新型配电变压器一体化STATCOM技术研究

熊 卿 张 哲 尹项根 文明浩 刘 健 王存平

（1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074 2.华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室 武汉 430074）

1 引言

我国配电网无功需求波动大，网损严重，末端电能质量不高[1,2]。因此，采用具有快速无级调节性能的静止无功补偿技术（Static Var Compensation,STATCOM）对配电网的动态无功补偿、节点电压支撑以及系统稳定性改善等方面具有重要的作用[3,4]。

配电网静止无功补偿可采用在高压线路集中补偿和在低压用户端分散补偿两种方式。其中，集中补偿方式管理和维护方便，但连接电压较高、功率单元级联结构复杂，易受到电力电子器件和工程造价的限制[5,6]。而分散补偿方式投资少，较好地实现了负荷无功的就地平衡，是当前研究的热点之一。但该方式由于安装点分散、缺乏协调控制，因而整体的无功容量利用率低，不能综合配电网整体情况来调节无功潮流[7,8]，而且受到功率器件大电流情况下散热的制约，低压侧集中补偿时容量不宜过大。此外，配电网中广泛使用的配电变压器，也是无功消耗的主要对象之一。但无功分散补偿的原则一般是保证不向电源侧倒送无功，因此配电变的无功缺额仍需要由变电站来提供，造成大量无功沿线传输。目前，根据《箱式变电站技术条件》要求，在城市配电网广泛使用的智能箱式变电站中常需要在低压室并联分组投切电容器进行集中补偿，其补偿容量一般为变压器容量的10%～30%。但由于补偿电容无法动态跟踪变压器与负荷的无功变化，且受制于安装空间和环境温度，补偿电容的容量均不高，因此补偿效果较差。

针对上述问题，本文认为在配电网中，处于高低电压等级之间的配电变压器是较为理想、灵活和有效的无功补偿节点，且易于实现电能质量分区、分层控制。因此通过将配电变压器与电力电子静止无功补偿装置相集成，提出了一种一体化结构的配电变压器-静止无功补偿（DT-STATCOM）的新方案。相对于在高压线路集中补偿的方案，DT-STATCOM方案有效降低了电力电子器件的耐压要求，简化了补偿单元逆变桥的结构，降低了装置成本，提高了可靠性；相对于低压用户侧补偿集中补偿方式，DT-STATCOM又避免了采用大电流的电力电子器件，加快了器件的开关频率，降低了装置发热损耗，提高了整体的运行效率；同时，相对于用户就地分散补偿方式，DT-STATCOM方案具备一定的集中补偿性能，可更充分地利用补偿容量，且易于配电网的整体协调控制。本文介绍了DT-STATCOM系统的基本原理、构成方式以及所采用的跨端口无功电流检测方法，并通过仿真和样机实验验证了该补偿方案的可行性和准确性。

2 配电变压器一体化静止无功补偿技术原理

DT-STATCOM系统的整体结构如图1a所示，配电变压器通过高压绕组的连接抽头与静止无功补偿单元构成一体化结构。其中，配电变压器在设计制造时仅需要在高压侧绕组设置普通连接抽头，不存在技术难度，而且基本不增加任何成本；静止无功补偿单元则经过滤波环节后通过连接抽头与系统并联，通过变压器绕组的电磁联系实现无功功率补偿和电压质量控制。

图1 DT-STATCOM系统结构及无功补偿原理图Fig.1 The structure schematic of DT-STATCOM and the compensation diagram of integration transformer

通过这种一体化结构设计，不仅能够实现对配电变压器的负荷及变压器自身无功功率的动态集中补偿，而且无功补偿单元随变压器安装而具备一定的分散性，从而实现对关键变压器节点的无功补偿和电压支撑，达到配电网潮流分布的优化控制；同时，通过配电变压器高压绕组的连接抽头设计，可灵活、合理地选择静止补偿单元的接入电压，从而有利于在减少功率单元级联数量，降低功率器件的电流水平和发热损耗，提高功率器件的开关频率等方面实现技术经济指标的优化。此外，上述的一体化结构可以通过充分利用配电变压器富余容量传递补偿功率，使装置整体结构紧凑、成本下降、效率提高。

