荊 輝

（國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250002）

0 引言

移動(dòng)式STATCOM作為一種革新的、先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。其配套設(shè)備設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)型式，運(yùn)輸靈活，可根據(jù)電網(wǎng)不同區(qū)塊無(wú)功情況進(jìn)行合理分配，有利于后期的合理再利用。以下主要對(duì)STATCOM的基本原理、電路接線結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 STATCOM基本原理

對(duì)于電網(wǎng)而言，移動(dòng)式STATCOM等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)式STATCOM等效電路

由上可知，STATCOM主要部件有：電壓源換流器和直流電容器，此外還需要一個(gè)耦合變壓器（或電抗器），實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)對(duì)接。

研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)工況下，STATCOM對(duì)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰θQ于電網(wǎng)端電壓與其本身的輸出電壓的相角，準(zhǔn)確調(diào)整該相角，能夠有效提高無(wú)功補(bǔ)償功效。

2 移動(dòng)式STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式STATCOM主要有變壓器多重化結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。雖然兩種型式外特性相同，不過(guò)工作原理還是有本質(zhì)區(qū)別。

多重化結(jié)構(gòu)以大功率的兩電平或三電平VSC為核心，是大多數(shù)輸電網(wǎng)STATCOM工程所采用的主電路結(jié)構(gòu)。以日本Kanzaki變電站±80 Mvar STATCOM工程為例，如圖2所示，低壓側(cè)每臺(tái)VSC輸出的方波電壓相差一定角度，經(jīng)過(guò)多重化變壓器的電磁耦合作用，在高壓側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓。變壓器多重化結(jié)構(gòu)有效增大了STATCOM的裝機(jī)容量，但這種結(jié)構(gòu)型式也存在著占地大、成本高、無(wú)冗余運(yùn)行能力、磁非線性引起的過(guò)壓和過(guò)流等問(wèn)題，從而限制了其應(yīng)用。

圖2 基于三電平VSC和多重化變壓器的STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

圖3為移動(dòng)式STATCOM的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)型式以鏈?zhǔn)絍SC為核心，相與相之間相互獨(dú)立，每一相都由若干聯(lián)結(jié)組別相同的單相橋式電壓源逆變器串接構(gòu)成，N個(gè)基本單元串聯(lián)可得到2N+1級(jí)的階梯電壓波形。第一臺(tái)基于鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的±75 Mvar STATCOM設(shè)備由ALSTOM研發(fā)成功應(yīng)用，并且實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)化。工程案例的成功論證了該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)STATCOM的合理性和有效性，也展現(xiàn)了鏈?zhǔn)絊TATCOM的特殊優(yōu)勢(shì)。

圖3 基于鏈?zhǔn)絍SC的移動(dòng)式STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

3 移動(dòng)式STATCOM主設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 連接電抗器

連接電抗主要作用有三方面：首先是進(jìn)行能量傳遞，其次是有效抑制高次諧波，再次是可以限制穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流。電抗參數(shù)可以在0.1～0.2 p.u.區(qū)間內(nèi)初選，若X=0.1 p.u.，轉(zhuǎn)換成有名值為3.674 9 Ω。

3.2 直流側(cè)電容

在兩個(gè)冗余鏈節(jié)退出的情況下，電網(wǎng)電壓1.3 p.u.時(shí)單個(gè)鏈節(jié)交流側(cè)視在功率達(dá)到最大1.15 MVA，若此時(shí)取直流電壓波動(dòng)系數(shù)為5%，則Cd≥14.3 mF，初步選定Cd=16 mF。

4 移動(dòng)式STATCOM控制技術(shù)

4.1 低電壓控制方案

移動(dòng)式STATCOM應(yīng)包含一種控制邏輯，低電壓情況比較惡劣時(shí)采用，比如短路故障，閉鎖無(wú)功電流指令。如果移動(dòng)式STATCOM在低電壓水平持續(xù)工作，母線電壓調(diào)節(jié)器會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大幅值容性無(wú)功電流，故障排除后易導(dǎo)致過(guò)電壓。

4.2 移動(dòng)式STATCOM不對(duì)稱故障控制方案

移動(dòng)式STATCOM能否在電網(wǎng)故障期間承受故障沖擊而不退出，并在故障切除后快速提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，是衡量移動(dòng)式STATCOM性能的重要指標(biāo)。

不對(duì)稱短路時(shí)，移動(dòng)式STATCOM的受端電壓參數(shù)波動(dòng)較大，若換流鏈出口側(cè)不能快速跟蹤這種變化，則有可能因過(guò)流而退出，故障切除后移動(dòng)式STATCOM將不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。不對(duì)稱故障情況下，存在兩種可能的控制模式：一種做法是忽略負(fù)序，只輸出正序電壓；另一種是抵消負(fù)序。

針對(duì)上述兩種控制模式存在的問(wèn)題，提出了正、負(fù)序分離最優(yōu)控制模式。在電網(wǎng)電壓不平衡度小于20%時(shí)，換流鏈平均直流電壓基本能夠維持平衡，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)流。在電網(wǎng)電壓不平衡度大于30%時(shí)，該方法的控制效果不理想，裝置在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間都處于過(guò)流狀態(tài)，主要是由于負(fù)序電壓剛出現(xiàn)時(shí)，正、負(fù)序兩種分量互相耦合，造成換流鏈平均直流電壓劇烈變化，需要較長(zhǎng)時(shí)間消除。因此，正、負(fù)序電壓分離最優(yōu)控制模式不適用于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量水平要求越來(lái)越高，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能實(shí)時(shí)追蹤電網(wǎng)無(wú)功現(xiàn)狀并進(jìn)行合理補(bǔ)給，有利于電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)和發(fā)展，而且對(duì)受端用戶設(shè)備也起到了保護(hù)作用，延長(zhǎng)了使用壽命，節(jié)約了資源。移動(dòng)式STATCOM裝置在變電站的靈活使用、高效響應(yīng)，能夠提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，保障電網(wǎng)的良好運(yùn)營(yíng)，抑制電壓閃變，補(bǔ)償不平衡電流，濾除高次諧波分量及提升電網(wǎng)功率因數(shù)。本文通過(guò)研究STATCOM的基本原理、電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)，為后續(xù)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。