信 珂 周志勇 李 旷

（1.山东电力工程咨询院，济南 250013；2.荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051）

“十二五”期间，伴随复杂电网负荷的迅猛增长，电力系统的安全可靠供电受到了极大的考验。

充足的系统无功功率是电网电压稳定的有效保障。目前电网中变电站多采用并联电容器组进行无功补偿，该方式主要存在以下问题：容量固定，按照季度电压曲线调控时易出现系统无功不足的情况；电容器调节母线电压阶梯式变化，电压波动较大，不能实现连续调节且响应慢；目前并联电容器的自动投切主要通过VQC、综自软VQC、AVC并调节主变分接头的方式实现，此点与变压器重载运行的要求相悖，因而运行效果不理想。

为解决上述问题，需要利用DSTATCOM（Distributed Static Synchronous Compensator，配电网静止同步补偿装置）自发动态感性、容性无功的特性，并通过其对系统中原有的并联电容器组的自动投切控制，实现无功容量的柔性输出，满足系统电压的精确控制。本文结合电网的应用实例，提出了一种DSTATCOM的综合控制方法，解决DSTATCOM与投切电容器的配合使用问题，并详细分析了项目投运后的经济效益。

1 项目情况简介

下面以电网一个220kV变电站供电情况举例。3台180MVA变压器并列运行， 10kV母线原有4组并联电容器组，单组补偿容量均为8016kvar，但只能实现分级补偿，不能根据母线实际需要补偿容量进行准确动态补偿。

通过对变电站供电情况的研究，考虑采用DSTATCOM 控制投切并联电容器组的动态无功补偿方案。

由于单组并联电容器容量约为 8Mvar，因而设计 DSTATCOM 容量亦为 8Mvar。系统无功补偿范围是+8Mvar（感性）～-40Mvar（容性）。DSTATCOM与并联电容器组的配合工作方式如表1所示。

表1 无功补偿装置配合工作方式

出于成本考虑，选择小容量DSTATCOM（例如4Mvar）时，虽然同样可以实现动态连续补偿，但加并联电容器组总无功补偿容量只有36Mvar，如果有一组电容器出现故障时，可能会出现补偿容量不足的情况；另一方面，采用4Mvar容量，电容器组的投切要比采用8Mvar方案更频繁一些，对电容器组开关的要求更高，也不利于系统稳定。

此外，DSTATCOM 采用 8Mvar容量配置，虽然一次投资相对较多，但由于无功储备量足，系统电压应变能力更强，且有足够的容量进行滤波。另一方面，由于电压等级相同，每相功率单元串连数一样，小容量 DSTATCOM 占地方面不具优势。因此，综合以上几方面的考虑，最终确定DSTATCOM的容量为8Mvar。

2 DSTATCOM的综合控制策略

DSTATCOM 控制策略的研究主要包含两个方面：一是针对变电站电网的实际情况，研究DSTATCOM的电网控制策略；二是针对变电站电网的实际情况，确定 DSTATCOM 配合自动投切电容器组动作的联合控制策略。

2.1 DSTATCOM的电网控制策略

由于该地区钢铁、冶炼型企业众多，冲击性负荷严重影响了 110kV侧母线电压的稳定，因此DSTATCOM接入的主要目标是稳定 110kV侧的母线电压。

1）主控制策略——电压控制

在电压控制模式下，DSTATCOM以维持装置端口电压为控制目标，同时在动态过程中提高系统暂稳极限、静稳极限及增强系统阻尼。该方法主要通过电压调节器实现控制功能。将端口电压采样值与参考值相比较，通过电流闭环控制，发出（吸收）系统所需的无功电流值。当系统电压较高时，装置输出感性无功；当电压较低时，输出容性无功，维持系统电压稳定。控制中使用逆系统PI控制方法，有效提高了装置的响应速度。

2）辅助控制策略——无功储备控制

为了提高系统的稳定性，在电压在允许范围时可以将 DSTATCOM一部分无功进行储备。当系统发生扰动（或发生故障）导致系统电压极低时，DSTATCOM 迅速释放储备的无功，以支撑系统电压。由于无功储备的过程时间几十秒或数 min，所以它不会影响主控制，只是作为主控制的一个辅助控制。

