CN102185321B - 配电变压器一体化静止补偿器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种配电变压器一体化静止补偿器，包括配电变压器、静止补偿模块和控制平台，在配电变压器高压侧的各相绕组上设置连接抽头，连接抽头连接静止补偿模块的交流输出侧，控制平台控制静止补偿模块通过连接抽头注入无功功率实现补偿。本发明通过在关键节点的集中补偿，提高了现有配电网静止补偿器的容量、改善补偿输出波形质量。

Description

配电变压器一体化静止补偿器
技术领域
本发明涉及电力系统领域，具体涉及配电系统中的静止补偿器。
背景技术
静止无功补偿器(以下简称STATCOM)是电力系统电能质量控制的主要设备之一，在电力系统动态无功补偿、负载谐波抑制、节点电压支撑以及改善系统稳定性等各方面发挥了重要作用。应用于配电网中的静止无功补偿器(以下简称D-STATCOM)通常安装于低功率因数负荷附近，实现就地补偿，具有投资少、补偿效果好、使用灵活方便等优点。然而D-STATCOM也存在着以下有待改进的问题：
1D-STATCOM补偿装置接入配电网电压等级较低，其补偿容量受到的电力电子器件通流能力的限制，在负荷较重的时候会出现补偿不足的情况；
2采用较大电流的电力电子器件，其开关频率较低，输出补偿电流波形质量降低；
3补偿装置安装分散，缺少统一协调的管理，总体无功补偿容量的利用率不高；
4安装于配电网末端，无法主动参与配电网整体的电能质量控制；
5需要通过耦合变压器或较大连接电感接入电网，增加装置体积和成本。
发明内容
本发明提出一种配电变压器一体化静止补偿器，通过在关键节点的集中补偿，提高了现有配电网静止补偿器的容量，改善了补偿输出波形质量。
配电变压器一体化静止补偿器，包括配电变压器、静止补偿模块和控制平台，配电变压器高压侧的各相绕组上设置有连接抽头，连接抽头连接静止补偿模块的交流输出侧，控制平台采集配电变压器高、低压侧及连接抽头的电压和电流信息，依据这些电压和电流信息生成跟踪指令电流信号，利用跟踪指令电流信号控制静止补偿模块的输出实现补偿。
所述配电变压器高压侧为Y型联结方式，在每相绕组上与该绕组端点相同距离的位置分别设置一个连接抽头。
所述配电变压器高压侧为△联结方式，在每相绕组上与该绕组端点相同距离的位置分别设置一个连接抽头。
所述配电变压器高压侧为△联结方式，在三个绕组端点两侧分别对称设置一连接抽头，各绕组端点与其两侧的连接抽头构成一组三相连接抽头，各组三相连接抽头分别与一静止补偿模块一一对应连接。
所述控制平台按照如下方式生成跟踪指令电流信号：根据高、低压侧的电压和电流计算得到所需补偿的无功功率或无功电流，再结合连接抽头的电压，将计算得到的无功功率或无功电流转换为连接抽头的无功功率或无功电流，根据连接抽头的无功功率或无功电流计算跟踪指令电流信号。
本发明的技术方案，相对于传统用户侧就地补偿的D-STATCOM，具有以下技术效果：
1本DT-STATCOM中，通过选择连接抽头的位置，可以在较大范围内选择静止补偿模块接入配电网电压的大小，从而降低了对电力电子器件通流能力的要求，在采用同样通流能力的器件时，补偿容量得到了提高；
2本方案通过提高静止补偿模块的接入电压，当补偿容量一定时，降低了电力电子器件的电流，从而提高了器件的开关频率，改善输出补偿电流的波形质量；
3本方案在配电网高、低电压等级交汇处集中补偿，相对于分散的用户就地补偿方式，其无功容量利用率高，管理方便，补偿效率提高；
4本方案补偿点位于配电变压器，利用配电变压器高、低压侧的电压和电流信息，实现对配电变压器这一关键节点的无功功率、端口电压以及负荷率的综合调节，可配合配电网整体的电能质量控制，达到全局优化；
5本DT-STATCOM中，利用配电变压器自身的漏电抗构成静止补偿模块滤波电路的一部分，省去了连接变压器和大连接电感，缩小了补偿装置的体积。
附图说明
图1表示本发明DT-STATCOM整体结构示意图。
图2表示配电变压器高压绕组Y型联结时的DT-STATCOM结构方案。
图3表示配电变压器高压绕组△型联结时的DT-STATCOM单组抽头一体化结构方案。
图4表示DT-STATCOM单组抽头一体化结构电压相量图。
图5表示配电变压器高压绕组△型联结时的DT-STATCOM多组抽头一体化结构方案。
图6表示DT-STATCOM多组抽头一体化结构电压相量图。
图7表示DT-STATCOM仿真模型。
图8表示DT-STATCOM系统补偿前后系统相电压和电流波形。
图9表示DT-STATCOM系统补偿系统功率因数变化波形。
