35kV直掛鏈式靜止同步補償器的現(xiàn)場試驗

蔡重凱，王 敏，陳曉宇，李 電，劉文華

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興，312000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；3.清華大學，北京 100084）

0 引言

近年來，隨著GTO（大功率全控型電力電子器件）技術的日趨成熟，動態(tài)無功補償裝置技術得到了快速發(fā)展，尤其是靜止同步補償器（以下稱STATCOM），由于其性能優(yōu)異、技術先進、響應速度快、占地面積小等優(yōu)點，在風電、冶金、煤炭、輸配電等領域的應用越來越廣泛。1999年3月，清華大學和河南省電力局合作開發(fā)了國內第一套基于GTO的20 Mvar STATCOM，并在洛陽220kV朝陽變電站成功投運，此后STATCOM在電力系統(tǒng)的應用屢有報道[1-3]。目前國內電力系統(tǒng)無功補償裝置多用于35kV側，STATCOM要達到提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平的目的，容量需達到100～200 Mvar，且一般需直接接入35kV電壓母線。此前國產(chǎn)裝置都先降壓至10kV運行，限制了STATCOM的推廣應用，而降壓變壓器的應用也增加了STATCOM的成本。2010年初，國網(wǎng)浙江省電力公司和清華大學合作開發(fā)基于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的35kV直掛鏈式STATCOM，在浙江某220kV變電站成功投運，雖然容量相對偏小，僅為±8 Mvar，但是作為國際上第一套直接接入35kV系統(tǒng)的STATCOM，對其在電網(wǎng)中的推廣應用意義重大。裝置投入運行后，經(jīng)過現(xiàn)場測試，各項指標均符合要求。本文著重介紹裝置的基本概況和現(xiàn)場試驗情況。

1 35kV直掛鏈式STATCOM概況

1.1 試點工程概況和裝置接入方案

某220kV變電站地處某市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，由2臺180 MVA主變壓器供電，供電區(qū)域內35kV及以上大用戶較多，約為120MW，并有約200MW裝機容量的并網(wǎng)小電廠。由于小電廠出力的不穩(wěn)定性，負荷變化幅度和電壓波動幅度均較大。夏季負荷高峰期該變電站高壓側負荷約為160MW，春節(jié)期間在電廠基本停運情況下，負荷約60MW。另外，該變電站110kV側有2條電氣化鐵路牽引變壓器線路接入（電纜12 km，正常充電功率約10 Mvar），春節(jié)輕負荷時期需配置感性補償。同時，電氣化鐵路牽引變壓器負荷還有一定的電能質量污染，需考慮防范治理措施。

經(jīng)仿真分析、理論計算論證，在該220kV變電站應用STATCOM可解決供區(qū)負荷變化幅度大，電鐵性負荷易引起電壓波動、電能質量污染，以及春節(jié)無功倒送等系列問題[4-5]。設計方案對變電站原有電容器組不做任何改動，僅在備用開關柜接入STATCOM。此外，摒棄以往國產(chǎn)裝置都通過變壓器降壓至10kV運行的方式，創(chuàng)造性地采用35kV電壓等級直掛方式，以減小損耗、降低成本。

如圖1所示，變電站采用±8 Mvar鏈式STATCOM進行動態(tài)無功補償和瞬時電壓支撐，并對13次以下的諧波進行有源濾波，整套系統(tǒng)掛在35kVⅠ段母線側。單獨調節(jié)STATCOM，可實現(xiàn)無功在-8 Mvar～+8 Mvar范圍內連續(xù)自動調節(jié)，保證系統(tǒng)輕載時不會發(fā)生無功倒送。STATCOM與并聯(lián)電容器組C1（8.0 Mvar）配合進行無功補償，可實現(xiàn)無功在0～16 Mvar范圍調節(jié)，保證系統(tǒng)重負荷下的無功補償需求。

