配电变压器集成式级联STATCOM原理与设计

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导读

强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、广东电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员陈玉、文明浩等，在2018年第12期《电工技术学报》上撰文指出，配电网无功补偿能够有效减少电能损耗，提升供电质量，以配电变压器作为无功控制的节点充分利用配电变压器富余容量，提出一种与配电变压器相集成的级联静止无功发生器（STATCOM）装置。

将级联型STATCOM通过Dyn11配电变压器高压侧三角形绕组抽头接入系统，研究通过抽头注入电流实现无功补偿的机理，分析注入电流对绕组电流分布的影响，充分利用变压器绕组的载流能力设计合理的接入点电压等级和补偿容量。

针对配电变压器集成式级联STATCOM结构特点，提出改进的无功指令电流检测方法，采用非线性无源控制实现指令电流跟踪，提升控制系统的鲁棒性。仿真与实验结果验证了提出方案的有效性。

配电网无功波动会增加电能传输损耗，同时会严重影响配电网末端的供电质量[1]，我国配电网损耗占整个电网损耗的40%[2]。配电网中分布式电源渗透率不断增加对配电网电压控制也提出更高的要求[3]。高效快速的无功补偿对于降低配电网损耗，提升配电网电压质量有着越来越重要的意义。

静止无功发生器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）作为快速响应型无功补偿装置在近年来得到快速发展，配电网静止无功发生器（Distribution Static SynchronousCompensator, DSTATCOM）在配电网无功动态补偿、关键节点电压支撑和改善系统稳定性方面发挥着越来越重要的作用。

低压侧分散补偿虽然可以较好地实现无功就地平衡，但是存在安装地点分散、各补偿装置之间缺乏协调配合以及潜在的谐振、环流等问题[4]，同时由于补偿装置接入点电压等级较低，补偿电流相应较大，所以补偿容量的设置不宜过大。基于此，DSTATCOM通常接入配电网高压侧实现无功的集中补偿，由于接入点电压等级较高，通常通过额外的耦合变压器接入或采用多电平结构。

采用耦合变压器方式会大大增加设备体积，增大运行损耗，其中变压器损耗达到系统损耗的40%以上[5]。采用模块化多电平技术可以解决接入点电压等级高的问题，但是需要大量H桥单元串联，增大了初始投资，经济性欠佳。因此，降低接入点电压有利于DSTATCOM在配电网中的推广应用。

为降低DSTATCOM接入电压，文献[6-9]将无源支路与DSTATCOM相结合构成混合型静止补偿系统，由无源支路承担主要的基波压降，减小有源部分承受的电压应力，降低综合成本，但是牺牲了动态无功补偿的范围。

为解决该问题，文献[10-12]将晶闸管控制的LC支路（Thysistor-Controlled LC, TCLC）与有源部分串联，扩大系统无功补偿范围，由于无功主要由TCLC提供，在无功波动较大的场合其动态性能仍有待提升。文献[13]提出一种将STATCOM接入变压器第三绕组实现对电网电能质量控制，但是该方案仅适用于具有第三绕组的变压器。

文献[14-16]将有源系统通过抽头接入多功能平衡变压器实现对铁路牵引供电系统的电能质量控制，能够有效降低有源部分接入点电压，但无法实现较大容量无功补偿而且并未考虑注入电流对变压器的影响。

考虑到配电变压器是配电网中关键节点，是电能供给与需求的交汇点，将STATCOM与配电变压器相结合构成集成化补偿系统，能够降低STATCOM的接入电压和综合成本，提升设备集成度[17]。结合配电网无功需求波动大、无功补偿装置优化配置困难以及配电变压器平均负载率较低的特点，提出一种配电变压器集成式级联STATCOM，将配电变压器作为配电网无功控制的节点，并将级联型STATCOM通过Dyn11配电变压器高压侧三角形绕组抽头接入，根据负荷无功补偿需求灵活选择接入点电压等级和补偿容量。

配电变压器集成式级联STATCOM方案实现配电变压器复用，与传统高压侧补偿相比，能够降低注入点电压，减少级联级数降低成本；与低压侧补偿相比，降低了电力电子器件电流应力，能够提升补偿容量。

图1  配电变压器集成式级联STATCOM拓扑结构

图6  控制系统框图

结论

针对传统高压直挂式STATCOM存在的电压应力较高、初始投资大等问题，本文提出一种配电变压器与级联型STATCOM集成化的动态无功补偿方案，将级联型STATCOM通过配电变压器高压侧三角形绕组的连接抽头接入。

分析补偿电流由抽头注入对高压侧各段绕组电流产生的影响，以配电变压器平均负载率作为约束，设计相应的级联型STATCOM注入电压等级、补偿容量，分析注入补偿电流幅值与变压器负载率及负载侧功率因数之间的定量约束关系。

考虑系统运行工作点变化频繁采用非线性无源控制策略，提升控制系统的鲁棒性。提出的配电变压器集成式级联STATCOM与传统的高压侧补偿相比，能够有效减少STATCOM级联级数，降低成本，提升经济性；与传统低压侧补偿相比，能够减小电力电子器件电流应力，提升补偿容量。