图10表示在负载无功功率大幅度波动情况下，DT-STATCOM系统跟踪补偿波形。
图11表示在负载无功功率大幅度波动情况下，DT-STATCOM补偿后配电变压器系统侧电压幅值变化波形。
具体实施方式
本发明的配电变压器一体化静止补偿器(以下简称DT-STATCOM)将静止补偿模块和配电变压器集成在一起，在配电网高低电压等级交汇的关键节点实现无功补偿和电能质量控制。DT-STATCOM的整体结构如图1所示，图中虚线框表示DT-STATCOM系统，主要包括具备一体化结构方式的配电变压器、一个或多个静止补偿模块以及控制平台。具备一体化结构的配电变压器通过在高压侧绕组上设置连接抽头，如图1中所示，静止补偿模块通过连接抽头变压器连接，实现并联接入配电网。配电变压器的高压绕组有Y型联结和△型联结两种方式，在不同的联结组方式情况下，为了获得较大的接入电压选择范围，有多种连接抽头设置方法，可以设置一组或多组三相抽头。静止补偿模块为电压源型三相桥式PWM整流器结构，根据前述的一体化配电变压器结构设计，静止补偿模块可选择两电平或三电平拓扑结构，根据连接抽头的数量，静止补偿模块还有单组运行和三组并联运行两种方式。控制平台完成变压器多侧相电压、电流的采集、检测和静止补偿模块的脉冲触发，电气信息的采集位置见图1中电压和电流互感器标注位置，由于静止补偿模块有多种运行方式，控制平台具有多路触发通道和补偿电流分配设置。
本发明的DT-STATCOM中，通过在配电变压器的高压绕组设置连接抽头，将静止补偿模块与配电网并联连接起来，构成一体化结构。根据配电变压器高压绕组的不同联结组形式，产生了多种连接抽头设置方法和静止补偿模块一体化方式。配电变压器高压绕组主要有Y型联结和△联结两种方式：
对于Y接的高压绕组，在每相绕组上相同的位置设置一个连接抽头，如图2所示，三相绕组上的三个抽头构成对称的三相接入电压，A、B和C分别为A相、B相和C相绕组的端点。根据抽头距离中性点O的距离不同，可以获得不同的接入电压，其线电压范围为0～UAB。
对于△联结的高压绕组，同样可以在每相绕组上相同的位置设置连接抽头，构成DT-STATCOM单组抽头一体化结构方式，如图3所示。由于△联结的绕组不存在实际的中性点，所以连接抽头所获得的三相连接电压范围有一定限制。抽头电压的变化范围如图4的相量图所示，三角形ABC为变压器高压绕组三相线电压，三角形abc为连接抽头三相电压。可见，随着抽头位置的变化，abc三点在ABC三相线电压上滑动，其幅值和相位都发生连续变化。当abc三点位于在ABC的中点时，连接电压的幅值最小，相位偏移60°，如图4中a’b’c’所示。因此，DT-STATCOM单组抽头一体化结构方式所获得的抽头电压范围为UAB/2～UAB。
对于△联结的高压绕组，通过设置多组连接抽头构成DT-STATCOM多组抽头一体化结构方式，进一步降低连接抽头的电压，其结构如图5所示。在△绕组各个端点的两侧各设置一个连接抽头，如图5中，在A端口的两侧绕组上各设置抽头B1和C1，由A-B1-C1构成三相连接抽头。以该组连接抽头为例，电压相量图如图6所示。相对于三角绕组ABC的虚拟中性点而言，A-B1-C1三相的相电压不对称，但是线电压对称，构成封闭三角形AB1C1，而静止补偿模块采用三相三线制接线，取用连接抽头的线电压，因此每组抽头连接一个静止补偿模块可以实现补偿功能。按照相量图所示，理论上连接抽头线电压的范围可以达到0～UAB，但在实际应用中，往往需要取用较低的抽头线电压，一般电压范围在0～UAB/2之间。为了保持注入变压器补偿电流的三相对称，需要采用三组静止补偿模块联合运行的补偿方式，图5中连接抽头A-B1-C1连接1号静止补偿模块，连接抽头A2-B-C2连接2号静止补偿模块，连接抽头A3-B3-C连接3号静止补偿模块。
DT-STATCOM的静止补偿模块为电压源型三相桥式PWM整流器，其拓扑结构可选择两电平或三电平。当一体化配电变压器采用前述的单组抽头形式，连接抽头电压可能较高，为了提高静止补偿模块的耐压水平，可选择三电平结构；当一体化配电变压器采用前述的多组抽头形式，连接抽头电压降低，同时静止补偿模块的数量增加，则可考虑采用两电平结构，以节省电力电子器件。当采用DT-STATCOM多组抽头一体化方式时，每个静止补偿模块只需要提供1/3的补偿电流，从而可以提高电力电器件的开关频率，对于100A左右的补偿电流，开关频率可达20kHz。由于电力电子器件的开关频率较高，降低了静止补偿模块的交流输出滤波器设计要求。本发明方案中，静止补偿模块交流输出端串连一个滤波电感，并联一个滤波电容，结合从连接抽头到配电网的变压器漏电抗，调整器件参数，构成滤波电路。