圖1 變電站STATCOM接入方案

1.2 裝置構成及性能技術指標

裝置采用H橋鏈式，星形接線方式，由啟動機架、連接電抗器、鏈式功率單元、控制柜和冷卻系統(tǒng)等組成，其電氣接線如圖2所示。

圖2 220kV變電站STATCOM電氣接線

啟動機架由啟動開關、充電電阻、隔離刀閘和接地刀閘等組成。裝置的啟動方式設計采用自勵啟動。在主開關合閘后，系統(tǒng)電壓通過充電電阻對功率單元的直流電容進行充電，當充電電壓達到額定值的80%后，控制系統(tǒng)閉合啟動開關，將充電電阻旁路。

功率單元按照3個獨立的三層構架布置，A，B，C三相各占1個構架，每相有21個鏈節(jié)，其中1個功率模塊為冗余備用。每層功率模塊底部鋪環(huán)氧樹脂絕緣，增加鏈節(jié)間絕緣的爬電距離。功率模塊各層通過支持瓷瓶絕緣，整體采用玻璃鋼立柱和橫梁進行支撐并絕緣。功率單元中IGBT換流鏈將直流電壓逆變成交流電壓，并控制該交流電壓的頻率、幅值和相位，從而實現(xiàn)裝置輸出的無功調節(jié)和濾波功能；直流電容器為裝置提供直流電壓支撐，并對直流電壓起平波作用。

裝置的輸出通過連接電抗器并聯(lián)到系統(tǒng)側。強迫風冷系統(tǒng)由散熱風機（9臺離心式風機）和風道組成。散熱風道采用環(huán)氧樹脂材料，保證風扇和模塊的絕緣。

控制保護監(jiān)測綜合系統(tǒng)可快速檢測系統(tǒng)的電壓和無功變化，計算裝置所應提供的無功容量，并據(jù)此實現(xiàn)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生和分配，以及對成套裝置的分層分級保護；監(jiān)測單元通過獨立的采集系統(tǒng)對系統(tǒng)狀態(tài)和裝置運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并可根據(jù)現(xiàn)場需要實現(xiàn)遠程通信。

主要性能指標包括：

（1）額定電壓 Un35kV。

（2）額定容量 Sn8 Mvar。

（3）容量調節(jié)范圍： -8 Mvar～+8 Mvar容量范圍內動態(tài)連續(xù)可調。

（4）總諧波畸變率：恒無功輸出諧波電流THD（總畸變率）小于3%，濾波器濾除諧波，保證流入系統(tǒng)諧波含量滿足國標要求。

（5）穩(wěn)態(tài)控制精度小于5.0%。

（6）功率模塊冗余：符合自動N-1要求。

（7）階躍響應時間小于5 ms。

（8）電壓暫態(tài)跌落全響應時間小于10 ms。

（10）裝置絕緣水平： AC 95kV。

（11）裝置損耗小于1%。

1.3 STATCOM的控制策略

變電站的無功電壓調節(jié)由VQC（電能質量控制）系統(tǒng)完成，實現(xiàn)電容器組機械投切的自動控制。STATCOM接入后，與VQC同目標獨立控制協(xié)調運行，不納入VQC控制范圍，對VQC來說等效為一個快速波動的小無功電源。此方案的優(yōu)點是可充分發(fā)揮STATCOM大大快于VQC的快速連續(xù)補償特性。此外，和SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)的交互簡單，便于工程實施和標準化推廣。由于控制邏輯的簡化，也提高了裝置的運行可靠性。

STATCOM的工作方式包括：恒無功方式、電壓控制運行方式、負荷跟蹤補償方式和功率因數(shù)控制方式。恒無功方式令裝置輸出恒定大小的無功，通過這種方式可以測量裝置跟蹤無功的準確性和階躍響應速度。此外，如果春節(jié)期間負荷小，無功倒送比較嚴重，可采用此方式保持額定感性無功輸出。電壓控制運行方式通過調節(jié)無功輸出保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，抑制系統(tǒng)過電壓，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。負荷跟蹤補償方式用于抑制電壓閃變、補償負荷不平衡、提高功率因數(shù)、補償負荷諧波。通過檢測負荷側的電流，自動調節(jié)電流輸出，以提高負荷電流的電能質量，可選擇補基波無功、補負序和補諧波（2～13次）。

