李壮

摘要：供电系统在我国现代经济发展过程中发挥着重要作用，据统计，国家电网每年因电压波动和闪变造成几千万的经济损失。因此，针对电压波动与闪变的检测，以及具体问题的处理需要强化，确保电网在运行期间的可靠性与安全性。

关键词：电压;波动和闪变分析;STATCOM

受端电网的电能往往由其外部远距离的发电厂通过高压输电线传输获取，并且对应着密集的工商业负荷，换流站、输电线路以及异步电动机、电弧炉、降温压缩电机等负荷的无功功率需求量巨大。在负荷侧安装一定数量和容量的静止同

步补偿器（staticsynchronouscompensator，STATCOM）做无功补偿，不仅能在电网稳定运行时维持电压稳定、提高供电质量、降低电能损耗，同时在发生较为严重的短路故障时，能提供良好的无功支撑，快速恢复电压至安全水平，避免超负荷。目前条件相对较好的广东电网，已经逐渐在负荷端如东莞、水乡配置了STATCOM。STATCOM的规划和控制也获得了越来越多的关注。

一、安装动态无功补偿装置对电网的作用

①抑制电压波动和闪变。高容量、大电流的设备负荷的急剧变化，会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。动态无功补偿装置能够快速地提供无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。②抑制三相不平衡，提高电能质量。配电网中存在着大量的三相不平衡负载，同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡，也会导致电压不平衡问题的产生。动态无功补偿装置能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，提高电能质量。③维持用户端电压，加强设备电压稳定性。对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃等事故。安装动态无功补偿装置后，具备了快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，使用电设备在额定电压下运行。

二、导致电压波动和闪变的原因

光伏电站的输出功率随天气的变化而变化，当输出功率突变时，会造成配电网线路电压波动和闪变;光伏电源在并入与退出配电网系统的瞬间，输出功率的突变也容易引发配电网系统的电压波动与闪变。其产生的影响大小与光伏电站的容量、并网位置密切相关。光伏电站并网后，线路电压有所提高。当并网容量超过线路最大负载或线路低谷负荷运行时，线路末端电压将超出规定范围，影响电网安全运行。在配电网中，电压随着负荷的变化而变化。而光伏电站并网后，负荷潮流方向也会不断变化，电压高低更加不易掌控和调整。当光伏电站容量小于并入点负荷时，线路输入端的负载率会下降，当容量大于并入点负荷时，将出现向电网送电的反向电流，导致线路负载率增大。另外，一般光伏电站都是通过逆变器并网，容易造成配电网线路三相电流不平衡，三相负荷调整不易掌控。

三、电压波动和闪变分析自适应控制措施研究

（一）采取灵活多样的调压方式。

光伏发电系统引入静止无功补偿设备、无功发生器等，补偿系统无功功率，提高系统功率因数和改善电压质量;选择有载调压变压器，安装自动调压监测系统，根据系统电压自动调节变压器变压比;调整光伏电源并网位置，尽量选择在线路末端、负荷集中的地点进行并网。并网前，要对配电网系统的电压进行跟踪检测，确保电源的相位、频率达到特定标准再进行并网。消除孤岛效应。①在光伏电站配置防孤岛保护。为防止电网受到冲击，应保证防孤岛保护在线路重合闸动作之前先动作，其动作时间一般应不大于2s。②对光伏电站增加低电压穿越保护。

（二）自适应PI控制器的应用

自适应PI控制器，在扰动存在的情况下，通过自适应调整PI参数，优化了系统响应性能。在反步法的基础上，通过自适应来解决鲁棒性问题，考虑鲁棒问题，但在检测方面，尤其是装置输出电流的检测，仍然采用硬件检测的方式，从目前文献上看，STATCOM很少采用无传感器技术，但在电力电子装置中已广泛采用无传感器技术。为了节约成本和解决鲁棒性问题，在液压系统中，给出扩展状态观测器和反步法结合的思路，扩展状态观测器不仅能够提供稳定的状态观测值而且能够实时提供未建模扰动估计值，但文中的扩展状态观测器设计是基于单输入-单输出系统，不适合本文的物理模型。因此，本文考虑高增益观测器和神经网络逼近能力相结合，来观测状态观测值和未建模扰动，并基于反步法提出了基于自适应观测器的链式STATCOM反步控制策略。链式STATCOM由两个子系统构成，第一个系统具有级联性质，通过反步法控制直流侧电压的稳定，第二个系统通过李雅普诺夫稳定性来控制装置无功电流的输出。装置输出无功电流的实时检测通过高增益观测器来估计，扰动量通过神经网络逼近来估计，同时通过高增益观测器的估计值来实现高增益观测器的线性化，并且满足了反步法所需要的级联性质，最后通过系统的稳定性分析来确定设计参数。针对受端电网STATCOM的布点和容量规划问题，采用了布点和容量统一规划的混合整数规划模型，并提出了一种针对混合整数规划的凸松弛算法。该方法首先关于整数变量整体凸化混合整数规划模型，然后对凸模型实施一种紧松弛，避免直接求解混合整数规划。

