功率因數(shù)曲線以及STATCOM電流波形如圖5所示。圖中最上面曲線為系統(tǒng)電壓有效值，穩(wěn)態(tài)值為 1.06p.u.；中間的曲線為功率因數(shù)，穩(wěn)態(tài)值為0.83～0.91；最下面的波形為STATCOM輸出電流，其數(shù)值從容性0.2p.u.變化到容性0.8p.u.。根據分析可知，負荷投入前后系統(tǒng)電壓均能穩(wěn)定在目標電壓范圍內。由于投入的負荷為感性 0.53p.u.，而STATCOM 拉升系統(tǒng)電壓至目標電壓的最小容性無功需求是 0.8p.u.，此時可以達到最優(yōu)的功率因數(shù)0.91，所以STATCOM最終輸出0.8p.u.容性無功電流。

圖5 系統(tǒng)電壓與功率因數(shù)曲線

投入STATCOM并將系統(tǒng)電壓控制目標范圍調大，保證負載投入前后系統(tǒng)電壓不越界，投入負荷后 STATCOM 的響應波形如圖 6所示。此時STATCOM只補償負荷無功功率，輸出電流從0變化到容性0.53p.u.，功率因數(shù)曲線穩(wěn)態(tài)值為1，系統(tǒng)電壓曲線始終在控制目標值范圍內。

圖6 系統(tǒng)電壓與功率因數(shù)曲線

通過仿真分析可見 STATCOM 的控制邏輯正確，能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓與無功功率的綜合控制。

STATCOM設備通過 RS 485接口，采用標準MODBUS通信協(xié)議與后臺監(jiān)控系統(tǒng)建立連接實現(xiàn)遙控、遙調功能。STATCOM設備能夠實時接收后臺監(jiān)控機下發(fā)的電壓指令，提高了電壓控制的實時性。STATCOM設備投入運行后，站內系統(tǒng)電壓控制精度明顯提高，投運前后對比見表1。

表1 STATCOM運行前后對比

5 結論

STATCOM自投運以來，可以滿足用戶對系統(tǒng)電壓及無功功率的控制要求，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在設定的范圍內。有效減少電壓越界的同時又兼顧功率因數(shù)，在系統(tǒng)電壓處于正常范圍內時對系統(tǒng)功率因數(shù)有一定的提高，對電力系統(tǒng)電能質量有顯著改善。STATCOM 設備與站內監(jiān)控系統(tǒng)相配合取得了良好的控制效果。STATCOM 的電壓控制指令由后臺監(jiān)控機直接下發(fā)，電壓目標設定過程不需要運維人員對設備就地操作，提高了電壓控制的實時性。

另外，由于STATCOM對被控量變化的響應速度與其電壓環(huán)和電流環(huán)控制參數(shù)有關，而這些控制參數(shù)的整定又會受到所接入電力系統(tǒng)的短路容量、系統(tǒng)阻抗等參數(shù)的影響，所以對于不同的項目現(xiàn)場，STATCOM的閉環(huán)控制參數(shù)需要重新整定。

[1]粟時平,劉桂英.靜止無功功率補償技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2]王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M]．2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3]燕福龍.電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[4]王兆安,李民,卓放,等.三相電路瞬時無功功率理論的研究[J].電工技術學報,1992(3):45-49.

[5]龔娟.級聯(lián)多電平 STATCOM控制策略研究[D].天津:天津理工大學,2008.

Integrated Control Method of Voltage and Reactive Power for STATCOM Applied in Distribution Network

Liu Guohui
(Rongxin Power Electronic Co.,Ltd,Anshan,Liaoning 114000)

This paper firstly introduced the basic principle of STATCOM,then supplied the overview of this project application.In order to satisfy the distribution network requirements to reactive power compensation equipment,integrated control method of voltage and reactive power,including corresponding parameters adjusting method was proposed,and its validity was verified by PSIM simulation model.STATCOM equipment with this control method was successfully applied in Guangdong power grid project.The good application effect proved that this control method could make power supplying more reliable and more stable.

STATCOM;voltage control;double PI regulation

劉國輝（1983-），男，遼寧鞍山人，研究生，工程師，主要從事電力系統(tǒng)無功補償設備的研發(fā)設計工作。