然而，通过变压器连接抽头向系统注入补偿功率，改变了配电变压器原有的功率分布，因此需要根据配电变压器的容量和负载率水平控制静止补偿单元的输出，在充分利用变压器富余容量的同时保证绕组不出现过载。

为了表述方便，现以星形联结变压器抽头为例，说明配电变压器带抽头高压绕组上的功率分布。绕组的结构如图1b所示，设置连接抽头后配电变形成了类似三绕组自耦变压器的结构，连接抽头将高压绕组分为“串联绕组”和“公共绕组”两个部分。依据自耦变压器的功率传变规律，公共绕组和串联绕组的通过容量相等。因此，补偿时只要公共绕组传递的功率不超过原绕组的额定容量，则可以保证变压器不会过载。

设每相绕组的额定电流为IpN，则可得三相公共绕组的额定容量为

当变压器平均负载率为β，则在此运行状态下，变压器公共绕组传递的视在功率SQP为

由式（2）和式（3）可得公共绕组富余的视在功率SQS为

考虑极端情况，系统只向负载提供有功功率，补偿单元则利用全部富余容量传输无功功率，则此时DT-STATCOM所补偿的无功容量标幺值为

随β和k12的变化规律如图2a所示。由图2a可见，随着变压器负载率和自耦绕组电压比设置不同，DT-STATCOM可以补偿的无功功率有着较大的变化范围，补偿容量标幺值均在10%以上，满足箱式变电站无功补偿的技术标准。需要指出的是，上述分析均是假设不同负载率下变压器所传变的功率全为纯有功功率。而实际上，变压器传输的功率中也包含大量的无功功率，当这部分无功由DTSTATCOM系统补偿之后，变压器仍有较大的富余容量空间，因此DT-STATCOM实际允许提供的无功补偿容量一般要优于上述的分析结果。

图2 DT-STATCOM补偿容量与负载无功需求容量关系图Fig.2 The relationship diagram of DT-STATCOM compensation capacity and load requirement

对于配电网中负载的无功补偿而言，一般要求负载对电网的功率因数至少要达到0.9。设负载原功率因数为cosφ，则补偿至0.9时所需的无功功率标幺值为

因此，DT-STATCOM系统通过变压器富余容量提供无功补偿，完全可以满足一般箱式变电站负载无功的需求。

3 DT-STATCOM一体化结构

实际中广泛应用的配电变压器一般采用Dyn联结形式，即高压绕组采用三角形联结，该联结形式由于不存在物理上的中性点，无法直接获取任意的抽头电压。因此，DT-STATCOM一体化结构采用如图3所示的设计方式。该一体化结构是在三角形绕组的每个端点两侧各设置一个连接抽头，如图3a中端点A两侧设置连接抽头B1和C1，由A-B1-C1构成三相连接抽头接入静止补偿装置。由于三角形联结绕组具有三个端点，为了保证对称运行，需要引出3组（A-B1-C1、A2-B-C2、A3-B3-C）共9个抽头，三组连接抽头分别与三台静止无功补偿单元连接。

图3 Dyn高压绕组多组抽头一体化结构及相量示意图Fig.3 The multi-taps integration and phase diagram of Dyn vector group

上述结构设计有效降低了绕组抽头电压，而且使绕组抽头的线电压具有较大的选择范围，有效降低了对无功补偿单元功率器件的耐压要求，从而能够根据大规模工业应用的器件耐压水平和所需补偿无功容量灵活配置抽头电压。

多组抽头结构的电压的相量如图3b所示，以A-B1-C1抽头为例，A-B1-C1三相线电压平衡，静止无功补偿单元装置采用三相三线制接线方式，取用抽头线电压为接入电压。由相量图可见，随着连接抽头设置的不同，B1点可以在相量AB上变动，连接抽头的电压变化范围理论上可达0～UAB。但实际上，当抽头位置变动到绕组中部时，即抽头电压为UAB/2时，则只需要一组三相抽头连接一个静止无功补偿单元。此时DT-STATCOM结构形式更为简单，但其连接抽头线电压在UAB/2以上。当功率器件耐压满足要求时，可以考虑优先采用。