（三）电网电压跌落时CHB-STATCOM的限幅策略

电网电压跌落是电力系统中常见的故障之一，随着风电、光伏等新能源发电装置的大规模并网，越来越多的国家在相关并网导则中要求并网逆变器具备LVRT能力。大型新能源发电站往往配备STATCOM以補偿无功电流，在电网电压跌落时，还要求输出正负序无功电流提供电网支撑，以期提高新能源并网的LVRT能力。在进行LVRT时，STATCOM输出电流会出现不平衡现象，为了保证其安全工作，需要确保三相电流幅值均小于设备所允许的最大电流;此外，三相输出电压的基波幅值，也不能大于对应相的直流侧电压，以防止过调制的发生。不同于一般的电路，CHB-STATCOM还需注入额外的零序电压以实现相间电压均衡，从而影响输出电压的幅值，因此要根据不同的跌落深度，实时对变换器的功率基准进行限幅，以保证其安全工作。在此综合考虑CHB-STATCOM的电流应力以及零序电压注入对于三相输出电压的影响，根据电网电压的正负序分量实时计算出所能输出的最大输出功率，从而保证变换器不过流。最后，搭建20kVA的实验平台进行实验，验证该功率限幅策略的正确性。在此针对电网电压跌落时系统对于正负序无功电流的需求，首先了解一下不平衡电网下基于零序电压注入的相间直流侧电压均压方法，然后根据电网电压、变换器电流应力以及单相链直流侧电压基准，分别基于电流限幅和电压限幅计算出不平衡电网下变换器能安全工作的最大输出功率，保证三相均不发生过流以及过调制的现象。最后通过实验平台验证了此限幅策略的正确性。

（四）神经网络-滑模控制器设计

双闭环电流控制方法在STATCOM控制中的应用比较广泛，内外环控制结构是所选择的方法。外环指直流电压环，反馈PI控制是较常使用的方法，在对外环电压指令的自适应控制的实现过程中，文章所选择的方法为滑模控制。内环指的是无功电流环和有功电流环，有功电流控制的参考输入为直流电压外环。灯塔-坚基线系统电压波动和闪变的抑制在实际工程中应用的可行性问题进行分析期间，为构建起灯塔-坚基线系统电压波动和闪变抑制模型，需要在STATCOM基础上合理使用MATLAB软件，然后对神经网络-滑模控制与传统PID控制，在电网电能质量控制方面的性能进行优化。该模型是根据实际的工程线路原型进行设计与建模的。模型主要由220kV电源、220kV/110kV变压器、35km线路、STATCOM本体以及STATCOM控制器等模块组成。STATCOM是由GTO构造而成，容量为3Mvar，这样就可以对10千伏配电系统进行有效调节。配电系统的负载容量一个是3MVA，另一个是1MVA。电源母线电压恒定，STATCOM装置参数（标幺值）R、L、C、Vs、ω的值分别为0.1、0.15、0.8、1.0、314。在上述分析下，可以得知在维持直流侧电压恒定时，通过稳定运行下的STATCOM来进行调节。当电源产生电压之后，高于或者低于系统电压、STATCOM生成（或吸收）无功功率。电源电压大小、变压器漏电抗会对无功功率的数量产生影响。系统性能仿真的开展是建立在神经网络-滑模自适应控制基础之上的，进而实现对电流的有效控制。

四、结束语

非线性控制是STATCOM无功补偿系统的一个主要表现，且相比于传统的控制器效果更好。为确保系统控制性能，需要通过神经网络-滑模控制器的构建与应用达到效果。电压与电流环控制期间，可以合理应用滑模控制器。在对性能进行实验期间，是通过MATLAB仿真平台完成的，并在研究后可以得出，STATCOM无功补偿系统可以得到神经网络-滑模控制器的有效控制，为确保电网的稳定运行，提供优质电能，需要实现电网系统的可靠运行。

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