DT-STATCOM的控制平台实现对上述静止补偿模块的控制和触发。控制平台采集一体化配电变压器高压侧、低压侧和连接抽头侧的三相电压、电流信息，如图1中所示，根据不同的电能质量的控制目标，利用高、低压侧电压和电流计算得到所需补偿的无功功率或无功电流，再结合连接抽头的电压，将计算得到的无功功率或无功电流转换为连接抽头的无功功率或无功电流，根据连接抽头的无功功率或无功电流计算跟踪指令电流信号。跟踪指令电流信号的具体计算方法为所在领域技术人员的公知技术，在此不再详细描述。
电能质量的控制目标包含以下几种：(a)负载无功补偿：根据低压侧电压电流信息，计算负载的功率因数，补偿负载的无功功率；(b)配电变压器补偿：根据高、低电压侧的电流和电压信息，计算配电变压器的无功功率，对配电变压器进行无功补偿；(c)配电变压器电压的稳定：根据高压侧的电压与额定电压的偏离程度，调节补偿无功功率，实现对配电变压器电压的稳定；(d)变压器负载率调节：根据高低压侧电压和电流信息，计算变压器的负载率，调节补偿无功功率，改变变压器负载率，实现其经济运行。
下面，对本发明的具体实施方式以仿真建模加以说明。仿真模型结构如图7所示，电能质量控制目标为负载无功补偿，仿真模型基本参数如下：
系统电源额定线电压有效值：Vs＝10kV；
输电线路参数：电阻Rs＝3.4Ω，电感Ls＝9mH；
DT-STATCOM系统配电变压器参数：变比10/0.4kV，容量1MVA，三组抽头一体化结构，连接抽头电压2kV；
滤波电感：Lc＝3.5mH；串联电阻：Rc＝0.01Ω；
负载参数：有功负荷PL＝650kW，无功负荷QL＝760kVar；
在没有DT-STATCOM补偿之前，系统相电压和电流之间存在相位偏差，系统向负载提供无功功率因数，此时系统的功率因数为0.65左右，见图8和图9所示。在0.05s的时候投入DT-STATCOM静止补偿模块，采用三组补偿单元并列运行的方式，每个补偿单元通过连接抽头向配电系统注入QL/3的无功补偿电流。通过补偿之后，系统相电压和电流趋于一致，功率提高到0.99，而且DT-STATCOM在一个周波之内即完成了对负载无功的全补偿。
图10说明了无功负荷大幅度波动情况下DT-STATCOM补偿的动态跟踪性能。图中实线为三组静止补偿模块输出的总无功功率，虚线为输出的总有功功率。仿真模型在0.2s时刻改变负载的无功负荷特性，由760kVar的感性无功切换到760kVar容性无功。DT-STATCOM补偿输出的无功功率约在一个周波时间内迅速跟踪负载无功功率的变化，完成过渡过程。在这个过程中，DT-STATCOM有功功率基本保持略小于0不变，从系统吸收部分有功功率，以维持直流电容电压以及变流器的固定损耗。
在负载无功功率大幅度波动过程中，配电变压器高压系统侧端口电压的波动情况如图11所示。在DT-STATCOM系统的支撑作用下，电压波动在0.98～1.02之间，波动幅度很小。

Claims (4)

1.配电变压器一体化静止补偿器，包括配电变压器、静止补偿模块和控制平台，配电变压器的高压侧连接电力系统，低压侧连接负载，配电变压器高压侧的各相绕组上设置有连接抽头，连接抽头连接静止补偿模块的交流输出侧，控制平台采集配电变压器高、低压侧及连接抽头的电压和电流信息，依据这些电压和电流信息生成跟踪指令电流信号，利用跟踪指令电流信号控制静止补偿模块的输出实现补偿；所述控制平台按照如下方式生成跟踪指令电流信号：根据配电变压器的高、低压侧电压和电流计算得到所需补偿的无功功率或无功电流，再结合连接抽头的电压，将计算得到的无功功率或无功电流转换为连接抽头的无功功率或无功电流，根据连接抽头的无功功率或无功电流计算跟踪指令电流信号。
2.根据权利要求1所述的配电变压器一体化静止补偿器，其特征在于，所述配电变压器高压侧为Y型联结方式，在每相绕组上与中性连接点相同距离的位置分别设置一个连接抽头。
3.根据权利要求1所述的配电变压器一体化静止补偿器，其特征在于，所述配电变压器高压侧为△联结方式，在每相绕组上与该绕组端点相同距离的位置分别设置一个连接抽头。
4.根据权利要求1所述的配电变压器一体化静止补偿器，其特征在于，所述配电变压器高压侧为△联结方式，在三个绕组端点两侧分别对称设置一连接抽头，各绕组端点与其两侧的连接抽头构成一组三相连接抽头，各组三相连接抽头分别与一静止补偿模块一一对应连接。
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