4 DT-STATCOM跨端口指令电流检测方法

在DT-STATCOM系统的一体化结构中，其控制系统可以检测包括变压器高、低压侧以及连接抽头侧在内的多侧信息，这也使得补偿功率注入点和测量点分别位于不同电压位置，二者之间间隔了配电变压器的高、低压绕组。因此，测量点检测所获得的高、低电压侧的电压和电流信息，与连接抽头接入点的电压和电流之间存在着相位和幅值的差别。检测所获得电气量信息无法直接用于对静止补偿单元的反馈控制[10,11]。本文扩展了基于瞬时功率理论的电流检测方法，分别采用各自端口的电压信息进行同步坐标变换，实现无功功率（电流）的跨端口检测。该方法能够应用于各种检测点和补偿点位于不同电压等级的情况。

跨端口指令电流检测法的过程如图4所示，该检测方法中分别采集配电变压器的负载侧端口和连接抽头侧端口的电压进入锁相环，如图中两个点画线框所示，利用各端口角频率和相位信息生成瞬时有功及无功电流的变换与反变换矩阵，从而实现无功电流由负载侧端口到连接抽头侧端口的变换。

图4 跨端口指令电流检测法示意图Fig.4 The reactive current detection across the transformer’s ports

图4 中检测方法所获得的为基波电流瞬时值，断开其中的有功电流ip通道，可获得无功电流瞬时值，跟踪该瞬时值电流即实现无功跟踪补偿。

图4中B′

C为负载侧B端口的坐标变换矩阵，为抽头侧A端口的坐标反变换矩阵。设负载侧端口B的电压初相位为φB，连接抽头端口侧的电压初相位为φA。在变换过程中分别以上标A和B区分不同端口的变量。则当电网电压无畸变时，两相坐标系下B侧电流瞬时值为

煤矿安全生产过程中煤矿地质测量指的是对矿区的地形情况以及矿区地面的控制网进行分析和测绘，测量煤矿施工过程中相关地形地质状况，获取煤矿施工过程中矿区的地标移动和升降情况，保证煤矿安全生产过程中煤矿地质测量工作有效完成。以下是我国煤矿的主要分布图。

计算该侧有功电流和无功电流瞬时值过程如下：

式中，n=3k±1；为B侧n次电流初相位。

经过低通滤波器（LPF），得到上述瞬时电流直流分量，该直流量对应基波电流分量。

根据连接抽头端口A侧的频率和相位信息，反变换式（9）的直流分量，得到变换到连接抽头侧的负载基波电流分量为

式中，φA-φB为A、B两侧电流相量的夹角；为B侧基波电流初相位。因此即为B侧电流变换到A侧后的基波电流相位。然而，在上述变换过程中，负载端口B侧电流的幅值并没有变化，因此需要增加一个比例环节，引入变压器绕组间的电压比k，易知

由上述过程可见，基于瞬时功率理论的跨端口电流检测方法直接计算负载的有功及无功电流瞬时值，但是变换过程不能保证功率守恒，即没有自动实现电流的幅值变换，需要额外增加一个比例环节，而且此比例环节需要根据两端口之间的绕组电压比关系调整。

上述检测过程都是在电网电压平衡无畸变的条件下讨论的，在实际配电网中，三相电压普遍存在着不平衡和畸变现象。因此，在上述的两次同步坐标变换和反变换过程之前，可以采用不对称及畸变电压条件下的改进计算方法[12,13]，避免将不对称及畸变影响引入到检测过程中。

5 DT-STATCOM控制系统

DT-STATCOM控制系统结构如图5所示，图5中变压器状态检测环节通过高低压侧信息检测变压器的负载率水平，并计算获得此时的补偿无功总量限值。同时，端口电压支撑环节根据高压侧电压水平计算支撑电压所需要的无功补偿量，在无功电流检测环节中，补偿无功调节模块综合负载无功需求和上述两个补偿量指标，生成实际的补偿量q′。结合直流电容电压调节环节计算的有功功率p，获得补偿电流指令值iac,bc,cc，进入跟踪控制环节实现PI跟踪控制，然后由脉冲调制环节产生触发脉冲驱动静止补偿模块。

