PDF《适用于配网冲击性负荷补偿的链式 D STATCOM》

宋强(1975 ), 男, 博士, 研究方向为电力电子技术.

0 引言随着国民经济的发展, 电网负荷也急剧增加, 特 别是冲击性、 非线性负荷容量的不断增加可能引起 供电系统的电压波动和谐波等一系列电能质量问 题, 对其他电气设备的正常运行造成危害 [

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2 ] .安 装补偿设备是最为常用的解决手段.目前常用的固 定电容器组能够在静态情况下校正负荷功率因数, 且技术简单, 造价较低.然而, 其仅能输出固定容量 无功, 无法根据负荷的需求平滑调节无功输出, 不能 解决动态问题.随着电力电子器件和控制技术的发 展, 各种基于开关器件的补偿设备发展很快.目前 来看, SVC ( static var compensator) 已成为一项成熟 并得到广泛应用的技术, 对解决动态负荷引起的电 能质量问题起到了积极作用 [

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4 ] .然而, SVC 本质 上仍属于阻抗型补偿设备, 不仅占地面积较大, 本身 还会造成谐波污染, 而且由于响应速度问题, 对电压 波动和闪变的治理效果较为有限, 同时其性能也易 受系统参数变化的影响.伴随着技术的发展, 采用 电力电子全控型开关器件的有源型补偿装置 ( d istri bution static synchronous compensator , D STATCOM ) 逐渐成为冲击性负荷补偿研究与应用的热点, 在国 外也陆续出现了示范应用工程.国内此类装置的研 究起步较晚, 目前在控制算法和拓扑结构上的研究 较为深入, 但大多还处于仿真研究或是实验室小容 量样机试制阶段, 缺乏大容量并联型有源补偿装置 的实际设计应用经验 [

5 - 7] .本文结合江西省配网 D STATCOM 的应用实例, 探讨分析了装置的结构 设计、 参数配置和控制策略等实际应用中存在的主 要问题, 可为应对配网中冲击性负荷接入所带来的 电能质量问题提供有针对性的解决思路.

1 冲击性负荷补偿的需求分析与负荷 建模仿真 110kV 樟树变电站是樟树市区主要的供电点, 当地一钢厂接入其 10kV 母线.钢厂采用交流电弧 炉炼钢, 作为典型的冲击性负荷, 电弧炉工作时产生 明显的无功冲击, 负荷电流畸变也十分严重, 随之带 来的闪变及谐波等电能质量问题对当地配网用户的 正常用电造成了较大的影响, 需要进行有针对性的 治理. 与其他电气设备相比, 电弧炉负荷具有无功变 化快速剧烈、 动态特性强、 负荷冲击特性显著的特 点.其补偿装置的基本要求需包括以下 3个方面: 1)解决负荷冲击, 能够适应负荷电流的突增, 快速补偿负荷动态无功需求, 抑制电压波动和闪变, 提高功率因数;

2)减小或滤除负荷谐波电流;

3)补偿交流电弧炉负荷不平衡. 值得一提的是电弧炉的负荷冲击、 谐波以及不 平衡是动态变化的, 且非常剧烈.因此对类似电弧 炉这类冲击性负荷的补偿, 装置的响应速度是至关 重要的. 110kV 樟树变电站的电能质量现场测试表明, 不平衡与谐波并不十分突出, 电压波动与闪变是主 要需要解决的问题.依据日本电热委员会实测的闪 变补偿效果与补偿容量和响应时间的曲线, 在无功 容量足够的情况下, 补偿装置输出无功的响应时间 是闪变补偿效果的决定性因素.考虑到 SVC 的响 应速度不及 D STATCOM, 同时现场面积有限, 无法 安装大型装置, 因此采用基于 D STATCOM 的有源 补偿装置实施补偿更为合适. 对配电系统负荷进行针对性补偿以调控电能质 量, 首先要对补偿对象有足够的认识, 因此, 冲击性 负荷模型是一直是研究者关心的问题, 尤其是作为 典型冲击性负荷的电弧炉负荷模型.然而, 对于一 个给定的配电系统, 由于电弧炉运行的复杂性和随 机性, 难以对负荷模型、 补偿设备、 控制策略和补偿 效果进行有效的模拟和评估.常用的方法是利用不 对称连接的电阻、 电抗器, 或是晶闸管整流器等来模 拟非线性不平衡负荷, 以检验装置基本的补偿能力 和性能.这样模拟的负荷过于简单, 难以反映电弧 炉的动态特性和冲击特性, 不能对补偿装置的性能 进行有效的验证.事实上, 针对配网电能质量的调 控, 电弧炉自身模型并不是最重要的, 反而是其对供 电系统所表现出来的电气特性更为关键.电弧炉等 冲击性负荷对系统的外部总体特性可近似为一个电 流源, 为此采用基于现场录波数据和供配电系统参 数的仿真建模方法进行仿真研究.其模型建立具有 以下 3点原则与特点: 1)由于相对炉料熔化后的工况, 炉料熔化期电 弧炉产生的负荷电流动态变化剧烈, 引起的电能质 量问题最为严重, 因此电弧炉电流录波数据选自炉 料熔化期, 波形体现断弧续燃带来的突变、 谐波以及 不平衡.相当于使用电弧炉最恶劣的工况对控制器 的补偿性能进行测试, 使测试的结果更可靠. 2)把测量得到的电弧炉负荷电流数据作为激 励源, 构造电弧炉电流源模型, 电流为实测波形, 再 现电弧炉运行工况, 以有效模拟电流突增、 不平衡以 及谐波等;