2.2 DSTATCOM的联合控制策略

1）总体控制策略描述

该地区电压波动较为频繁，且 DSTATCOM容量相对于110kV侧短路容量较小，需配合站内4组电容器使用。因此，正常运行时，DSTATCOM以电压控制为主，控制目标为110kV侧母线电压，无功储备控制可退出。当系统出现扰动时，DSTATCOM迅速响应，快速稳定系统电压。DSTATCOM的控制模式可分为平峰运行模式和高峰运行模式两种。

（1）平峰运行模式

在平峰运行模式下，母线电压的参考值设为110kV。初始运行时，DSTATCOM投入，电容器全部退出。定电压、过电压、低电压、二次侧过电压、过流控制全部起动。

当 DSTATCOM检测到输出达到＋8Mvar时，母线电压低于110kV，并持续超过1min，同时10kV母线电压低于 10.9kV，则低电压控制动作，DSTATCOM判断4组并联电容器开关的位置。如此时电容器支路开关均为断开，则投入一组电容器，经过5min后，如电压仍低于110kV，且10kV母线电压低于10.9kV，则继续投入一组电容器，依此类推，直到所有并联电容器均投入运行为止。电容器组的投入顺序为12%一组，12%一组，6%一组，6%一组。

反之，当检测到DSTATCOM输出达到－8Mvar时，同时母线电压高于116kV，并持续超过1min，则高电压控制动作，DSTATCOM判断4组并联电容器开关的位置。如此时有并联电容器支路投入，则向该组电容器发出跳闸命令。如果发出第一组跳闸命令3min后，110kV母线电压仍高于116kV，则发出第二组电容器跳闸命令，依此类推，直到所有并联电容器均退出运行为止。电容器组的退出顺序为6%一组，6%一组，12%一组，12%一组。

同时，若发现10kV母线电压高于10.9kV，二次侧过电压控制起动，所有电容器的投入命令均停止。则二次侧过电压控制的具体工作逻辑是，当母线电压持续高于10.9kV时，而且此时DSTATCOM输出已达最大感性电流，则控制器判断各并联电容器的断路器开关状态，如果此时有投入的并联电容器，则向该组电容器发出跳闸命令。如果发出第一组跳闸命令后5min后，二次侧电压仍高于10.9kV，则发出第二组电容器跳闸命令，依此类推，直到所有并联电容器均退出运行。电容器组的退出顺序为6%一组，6%一组，12%一组，12%一组。

（2）高峰运行模式

在高峰时，为了最大程度的保障负荷的安全稳定运行，同时降低电网运行损耗，母线电压的设定值定为115kV。初始运行时，DSTATCOM投入，并联电容器组全部退出运行。定电压控制起动，过电压控制起动，低电压控制起动，二次侧过电压控制起动，DSTATCOM过流控制起动。

若检测到DSTATCOM输出达到＋8Mvar，同时母线电压低于115kV，并持续超过1min，同时10kV母线电压低于 10.9kV，则低电压控制动作，DSTATCOM判断4组并联电容器开关的位置。若此时所有电容器支路开关均为断开，则投入一组电容器，经过5min后，如电压仍低于115kV，且10kV母线电压低于10.9kV，则继续投入一组电容器。依此类推，直到所有并联电容器均投入运行为止。电容器组的投入顺序为12%一组，12%一组，6%一组，6%一组。

反之，若检测到 DSTATCOM 输出达到－8Mvar，同时母线电压高于115kV，并持续超过30s，则高电压控制动作，DSTATCOM判断4组并联电容器开关的位置。如此时有并联电容器支路投入，则向该组电容器发出跳闸命令。如果发出第一组跳闸命令后3min后，110kV母线电压仍高于115kV，则发出第二组电容器跳闸命令。依此类推，直到所有并联电容器均退出运行为止。电容器组的退出顺序为6%一组，6%一组，12%一组，12%一组。

