配网自动化论文

D-STATCOM在配网中的应用研究 【摘要】 配电网中的负荷波动性大，再加上配电网中的故障发生几率较高，这样会造成供电电压的波动和不稳定等问题，本文通过介绍D-STATCOM的工作原理及控制方式、应用原理以及与SVC的比较，说明其在配网中的重要应用。 【Abstract】 The fluctuation of load in distribution network is big and the failure risk is higher, which causes the power supply voltage fluctuation and unstable problems. With introducing the working principle and control methods, application principle of D-STATCOM, and the comparison with SVC, this paper shows the important application of the distribution network. 【关键字】

D-STATCOM，配网，无功补偿，平衡负载，SVC 【Key words】 D-STATCOM, distribution network，reactive compensation, balanced load, SVC 1.概述 随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路、断路等，都给供电质量造成严重干扰。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为了近年来电气工程领域研究的热点之一。配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）是一种重要的装置，跟其它类型的装置相比较，具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，能综合的解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不对称等电能质量问题，因此在配电网中颇受关注，成为了现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。本文将从D-STATCOM的工作原理及控制方式、应用原理以及与SVC的比较来论述其在配网中的重要作用。

2.D-STATCOM的工作原理及控制方式 2.1D-STATCOM的主电路形式 [1、4]D-STATCOM的主电路分为电压型型桥式电路和电流型桥式电路，直流侧分别采用电容和电感两种不同的储能原件。电压型桥式电路，还需再串联电抗器才能并入电网，电感的作用是滤除装置投入时的产生的谐波给电网带来的过电压；电流型桥式电路，还需在交流侧并联电容器，其作用是吸收换相产生的过电压。两种电路的结构图如图1所示。

图1 D-STATCOMD的主电路形式 在实际运行中，电流型桥式直流侧的由于储能电感损耗较大，电路效率低，所以迄今投入使用的D-STATCOM主电路大都采用电压型桥式电路。在本文中也采用三项桥式电压型桥式电路。 2.2D-STATCOM的结构及补偿原理 电压型D-STATCOM结构及补偿原理（不考虑无功发生器的损耗）如图2所示。 图2 D-STATCOM结构及补偿原理（不考虑损耗） 图2中Us为系统母线电压、UD为装置输出电压，X为连接电抗器的电抗。

D-STATCOM的工作方式如下： （1）超前运行。当D-STATCOM输出电压的幅值大于所连交流系统电压的幅值时，其输出滞后的无功功率起到补偿容性无功的作用，如图2所示。 （2）滞后运行。当D-STATCOM输出电压的幅值小于系统电压的幅值时，其吸收滞后的无功功率起到补偿感性无功的作用，如图2所示。 （3）无功率交换运行。当D-STATCOM输出电压的幅值等于所连交流系统电压的幅值时，其与交流系统没有无功功率交换。

图3 D-STATCOM补偿原理（考虑损耗） D-STATCOM在实际正常工作时，存在一定的损耗，需要从电网中吸收有功功率补偿损耗，其中用R来等效电抗器和变流器本身的损耗，其向量图如图3所示，其中UL为连接电抗器阻抗电压，δ为系统母线电压Us与装置输出电压UD的相位差，φ为连接电抗器的阻抗角。

3.D-STATCOM的应用原理 3.1谐波治理 [2-7]电力系统中的负荷电流可以分解成两部分，一部分是基波正弦电流部分，另一部分是谐波电流，两部分之和是总的负荷电流。进行谐波治理时，将D-STATCOM安装在系统与负荷间的线路上，通过采用相应的控制策略，使得该补偿装置能够产生负荷电流中的谐波电流部分，这样从系统侧来看，电源只需要向负荷提供基波正弦的那一部分电流，也就是说，系统电流的谐波被消除了。其中，控制效果和控制装置的能力、控制策略，与负荷及系统状况有关。 3.2无功补偿 当系统的功率因数太低时，会造成较大的线损，同时大大减小线路的实际可传输容量，这时需要进行无功补偿。与前年的谐波治理相似，同样可以把电流分解成两部分，一部分是与电压完全同相位的电流，即有功电流，另一部分是与电压成90°夹角的电流，即无功电流。 将D-STATCOM安装在系统与负荷间的线路上，通过采用相应的控制策略，使得该补偿装置能够产生负荷电流中的无功电流部分，这样从系统侧来看，实际上电源只需要向负荷提供有功电流，也就是说，系统电流的功率因素理论上被补偿为1.实际的控制效果与装置的容量、控制策略、同步信号等方面有关。 3.3平衡负载 在理想情况下，系统的三相电流应该是对称平衡的。然而一般情况下，系统三相电流总是存在着或多或少的不平衡、不对称。当这些情况比较严重时，系统会产生较大的零序电流，对配电系统来说是不利的。同样，可以将电流分解成两部分：一部分是三相对称平衡的电流，即正序分量；另一部分则是系统电流的不对称部分，这一部分是系统电流的负序和零序电流之和。 为平衡负载，可将D-STATCOM安装在系统和负荷间的线路上，通过采用响应的控制策略，使得该补偿装置能够产生电流中的不对称部分，即负序电流和零序电流，这样从系统侧来看，实际上电源只需要向负荷提供三相对称平衡的基波正序电流，对系统而言实现了负载平衡。 以上所述的工作原理和功能设计的D-STATCOM装置，并联接在系统和负载之间，其接线方式如图4所示。 图4 D-STATCOM装置的接线示意图 图5为三相电流与电压的仿真结果。可见补偿前三相电流不但超前或者滞后于电压，而且存在三相不平衡现象（A相较大），经过D-STATCOM的平衡化补偿，三相电流的幅值减小，与电压同相，同时实现了三相电流的平衡。