變電站35kV STATCOM采用功率因數(shù)控制方式，目標以控制35kV電壓為主，包括電壓暫降、波動和閃變治理，同時保證主變壓器高壓側（220kV側）無功或功率因數(shù)在合格范圍。

2 STATCOM的現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗分上電前試驗、恒無功試驗、電壓無功控制試驗和電壓暫態(tài)跌落試驗[6-7]。

2.1 上電前試驗

上電前試驗包括外觀檢查和絕緣試驗。外觀檢查主要檢查裝置主回路的接線是否符合要求，如：外絕緣完好無損，金屬件外表面無損傷或腐蝕現(xiàn)象，配套件無表面損傷、外殼無變形等現(xiàn)象；檢查裝置的布置和安裝、電器和導體的選擇是否符合規(guī)定要求。

工頻耐壓試驗在裝置的相間、相與地之間、輔助電路與地之間按國標GB 311的要求進行，試驗結果見表1。

今年《開學第一課》的主題為“創(chuàng)造向未來”，分為四個篇章，分別是“夢想”“奮斗”“探索”“未來”。其中給我留下深刻印象的，就是“夢想”這一篇章中紀實攝影家解海龍拍的一張照片。

表1 工頻耐壓試驗實測參數(shù)及結果 kV

2.2 恒無功試驗

恒無功試驗包括恒無功、直流電壓平衡、諧波電流、損耗及階躍響應時間測試等。

2.2.1 恒無功及直流電壓平衡測試

在恒無功方式下，依次在STATCOM控制柜上設置輸出-8 Mvar～+8 Mvar無功，間隔1 Mvar，每點運行2 min，測量記錄STATCOM輸出無功和各鏈節(jié)電容器兩端直流電壓。監(jiān)視35kV系統(tǒng)電壓，若35kV側電壓超過38.5kV，停止增加容性無功輸出。若35kV側電壓低于34kV，停止增加感性無功輸出。

整個測試過程中，裝置運行正常、無異響、無異味，能夠連續(xù)輸出感性-8 Mvar至容性+8 Mvar無功。輸出無功與設定值誤差小于3.8%，各鏈節(jié)實測直流電壓值最大偏差為3.3%。

2.2.2 諧波電流測試

在恒無功方式下，設定STATCOM容量，測試裝置輸出無功、35kV系統(tǒng)電壓、輸出電流及諧波電流畸變值，表2給出了裝置諧波電流測試情況，在輸出容量-8 Mvar～+8 Mvar范圍內，A，C兩相電流最大畸變值IthdA和IthdC分別為0.78 A和0.76 A，輸出電流最大畸變率為0.59%。

表2 裝置諧波電流測試情況

2.2.3 損耗測試

在恒無功方式下，裝置分別輸出額定感性和容性容量，在35kV無功開關柜讀取電能表有功功率值。其中TA變比300/5 A，精度0.2級；TV變比35/0.1kV，精度0.1級；電能表采用三相三線靜止式多功能電能表，有功1.0級，無功2.0級。

輸出容性+8.01 Mvar時，測得電能表讀數(shù)為0.0034 kW，計算實際有功功率為71.4 kW，損耗為0.89%；輸出感性-7.85 Mvar時，測得電能表讀數(shù)為0.0036 kW，計算實際有功功率為75.6 kW，損耗為0.95%。由于STATCOM為無功發(fā)生裝置，有功很小，此值僅供參考。

