基于静止同步补偿器的不平衡负荷补偿

基于静止同步补偿器的不平衡负荷补偿

发表时间：2019-03-13T11:39:33.407Z 来源：《电力设备》2018年第27期作者：张郝[导读] 摘要：分析了系统不平衡的产生和影响，建立了链式STATCOM的数学模型，设计了应用于不平衡工况下运行的STATCOM控制器，仿真验证了不平衡补偿的有效性。

（广州电力设计院有限公司广州 510610）

摘要：分析了系统不平衡的产生和影响，建立了链式STATCOM的数学模型，设计了应用于不平衡工况下运行的STATCOM控制器，仿真验证了不平衡补偿的有效性。

关键词：静止同步补偿器；数学模型；不平衡补偿；PSCAD/EMTDC

前言

随着电力工业技术的发展，电弧炉、整流器、变频调速装置、电气化铁路等非线性负荷的应用越来越广泛，影响电网电能质量。静止同步补偿器（STATCOM）技术是目前国内外研究的热点[1]-[5]，与传统无功补偿装置比较在运行范围、谐波、响应速度、占地面积等方面具有显著优势。本文首先介绍了不平衡负荷的特点，建立了链式STATCOM的数学模型，提出了一种应用于不平衡工况下的STATCOM控制方法，仿真验证了该控制方法的有效性。

1 系统不平衡的特点

1.1不平衡的产生

如果电网电压不满足三相电网电压幅值相同，A、B、C三相顺序相角相差120°且波形为正弦波述要求则为三相不平衡系统，其主要原因有不对称故障、三线系统参数不对称等因素[4]。

不平衡系统通常有三种情况，即系统电压不对称、负载不对称和运行不对称。当系统不对称时，负载电流就不对称，可以分解为正序分量和负序分量，负序电流会在发电机转子中感应出二倍频交流电流，引起机械振动、转子发热；负载不平衡主要是由于带单相负载或者系统三相带负载不同等；而当系统由于故障而处于非全相运行时，三相负荷严重不平衡，会产生大量的负序和零序分量。

1.2不平衡的影响

当三相系统不平衡运行时，其电压、电流中会产生大量负序分量，会对系统和电器设备产生不良影响，主要包括[5]：（1）负序电压会产生制动转矩，使感应电机的最大转矩和输出功率下降，并增加铜耗。（2）当变压器带不平衡负荷运行时，变压器得不到充分利用；

（3）三相不平衡系统中的负序分量会导致当动作于负序电流的保护装置误动作，还会使一些负序启动元件对系统故障的灵敏度下降；（4）不平衡系统中的负序电流和零序电流还会产生附加功率损耗，加大线路损耗。由以上可知，不平衡工况将会对电力系统中各电器设备造成较大影响，必须采取有效措施对其进行抑制。

2 链式STATCOM数学模型的建立

2.1 链式STATCOM系统简介

链式STATCOM主要由三相链式逆变器构成。每一相逆变器由两个或多个单相全桥电路级联而成，总的输出为级联单元输出的迭加，三相逆变器经连接电抗器并入变电站母线。链式逆变器易于实现冗余和模块化生产，这可以大大提高装置可靠性。

2.2 链式STATCOM数学模型

以三相星形连接链式STATCOM为例，建立链式STATCOM数学模型。STATCOM通过连接电抗器接入系统，由于STATCOM三相各自独立，故只对其一相运行进行建模。其微分方程可以表示为：

（1）

其中，N为级联H桥的单元数；为第个H桥上的直压；为逆变器电流；为电网相电压，V为其有效值；为

电网电压与系统电压的夹角；为第j个H桥逆变器的开关函数，如图1所示，当开关器件1，3导通时，；当开关器件2，4导通

时，。

图1 H桥单元结构示意图

通过傅里叶分析可以将直流电容电压分解为直流分量和交流分量之和，即

（2）

式中，为电容电压的直流分量，为电容电压交流分量。

装置输出电流可分解为

（3）

式中，表示基波有功分量；表示基波电流无功分量；为电流高次谐波分量。

开关函数可由傅里叶分解得到，表达式为

（4）

在上式中，调制比M是逆变桥输出电压有效值与直流侧电压平均值之比；式中等号右边第二个量表示第j个H桥逆变器单元的开关函数高次谐波分量。把式（2）、（3）和（4）带入（1）可以得到

（5）

3 STATCOM的控制系统设计

应用于不平衡工况下运行的STATCOM控制器整体控制框图如图2所示。控制系统采用双环控制策略，即电压外环和电流内环，电压外环的作用通常是控制STATCOM的直流侧电容电压，使其保持在目标值范围以内；电流内环的作用主要是，由无功电流的参考值调节STATCOM发出补偿电流。

图2 STATCOM控制器整体控制框图

4 仿真分析

本文建立了链式STATCOM的PSCAD/EMTDC仿真模型，仿真系统中各参数设置如表1所示。

表1 仿真系统中各参数

电网额定线电压 10kV

系统等效阻抗 0.02Ω

STATCOM连接电抗值 8mH

单元直流侧等效并联电阻 5400Ω

单元直流电容值 10000uF

每相级联单元数 10

单元开关频率 600Hz

STATCOM的安装点设置在不平衡负荷接入点的同段母线上[6]。在0.5秒投入不平衡负荷，0.6秒STATCOM完成直流侧充电后输出补偿电流，在STATCOM装置投入运行后经过小幅度暂态波动，之后在一个周期内迅速发出补偿电流。

装置投入运行前后母线三相电流波形如图3所示，系统不平衡电流得到了有效补偿。

图3 装置投运前后系统电流

5 结论

本文介绍了三相不平衡的产生及其对系统和电气设备运行的影响，建立了链式STATCOM的数学模型，提出了一种应用于不平衡工况下

的STATCOM控制方法并验证了其对不平衡补偿的有效性。

6 参考文献：

[1]姜齐荣.新型静止无功发生器建模及其控制的研究[D].北京：清华大学，1997：

[2]刘文华，梁旭，姜齐荣等.采用GTO逆变器的±20Mvar STATCOM[J].电力系统自动化.2000，24（23）：19-23

[3]查晓明，张茂松，孙建军等.链式D-STATCOM的无源性控制 [J].中国电机工程学报，2011，31（15）：33-35.

[4]林海雪．电力系统的三相不平衡[M]．北京：中国电力出版社，1998．1-5

[5]肖湘宁等．电能质量分析与控制[M] ．北京：中国电力出版社，2003.71-76

[6]李向荣，罗承廉，李勇等.STATCOM应用于2000年华中电网的仿真研究 [J].电力系统自动化，2000，31（15）：7-8. 作者简介：

张郝，男，硕士，主要从事变电及配电设计工作。