基于STATCOM的电压波动与闪变问题解决方案

第37卷2009年10月云 南 电 力 技 术YUNNAN ELECTR I C POWER Vo l 37N o 5
Oct 2009
收稿日期:2009-09-03
基于STATCOM 的电压波动与闪变问题解决方案
张晓春
(云南电网公司技术中心,云南 昆明 650011)
摘要:介绍了STATC OM 的基本工作原理,分析了基于STATC OM 的电压波动和闪变问题的解决方案。

关键词:静止同步补偿器 电压波动与闪变 电能质量
中图分类号:TM72 文献标识码:B 文章编号:1006-7345(2009)05-0004-03
1 前言
近年来,电力系统中电气化铁路、电弧炉、轧机等大功率冲击性负荷不断增长,这些负荷对电力系统的无功、有功冲击和谐波污染日益严重,造成电压波动和闪变、三相不平衡、谐波等一系列电能质量问题。

一方面,对于配电网,以上电能质量问题降低了系统运行可靠性和供电质量,增加了线路损耗,并增大了相关设备的运行维护和管理的难度;另一方面,对于终端用户,以上问题降低了冲击性负荷用户的生产效率和设备使用寿命,并对敏感性负荷的正常生产带来严重影响,造成巨大的经济损失。

因此,供用电双方均对以上电能质量问题给予了较大的关注。

目前,电力系统的无功补偿设备主要以电抗器和电容器为主,电压调整主要采用变压器有载调压与电抗器或电容器投切方式。

由于这些静态补偿设备无法频繁地投切,因此难以有效解决电网中广泛存在的电压波动和闪变、三相不平衡等电能质量问题。

新近发展起来的SVC 、STATCOM 等动态无功补偿设备能够克服以上缺陷,快速响应负荷功率变化,精确注入无功功率,是解决以上电能质量问题的有效途径之一。

静止无功补偿器SVC 能够实现动态无功补偿的目的,但其自身存在的谐波污染问题导致其无法大规模应用。

静
止同步补偿器STATC OM 基于全控型电力电子器件构建,具有比SVC 更加优良的补偿性能,而且自身不产生谐波,抑制电压波动和闪变的性能约为同容量SVC 的2~3倍,是解决以上问题的最有效手段。

2 STATCOM 的工作原理
STATCO M 本质上是一种基于全控型大功率换流器技术的电压源逆变器。

通过采用合适的控制策略和电路拓扑,其外特性类似于幅值、频率以及相位可变的交流发电机。

由于STATC O M 仅用于补偿无功功率,而不参与系统调频,因此其频率和相对于接入点电压的相位都是保持固定不变的。

STATCOM 实现无功功率补偿的基本原理可见图1。

STATCOM 通过联络电抗器或升压变压器与电网连接。

当STATCOM 的输出电压U c 高于系统电压U s 时,补偿电流I 由STATC OM 流向电网,补偿电流I 在相位上超前电压U c90 ,外特性类似于补偿电容器。

而当STATCOM 输出电压U c 低于系统电压U s 时,补偿电流I 由流向电网STATCOM,补偿电流I 在相位上滞后电压U c90 ,外特性类似于补偿电抗器。

由于STATCOM 既可以实现容性补偿,也可以实现感性补偿,补偿特性与调相机类似,而且不含旋转部件,因此常将STATCO M 称为静止同
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第37卷基于STATCOM 的电压波动与闪变问题解决方案
2009年第5期
步补偿器。

图1 STATCOM 的基本工作原理
3 方案分析
利用STATCO M 消除冲击性负荷导致的电压波动和闪变问题,主要利用了其固有的无功功率快速补偿能力。

工程经验表明,SVC 对电压闪变的抑制能力可以达到2 1。

受响应速度的限制,即使再增大SVC 的容量,也不可能显著改善其抑制电压闪变的效果。

STATCOM 固有的电流源补偿特性,使其对电压闪变的补偿能力可以达到4 1甚至5 1。

由于响应速度非常快,增大设备容量可以继续提高其抑制电压闪变的能力。

图2所示的冲击性负荷供电系统中,E !
为电源的等值电压,Z 为系统的等值阻抗, 为系统
的等值阻抗角;U !
为PCC 母线电压,Z L 为负荷等
值阻抗, 为负荷阻抗角;
I !
为PCC 点由系统汲
取的电流,I !
L 为冲击性负荷电流,I !
C 为并联补
偿设备注入PCC 母线的电流。