2.2.4 階躍響應時間測試

在恒無功方式下，設定STATCOM輸出容量，使裝置輸出從+0.1QN→+1.0QN和-1.0QN→+1.0QN等階躍，記錄35kV系統(tǒng)電壓和裝置輸出電流波形，根據(jù)電流波形曲線計算裝置響應時間。表3給出了裝置的響應時間測試情況，最大響應時間為1.42 ms。圖3為-1.0QN→+1.0QN階躍的瞬間電壓電流示波圖。QN為裝置的額定無功容量。

表3 裝置響應時間測試記錄

圖3 -1.0QN→+1.0QN階躍響應示波圖

2.3 電壓無功綜合控制試驗

在功率因數(shù)控制方式下，投入或切除電容器組C1（見圖1），記錄35kV系統(tǒng)電壓、電容器組電流及裝置輸出電流波形，測試STATCOM的動態(tài)響應特性。功率因數(shù)控制參數(shù)按照表4《浙江電網(wǎng)地區(qū)負荷功率因數(shù)考核范圍》設定。

投入C1前，高壓側功率因數(shù)范圍設置為0.95～0.98，實際功率因數(shù)0.975，STATCOM輸出無功+3.7 Mvar。投入C1后，實際功率因數(shù)0.979，STATCOM輸出-7.1 Mvar。記錄波形如圖4所示。切除C1前，高壓側功率因數(shù)范圍設置為0.97～0.99；STATCOM運行出力-7.8 Mvar。切除C1后，實際系統(tǒng)功率因數(shù)0.971，STATCOM運行出力-0.5 Mvar。圖4、圖5分別給出了C1投入和切除瞬間的波形示波圖。試驗結果分析如下：投入電容器組后，系統(tǒng)電壓升高、感性無功減小，功率因數(shù)提高，裝置由輸出容性無功轉為輸出感性無功，以平衡電容器組發(fā)出的無功功率，保證高壓側功率因數(shù)滿足設定要求。切除電容器組后，系統(tǒng)電壓降低、感性無功增加，功率因數(shù)偏低，裝置減小感性無功輸出，使功率因數(shù)滿足要求。

表4 浙江電網(wǎng)地區(qū)負荷功率因數(shù)考核范圍

圖4 投入C1瞬間電壓電流示波圖

圖5 切除C1瞬間電壓電流示波圖

2.4 電壓暫態(tài)跌落試驗

在電壓控制方式或功率因數(shù)控制方式下，用空氣開關快速斷開STATCOM控制柜220kV側的TV電壓輸入來改變電壓值，模擬系統(tǒng)電壓暫態(tài)跌落，記錄空氣開關斷開瞬間的35kV側電壓、空氣開關兩端電壓（模擬220kV側電壓）和裝置輸出電流。

STATCOM初始運行狀態(tài)為感性輸出-4 Mvar，發(fā)生電壓暫態(tài)跌落時，裝置迅速發(fā)出最大容性無功+8 Mvar，支撐系統(tǒng)電壓，防止故障擴大和系統(tǒng)崩潰。記錄波形如圖6所示，實測裝置電壓暫態(tài)跌落全響應時間為6.5 ms。

圖6 電壓暫態(tài)跌落試驗示波圖

3 結語

（1）試驗表明，35kV直掛鏈式STATCOM能夠連續(xù)調節(jié)，具有諧波含量小、損耗低、響應時間快的特性。同時，裝置能夠快速響應無功負荷變化，保證系統(tǒng)無功平衡，在系統(tǒng)電壓跌落時發(fā)出最大容性無功，為系統(tǒng)提供了一定的暫態(tài)電壓支撐。

（2）自從STATCOM投運以來，變電站無功負荷變化響應時間由5 min縮短到小于7 ms，大大提高了變電站供電電壓穩(wěn)定性。同時變電站電容器組平均日動作次數(shù)由原先的3.75次/天下降到0.42次/天，提高了電容器組運行可靠性，延長了開關設備的使用壽命。

（3）STATCOM現(xiàn)場試驗資料和經(jīng)驗較少，且對現(xiàn)場條件要求較高，本文介紹的試驗方法可為相關單位系統(tǒng)調試或工程驗收提供參考。

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