图5 DT-STATCOM控制系统框图Fig.5 The schematic diagram of DT-STATCOM control system

6 仿真及实验

6.1 仿真分析

为了验证上述DT-STATCOM系统的可行性，构建了仿真模型，仿真条件为：系统电源10kV；输电线路60km（电阻0.013Ωs/km，电感0.933mH/km，电容12.74nF/km）；配电变压器电压比10/0.4kV，容量1MVA；连接抽头电压2kV；滤波电感3.5mH；直流电容8 600μF；负载有功负荷650kW，无功负荷750kvar；电流跟踪控制参数Kp_ac为0.02，KI_ac为0.02；直流电压控制参数Kp_dc为0.02，KI_dc为0.02。

由图6b可见，补偿前变压器功率因数为0.65左右，补偿后将功率因数提高到接近于1。图6a为单相电压电流波形，补偿之后变压器高压侧电流的幅值降低、相位与电压趋于一致。

图6 DT-STATCOM无功补偿仿真结果Fig.6 The simulation results of DT-STATCOM var compensation

图7为无功负荷大幅波动时DT-STATCOM系统输出的动态跟踪情况。图中实线为三组无功补偿单元输出的总无功功率，虚线为总有功功率，仿真模型在0.2s时刻由760kvar感性无功切换到容性无功。补偿单元输出无功约在一个周波时间内迅速跟踪负载无功功率的变化；有功功率基本保持不变。

图7 无功负荷由感性切换到容性过程中DT-STATCOM的动态响应过程Fig.7 The compensation response for a step change from inductive to capacitive load

图8 为DT-STATCOM补偿不对称负载引起的三相不平衡情况。仿真模型在0.1s时投入DTSTATCOM，变压器输入端口的电流在两周波之内逐渐达到平衡。

图8 DT-STATCOM补偿三相不平衡电流波形Fig.8 The compensation response for three phase imbalance

6.2 样机实验

基于上述研究，构建了实验样机以验证DTSTATCOM系统的补偿效果。样机采用的试验变压器容量50kVA，电压比800/380V，抽头电压338V；静止补偿单元采用International Rectifier公司IRGP50B60PDPBF型IGBT。

通过样机平台，本文对DT-STATCOM的无功功率及不对称补偿进行了实验验证。图9为实验样机补偿无功功率的实验波形。三相有功负荷为3.79kW，无功功率为9.34kvar。补偿前，功率因数为0.376，电压和电流波形如图9a所示。投入DT-STATCOM之后，功率因数提高到0.98，电压和电流波形相位基本一致，如图9b所示。

图9 DT-STATCOM无功补偿电压、电流和功率因数波形Fig.9 The waveforms of DT-STATCOM var compensation

图10 为实验样机补偿三相不平衡的波形。不平衡RCL负载分别为1.24kW、3.74kW、3.74kW，其三相电流不平衡度为27.59%，其波形如图10a所示。投入DT-STATCOM之后，三相电流波形如图10b所示，电源侧三相电流不平衡度为1.44%，实现了三相不平衡的补偿。

图10 DT-STATCOM补偿三相不平衡波形Fig.10 The waveforms of three phase imbalance compensation

7 结论

本文提出了一种基于配电变压器一体化结构的静止无功补偿技术（DT-STATCOM），通过在配电变压器高压侧绕组设置连接抽头，形成静止无功补偿装置与配电变压器的一体化结构，充分利用变压器的富余容量补偿无功。该技术可实现对配电变压器自身及负荷无功消耗的动态补偿；扩展了静止补偿单元接入电压的选择范围；利用现有配电变压器接入静止补偿单元，降低了装置的体积和成本。根据DT-STATCOM的特殊结构，本文提出了跨端口指令电流检测方法，可以实现检测点与补偿点分别位于不同电压等级时的无功补偿指令电流实时检测。仿真和样机实验结果表明，本文所述的DTSTATCOM系统可有效实现对配电变压器节点的动态无功补偿和不平衡的抑制。

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