智能變電站FACTS組合裝置的應(yīng)用及其跳閘事件分析

楊 光, 李 斌

(國網(wǎng)南京供電公司, 江蘇 南京 210019)

0 引言

晶閘管投切電容器(TSC)設(shè)備通過晶閘管實(shí)現(xiàn)電容器組的電壓過零投入與電流過零切除。而最新一代靜止型無功發(fā)生器(SVG)則突破了傳統(tǒng)機(jī)械式并聯(lián)電抗器、投切電容器的靜止型調(diào)壓手段，靈活性及柔性更優(yōu)于TSC[1-4]。

110 kV GM智能變電站則試裝了江蘇省電力有限公司首套SVG+TSC柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)，充分利用了二者各自的優(yōu)點(diǎn)和長處，對二者進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和輸出，繼而智能、柔性、動態(tài)地補(bǔ)償所需無功，達(dá)到整體最優(yōu)化。文中將重點(diǎn)介紹SVG裝置及其與TSC的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在GM變電站中的應(yīng)用，同時剖析一起試運(yùn)行階段的保護(hù)跳閘事件。

1 GM變電站FACTS組合裝置

1.1 GM變電站SVG裝置

1.1.1 SVG介紹

SVG作為一種靜止型無功發(fā)生器，為圖1中第三代無功補(bǔ)償裝置，相當(dāng)于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速跟隨負(fù)荷無功電流變化，自動補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快，滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式快速變化時的需求，可以提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)電壓，抑制電壓閃變，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性[5-7]。

SVG利用可關(guān)斷電力電子器件(如IGBT)組成的橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位就可以吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康腫8-9]。

圖1 無功補(bǔ)償裝置發(fā)展示意Fig. 1 Development of reactive power compensation device

SVG裝置的優(yōu)越性有[10-11]：為輸電系統(tǒng)提供有效的電壓支撐；減小電壓和電流的不平衡，抑制不對稱負(fù)荷；濾除流入系統(tǒng)的諧波電流；減小電壓波動引起的閃變；線性補(bǔ)償無功，響應(yīng)速度快；可在較大電壓范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

SVG可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來確定輸出功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時輸出容性無功，小于時輸出感性無功。

1.1.2 SVG裝置構(gòu)成

GM變電站SVG裝置一次接線如圖2所示，主要由以下部分組成：

(1) 連接電抗器。防止合閘涌流和高次諧波。

(2) 啟動柜。在主開關(guān)合閘后，通過充電電阻對功率單元進(jìn)行充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值，將電阻旁路。

(3) 功率柜。主要組件是功率單元，共6個功率柜，每相12個功率單元。

(4) 控制柜。包含核心主控及保護(hù)裝置、閥組觸發(fā)控制單元。主要完成信號采集，閥組脈沖的發(fā)生，控制策略的實(shí)現(xiàn)，SVG系統(tǒng)的自檢、監(jiān)視和保護(hù)等。

圖2 GM變電站SVG裝置一次接線Fig.2 Primary wiring diagram of SVG device

1.1.3 SVG裝置控保系統(tǒng)

本站靜止無功發(fā)生器(SVG)控制系統(tǒng)由PCS-9583 主控單元(PCP)、PCS-9589 閥控單元(VBC)和子單元控制(SMC)組成。其中，PCP完成采樣數(shù)據(jù)收集、處理，有功、無功控制，對上位機(jī)通信，接收VBC 上送的閥組匯總信息并發(fā)送控制命令至VBC。VBC將閥組狀態(tài)信息上送至PCP，同時通過光纖接收PCP 下發(fā)的信號，完成各閥組功率分配。SMC對各功率閥組狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)視、采集并上送至VBC，同時接受VBC 下發(fā)的命令。

1.1.4 SVG裝置狀態(tài)說明

(1) 預(yù)充電過程。若無任何故障，接受到起機(jī)命令后，閉合主斷路器。當(dāng)直流電壓充電到設(shè)定值時，自動閉合預(yù)充電旁路開關(guān)。等待解鎖命令后轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 運(yùn)行狀態(tài)?？梢匝a(bǔ)償無功功率和功率因數(shù)、穩(wěn)定電壓或抑制諧波。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)嚴(yán)重故障或者某相冗余鏈節(jié)不足時，控保將發(fā)跳閘命令，并轉(zhuǎn)入跳閘故障狀態(tài)[12-13]。

(3) 跳閘故障狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)級嚴(yán)重故障，或者控制裝置故障、嚴(yán)重通信故障時，發(fā)出跳閘命令，斷開主斷路器(圖2中1QF)，斷開預(yù)充電旁路開關(guān)。

(4) 正常停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)不需要SVG投入運(yùn)行或者進(jìn)行檢修維護(hù)時，可以通過后臺遙控或就地控制系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)，當(dāng)發(fā)出停機(jī)命令后，系統(tǒng)自動斷開主斷路器，斷開預(yù)充電旁路開關(guān)，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