图2 STAT COM 消除电压波动的等值电路
根据基本电路原理,当不考虑无功补偿设备时,PCC 点的电压为:
U !
=E !
-I !
Z=E !
-I L Z m e
j( -!)
=U p +U j q
(1)
因负荷电流导致的电压降落为:
∀U !
=E !
-U !
=I L Z
m cos ( -!)+jI L Z m si n ( -!)=∀U p +j ∀U q
(2)
一般来说,∀U q 对U 的影响很小,因此往往仅考虑∀U p 分量的影响。

即:
∀U ∀∀U p =I L Zm cos ( -!)(3)
由于I L =S L U N 以及Z m =U 2
N
S CC ,因此:
∀U (%)=
∀U U N =S L
S CC
cos( -!)(4)
由式(4)可知,冲击性负荷导致的电压偏移不仅取决于系统的短路容量和等值阻抗角,还取决于负荷的大小和功率因数,而当 - #90 时,冲击性负荷导致的电压偏移趋向于零。

当安装有动态补偿设备时,PCC 母线的电压偏移则修正为:
∀U (%)=∀U U N =S C
L S CC cos( -!C
)
(5)
………其中,S C
L =[S L cos !]2
+[S L sin !-S C ]2
,!
C
=arctg
S L si n !-S C
S L cos !
由式(5)可知,补偿容量S C 的存在不仅可以降低PCC 点的等值负荷,减少电压波动,同时还可以减小等值负荷的功角,从而使得 - C
#90
对于冲击性负荷来说,不仅其负荷大小存在波动,而且功率因数也处于动态变化当中,因此导致PCC 电压不断变化。

通过在PCC 节点安装具有动态补偿功能的STATCOM,由STATCO M 向系统精确注入动态无功功率,从而使得PCC 节点的等值负荷S C
L 水平减小,同时提高节点的等值功率因数cos (!C ),最终消除电压波动和闪变。

STATCOM 在国内的电能质量领域的应用还不是很多,目前主要用于解决由电弧炉、电气化铁路等导致的配电网电压波动及闪变等问题。

图3为DSTATCOM 离线时,24小时内供电
母线的电压波动水平,电压波动事件用阴影标注。

图4为DSTATCO M 在线时,24小时内供电母线的电压波动水平,波动事件用也用阴影标注。

为
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2009年第5期云南电力技术第37卷
便于比较,将行业标准中规定的城市与乡镇的配电馈线电压波动最大允许值在图中绘出。

城市馈线由上方曲线表示,乡镇馈线由下方曲线表示。

由两图对比可见,DSTATCOM 抑制配电馈线的电
压波动效果显著。

4 结束语
采用静止同步补偿器是解决电压波动与闪变等电能质量问题的最有效方案之一,
但该装置的
设计制造涉及到电力电子、自动控制及数据处理等诸多尖端技术,目前只有少数国家能够自主开发。

随着GTO 、I GBT 等电力半导体器件技术性能的不断提高,控制理论和控制器的不断完善,STATCOM 在电能质量治理方案中的应用已越来越广泛,示范工程越来越多,STATCOM 也开始逐渐应用于提高电力系统的稳定水平和输电线路的输送能力等其他方面。

国内外电力工程界普遍认为STATCOM 代表了今后电力系统动态无功补偿和电压调节的发展趋势。

参考文献
[1]林海雪 现代电能质量的基本问题[J],电网技术,2001,25(10):5-12
[2]董云龙等 STATCO M 在改善电能质量中的应用[J],冶金动力,2004,101(1):23
-25
[3]韩英铎等 信息电力与FACTS 及DFACTS 技术[J],电力系统自动化,2000
(19):1-7
云南电网电力研究院∃汽轮发电机组远程监测中心%简介
云南电网电力研究院构建的∃汽轮发电机组远程监测中心%成功投入运行,目前该中心已经接入滇东能源有限公司4X600MW #1~#4机组,远在千里之外就可以掌握机组的运行状态,实现对机组的早
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该系统由远程在线监测与故障诊断中心、企业监测中心及现场监测装备三级结构组成。

其中远程在线监测与故障诊断中心担负全省范围监测系统的控制协调任务,负责汽轮发电机组运行数据的远程网络通信、运行信息发布、专家会诊环境和诊断专家系统及数据库的管理与维护等工作。

该系统具备以下技术特点:
1)基于B /S 结构的数据传输技术;2)稳定性与可靠性;3)数据采集的准确性;4)灵敏监测的数据采集技术;5)数据的长期存储与管理;
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