静止同步补偿器的潮流控制性能分析

汪清涓，黄怿浩

（1.广西电网公司钦州供电局，广西 钦州 535000；2.国投钦州发电有限公司，广西 钦州 535008）

1 前言

柔性交流输电系统（flexible AC transmission system，FACTS）因其灵活、稳定、高效的特性得到了广泛的研究和迅速的推广应用。静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）是 FACTS 的核心控制器之一，属于基于变换器型FACTS控制器，控制器可以采用电压型变换器（voltage sourced converter，VSC），也可采用（current sourced converter，CSC）。

STATCOM可向系统注入或从系统吸收无功和/或有功功率，进而可以控制电力系统的无功功率和/或有功功率的平衡。因而，STATCOM可改变电网的阻抗特性，提高电力系统的静态稳定性，改善电力系统的动态特性，维持或控制节点电压，通过潮流变化阻尼系统振荡。

2 STATCOM的基本原理

2.1 理想状态下STATCOM的工作原理

实用的大容量STATCOM基本上都采用电压型变换器（voltage sourced converter，VSC），STATCOM 的主电路包括作为储能元件的电容和基于电力电子器件的VSC，变换器通过连接电抗（或变压器）接入系统。

图1 STATCOM接入系统的简化电路

理想情况下（忽略线路阻抗和 STATCOM的损耗），如图1所示，可将STATCOM的输出等效成“可控”电压源，系统视为理想电压源，两者相位一致，当UI＞US时，从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90°，STATCOM工作于“容性”区，输出感性无功；反之，当UI＜US时，从系统流向STATCOM的电流相位滞后系统90°，STATCOM工作于“感性”区，吸收感性无功；当UI=US时，系统与STATCOM之间的电流为0，不交换无功功率。由此可见，STATCOM输出无功功率的极性和大小决定于UI和US的大小，通过控制UI的大小就可以连续调节STATCOM发出或吸收无功的多少。

2.2 STATCOM的稳态数学模型

由于STATCOM采用了电压型桥式电路，因此必须通过连接电抗器或变压器并入系统，连接电抗器的作用是将变换器与交流母线这两个电压不等的电源连接，另一作用是抑制电流中的高次谐波，用x等值变压器漏抗或连接电抗，r等值铜耗和STATCOM引起的有功损耗，则变换器从系统吸收的有功功率为

式中:US—系统电压，作为参考相量；UI—变换器输出电压；δ—UI滞后US的角度。

STATCOM送入系统的无功功率为

稳态情况下，变换器既不吸收也不发出有功功率，在式（1）中令P=0可得

将式（3）代入式（2）可得

由式（4）可见，调整相位角δ可改变STATCOM向系统输入的无功功率，STATCOM的稳态运行相量图如图2所示。δ的变化范围很小，当STATCOM从系统吸收无功功率时，滞后的角度为 δ，由图 2（b）可见δ总小于α，而等值电阻r的值相对于等值电抗x的值来说很小，因此α的值很小。当STATCOM向系统注入无功功率时，超前的角度为 δ，由于电阻r的值不大，因此δ的值受补偿电流最大值的约束不大。近似分析时直接忽略电阻r，则在式（1）和式（2）中令α和δ为零，可得

图2 STATCOM稳态运行相量图

由式（5）可见，UI大于US则STATCOM向系统注入无功功率，反之则吸收无功功率。

在潮流计算中，可将STATCOM视为一个并联在节点上的电容或电抗，向系统注入或从系统吸收无功功率。因此，可将装有STATCOM的节点作为PV节点，其控制目标是支撑该节点的电压幅值为US。而维持US所需的该节点注入无功功率Qin与节点电压的相位δ可由STATCOM安装前的潮流计算得出。

3 STATCOM的潮流控制性能分析

以五节点系统为例，在此系统中，节点1的无功损耗较重，电压偏低，因此将STATCOM安装于节点1处。如图3所示，STATCOM并联于节点1。

图3 安装STATCOM的5节点系统

对STATCOM安装前后的5节点系统进行仿真，将数据对比如表1和表2所示。

表1 STATCOM安装前后的电源出力比较（P，Q—标么值）

表2 STATCOM安装前后的节点电压比较（U—标么值）

由表1可见，在节点1处安装STATSCOM后，电源G4、G5的无功出力有所降低。STATSCOM向系统注入无功功率，减少了电源的无功出力。而由表2可见，节点1的电压由 0.86升至 0.99，接近于1.00，STATSCOM起到了补偿无功，支撑该节点电压的作用。

以14节点系统为例，选择在远离电源的节点14处安装STATCOM。由表3可见，安装STATCOM后，电源G6、电源G8的无功出力有所减少。STATCOM向系统注入无功功率，补偿系统无功损耗，保持节点电压在合理范围内。

表3 STATCOM安装前后的电源无功出力比较（Q—标么值）

4 小结

本文介绍了STATCOM的基本原理，并通过对其稳态数学模型的阐述详细分析了STATCOM的工作原理。以安装STATCOM的5节点系统与14节点系统为例，直观地展示了STATCOM的潮流控制性能，在电力系统中安装STATCOM是一种灵活、有效的潮流控制手段。

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