1.2 GM變電站TSC裝置

TSC為圖1中第二代無功補(bǔ)償裝置，其電容器組投切單元由晶閘管、真空接觸器共同組成，采用電容器殘壓實(shí)時檢測技術(shù)，當(dāng)檢測到殘壓與供電系統(tǒng)電壓大小相等、方向相同時，使開關(guān)導(dǎo)通，提高了電容器的運(yùn)行壽命與工作可靠性，其響應(yīng)速度快，可頻繁投切。

1.2.1 TSC裝置構(gòu)成

GM變電站TSC裝置由觸發(fā)控制系統(tǒng)、投切單元、檢測系統(tǒng)及配套電容器、開關(guān)柜等組成，其一次接線示意見圖3。

圖3 GM變電站TSC裝置一次接線Fig.3 Primary wiring diagram of TSC device

非檢修狀態(tài)時開關(guān)柜的真空斷路器始終處于閉合狀態(tài)，對電容器組的操作由無損投切裝置完成。而電容器組的故障保護(hù)由高壓開關(guān)柜完成(硅堆不具備拉斷短路電流的能力)。

1.2.2 TSC裝置投切過程

(1) 投入過程。上位真空接觸器KM1(和硅堆串聯(lián))—晶閘管導(dǎo)通(自動)—下位真空接觸器閉合KM2(和硅堆并聯(lián))(自動)—關(guān)斷晶閘管(自動)。

(2) 切除過程。導(dǎo)通晶閘管(自動)—斷開下位真空接觸器KM2(自動)—關(guān)斷晶閘管(自動)—關(guān)斷上位真空接觸器KM1(自動)。

1.3 FACTS設(shè)備智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

FACTS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由協(xié)調(diào)控制柜、TSC和SVG裝置組成，協(xié)調(diào)控制柜通過交換機(jī)對TSC和SVG下發(fā)控制指令(見圖4)，并接收裝置的狀態(tài)信號。其中單母線TSC容量為6 Mvar，SVG調(diào)節(jié)范圍為±2 Mvar，電壓等級都為10 kV。協(xié)調(diào)控制器可控制TSC裝置的分合閘(即電容器組的相關(guān)接觸器、晶閘管)以及SVG裝置的無功輸出值，并與調(diào)度AVC進(jìn)行通信。

圖4 GM變電站FACTS智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)Fig.4 Topology of FACTS's intelligent coordinated control system

1.3.1 基本控制策略

(1) 當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷從小變大時，優(yōu)先調(diào)節(jié)SVG的無功輸出，當(dāng)SVG發(fā)出的容性無功不足以補(bǔ)償時，投入TSC組，SVG進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷從大變小時，協(xié)調(diào)控制器優(yōu)先調(diào)節(jié)SVG補(bǔ)償容量，當(dāng)SVG發(fā)出的感性無功不足以補(bǔ)償時，協(xié)調(diào)控制器切除TSC，SVG作為輔助調(diào)節(jié)。

1.3.2 聯(lián)合控制的優(yōu)點(diǎn)

TSC可無損投切電容器，單位容量成本低，但不能無級及反向調(diào)節(jié)。SVG可按需無級、正反調(diào)節(jié)無功，但單位容量成本高。而本站FACTS協(xié)控系統(tǒng)充分發(fā)揮了其互補(bǔ)效應(yīng)，增強(qiáng)了調(diào)控靈活性，可根據(jù)電網(wǎng)情況高效投切電容器、補(bǔ)償無功功率。

2 GM變電站SVG跳閘事件分析

在試運(yùn)期間，110 kV GM變電站SVG于2015年1月16日發(fā)生保護(hù)動作跳閘事件：由SVG本體主控單元PCS-9583跳開1號動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVG)的開關(guān)柜主斷路器1QF(調(diào)度編號1D1)，對應(yīng)開關(guān)柜上的WCB-822C保護(hù)未動作。相關(guān)分析如下[16-17]。

2.1 保護(hù)構(gòu)成

110 kV GM變電站SVG相關(guān)保護(hù)由設(shè)于相應(yīng)10 kV開關(guān)柜的WCB-822C保護(hù)裝置及設(shè)于SVG現(xiàn)場控制柜的PCS-9583主控單元共同組成。

其中WCB-822C投過流、過負(fù)荷、負(fù)序、零序、低壓等功能，保護(hù)范圍為開關(guān)柜流變至SVG裝置末端，動作后跳開圖2中的主斷路器(調(diào)度編號1QF)。而PCS-9583的保護(hù)功能是為了SVG裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，本體、母線及上端電源故障或異常(如過流、過負(fù)荷、欠頻、過頻、失壓、過溫及零序、負(fù)序、諧波超標(biāo)等)都有可能引起保護(hù)動作，保護(hù)動作后跳開圖2中的主斷路器1QF及SVG啟動柜內(nèi)預(yù)充電旁路開關(guān)1 KM。