同时，若发现10kV母线电压高于10.9kV，二次侧过电压控制起动，所有电容器的投入命令均停止。二次侧过电压控制的具体工作逻辑是，当母线电压持续高于10.9kV，而且此时DSTATCOM输出已达最大感性电流，则控制器判断各并联电容器的断路器开关状态，若此时有投入的并联电容器，则向该组电容器发出跳闸命令，如果发出第一组跳闸命令后 5min后，二次侧电压仍高于 10.9kV，则发出第二组电容器跳闸命令。依此类推，直到所有并联电容器均退出运行为止。电容器组的退出顺序为6%一组，6%一组，12%一组，12%一组。

（3）运行模式切换

DSTATCOM 平峰运行模式和高峰运行模式的切换可以为自动切换也可为人工切换。

自动切换。根据从该变电站的运行数据，上午7点～9点和19点～21点为高峰运行，控制器在这两个时段自动转入高峰模式运行，其他时段转入平峰模式运行。

人工切换。即运行人员可根据实际需要对DSTATCOM 控制器控制面板上的控制模式进行选择。

2）并联电容器组投切

正常运行时，即电容器组及对应开关均正常工作，电容器组的投切顺序如下：

电容器组的投入顺序为 12%一组，12%一组，6%一组，6%一组。即投入时，必须先投 12%的电容器组，再投 6%的电容器组。如果检测到此时有且仅有一组 12%的电容器组在线，则再投时仍投12%的电容器组。如果检测到两组 12%的电容器组在线，则继续投入时，投入6%电容器组。

电容器组的退出顺序为6%一组，6%一组，12%一组，12%一组。即退出时，必须先退6%的电容器组，再退12%的电容器组。如果检测到此时只有两组12%的电容器组在线，则退出一组12%的电容器组。如果检测到此时有且仅有一组12%的电容器组在线，则继续退出时，退出该组12%电容器组。

在投入的过程中，如果断路器返回的开关状态与控制逻辑不符合，或电容器工作状态异常，则控制器认为该支路出现故障，控制器发出报警信号，同时将该组电容器的控制从控制器的投入控制逻辑中移除。

在退出的过程中，如果断路器返回的开关状态与控制逻辑不符合，或电容器工作状态异常，则控制器认为该支路出现故障，控制器发出报警信号，同时将该组电容器的控制从控制器的退出控制逻辑中移除。

电容器组在接到一个退出控制逻辑命令后，12h内不再向该电容器组发出投入命令。

3 经济效益分析

根据《企业供配电系统节能监测方法》等国家规定，采用无功经济当量来衡量无功补偿装置的节能效益。在系统中每投入 1kvar的无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为 0.02～0.04kW，在二级变压供电时节约有功功率为 0.05～0.07kW，在三级变压供电时节约有功功率为0.08～0.09kW。

静态无功补偿装置基波总补偿容量为 8Mvar，年平均工作容量按80%计算，按每月有效供电30 天计算，单位无功量节约有功功率取最小值0.05kW，则系统年节约有功功率为

静态无功补偿装置自身的损耗为其工作容量的0.5%～0.8%，静态无功补偿装置基波总补偿容量为8 Mvar，年平均工作容量按80%计算，按每月有效供电30天计算，静态无功补偿装置自身的损耗取最大值为0.8%，则静态无功补偿装置年损耗有功功率为

电费按0.5元/kW·h计算，则本套静态无功补偿设备年节约电费为

根据以上的计算结果，最多两年可回收本套设备的投资成本。

4 结论

DSTATCOM 作为改善电能质量的一项关键先进技术，在日本、美国、德国等发达国家已经得到高度重视和日益广泛的应用，在国内冶金、煤矿、风电、光伏等行业也正在大批量的投入使用。该设备自身不受制于电网电压的补偿特性，更适合应用于电网的变电站中。本文提出了一种可配合无源补偿装置使用的DSTATCOM 综合控制方法，并成功应用于电网某变电站无功补偿装置中。DSTATCOM 在电网变电站中的应用，可大大降低电网损耗，加快传统变电站的智能化改造进程，对未来智能电网的建设具有重要意义。

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