图5 基于D-STATCOM系统仿真三相电流与电压波形 4.D-STATCOM与SVC的比较 [2、8]SVC与D-STATCOM都属于静止无功发生器（SVG），能向电网提供可控的容性或感性电流，从而发出或吸收无功功率的静止电力设备、装置或系统。D-STATCOM能够控制其输出电流在其最大容性值和最大感性值之间的变化，而不依赖于交流系统电压，这是与SVC不同的；SVC的输出电流随交流系统的电压而变化。因此，在提供电压支撑和改善系统稳定性方面，D-STATCOM比SVC更有效。此外，D-STATCOM的输出电流可以暂时超出其稳态额定值，其过负荷的大小和持续时间取决于GTO散热器的热容量和GTO的最大关断电流。根据换流器设计的不同，D-STATCOM的暂态额定值可以在稳态额定值的120%—180%之间变化。[9]表1给出的两者的比较。

表1D-STATCOM和SVC的比较 序号 D-STATCOM SVC 1 表现为带有内电抗的电压源 表现为一个可变电纳 2 对输电系统的谐波谐振不敏感 对输电系统的谐波谐振敏感 3 具有大的动态范围 具有较小的动态范围 4 产生的谐波较少 产生的谐波较多 5 暂态下响应更快（ms以内）、性能更好 响应有点慢 6 可在感性和容性区域运行 大多运行在容性区域 7 即使对于很弱的交流系统，也能维持稳定的电压 在弱交流系统下运行困难

8 可用于少量的能量存储 9 暂时的过负荷能力可改善电压稳定性

【总结】 文章通过分析D-STATCOM的工作原理及控制方式、应用原理以及与SVC的比较，来说明其在配网中的应用，最主要的是补偿系统的无功功率，来提高系统的稳定性以及改善系统的性能，解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不对称等电能质量问题。然而，由于D-STATCOM需要满足的功能繁多，在实际应用中，设计D-STATCOM控制系统使其具有某一项功能比较容易，但要兼具所有功能则比较难，因为这些控制目标在一定条件下是相互矛盾的，比如：提高稳定极限与维持节点电压恒定有时是相互矛盾的，为提高稳定极限，往往要求放开电压限制。有关D-STATCOM还有很大的研究空间，在新世纪运用D-STATCOM等柔性输电来改造传统的电力工业，使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作，也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。 【参考文献】 [1] 唐杰。配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）的理论与技术研究[D] 湖南大学博士学位论文 2007 [2]. 王兆安，杨君，刘进军。谐波抑制和无功功率补偿。 北京 机械工业出版社 1998 [3]姜齐荣，谢小荣，陈建业。电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用[M].北京：机械工业出版社。2004 [4]．谭甜源，姜齐荣，李刚，等。基于电流跟踪控制的三电平D-STATCOM装置的控制方法[J]。电力系统自动化，2007,31（4）：61-65 [5].刘建强。配电系统无功补偿技术方案比较[J]。广东电力。2003,16（1）：41-44 [6]许树楷，宋强，朱永强，等。用于不平衡补偿的变压器隔离型链式D-STATCOM的研究[J].中国电机工程学报，2006,26（9）：137-143. [7].陈贤明，许和平，王小红，等。±500Kvar静止无功发生器的研制[J].电力系统自动化，2001,25（12）：53-57 [8]. 姜齐荣，谢小荣。容性交流输电系统的原理与应用。北京 清华大学出版社。2006 [9].HVDC AND FACTS CONTROLLERS—Applications of Static Converters in Power System