2.2 跳閘分析

提取SVG控保裝置錄波圖(圖5、圖6)。

圖5 GM變電站系統(tǒng)側(cè)電壓波形Fig.5 Voltage waveform of Grid side

圖6 GM變電站SVG相電壓波形Fig.6 Current waveform of SVG device

對保護(hù)動作前后的電網(wǎng)電壓波形進(jìn)行分析，如圖7、圖8所示，期間系統(tǒng)電壓(10 kV母線電壓)含有較高含量的2～8次諧波。

圖7 動作前諧波含量Fig.7 Harmonic contents before relay protection action

圖8 動作時諧波含量Fig.8 Harmonic contents during relay protection action

由總諧波畸變率計(jì)算式(1)，取最高6項(xiàng)計(jì)算保護(hù)動作時的諧波畸變率超過13.13%(GB/T 14549—1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10 kV電壓等級正常諧波畸變率不超過4%)。

(1)

式中：Ui為除基波U1外的其他高次諧波。

由PCS-9583裝置保護(hù)定值單可知，電網(wǎng)電壓諧波閉鎖定值為超過10%動作，低于5%返回，顯然此刻13.13%的諧波含量已超過定值。

調(diào)取GM變電站智能故障錄波器的相關(guān)錄波記錄文件，發(fā)現(xiàn)故障后短時間內(nèi)的諧波依然不小，其中較高的2,3,5,7,9次諧波含有率如下。

(1) 主變高壓側(cè)電壓：

A相6.9%，1.6%，2.3%，0.1%，1.6%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為7.62%；

B相10.5%，1 %，1.6% ，0.8% ，0.1%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為10.7%；

C相5.3%，1.0 %，2.0% ，1.2% ，0.8%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為5.93%。

(2) 主變低壓側(cè)電壓：

A相6.5%，6.1%，2.2% ，0.5% ，0.9%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為9.23%；

B相7.7%，3.4%，1.4% ，1.1% ，0.6%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為8.62%；

C相3.3%，1.7%，1.8% ，1.0% ，1.0%，不計(jì)其他額外諧波的諧波畸變率為8.62%。

2.3 原因小結(jié)

(1) 整個跳閘事件的前后，同一站內(nèi)的電容器組無損投切TSC裝置的相關(guān)接觸器、真空開關(guān)都無狀態(tài)變動，故首先排除投切電容器組造成的電壓波動。

(2) 其次SVG裝置所連真空斷路器1D1跳閘后，系統(tǒng)側(cè)相關(guān)諧波依舊存在，故排除SVG相關(guān)電力電子元件故障造成的諧波過量。

(3) 通過故障錄波分析，可以確定此次SVG保護(hù)動作原因如下：

系統(tǒng)電壓諧波含量突增，導(dǎo)致SVG 輸出電流中含有較高的諧波分量，而SVG主控單元PCS-9583的相關(guān)“2，…，13次諧波抑制”、“電網(wǎng)電壓諧波閉鎖”的軟壓板、控制字都未投，所以SVG的相關(guān)諧波保護(hù)并未出口。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障，電壓不平衡度較大時，則會產(chǎn)生負(fù)序電壓，可能會導(dǎo)致相間電容電壓不平衡，影響SVG 運(yùn)行安全。若系統(tǒng)發(fā)生瞬時嚴(yán)重不對稱故障時，相關(guān)控保系統(tǒng)將發(fā)脈沖閉鎖IGBT功率模塊，若系統(tǒng)發(fā)生永久嚴(yán)重不對稱故障時，則需要跳閘。

而本站SVG“負(fù)序電壓閉鎖保護(hù)”投入，如圖7、8所示，保護(hù)動作時的系統(tǒng)側(cè)負(fù)序性諧波含有率(2，5，8，11…次)特別是5次諧波很高(超過6%)。咨詢設(shè)備廠家技術(shù)人員，諧波分量過大會影響SVG 負(fù)序電壓的計(jì)算結(jié)果。

通過其相關(guān)計(jì)算可知，故障后系統(tǒng)側(cè)電壓諧波含有率依然超標(biāo)，最終導(dǎo)致PCS-9583 裝置在“SVG 負(fù)序電壓動作”閉鎖閥組之后，跳開對應(yīng)開關(guān)柜主斷路器，這也與當(dāng)時保護(hù)信息相符。

開關(guān)柜內(nèi)的WCB-822C保護(hù)裝置并沒有諧波、負(fù)序電壓跳閘功能，雖然投了負(fù)序過流，但其定值為60 A，在沒有短路、換路故障情況下不可能達(dá)到，所以其并未動作。

2.4 整改方案

(1) 升級SVG主控裝置(PCS-9583)的控保程序，優(yōu)化電網(wǎng)電壓諧波檢測功能模塊，防止誤判為系統(tǒng)不對稱性故障，并且根據(jù)現(xiàn)場及設(shè)備工況自動投入各次諧波抑制，發(fā)揮有源濾波功能，提升系統(tǒng)電壓質(zhì)量。

(2) 控保系統(tǒng)實(shí)時檢測電網(wǎng)電壓，當(dāng)確實(shí)發(fā)生不對稱性故障或諧波含量超過設(shè)備補(bǔ)償能力時，則首先封鎖SVG所有功率模塊IGBT的驅(qū)動脈沖，SVG系統(tǒng)停止與電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行有功、無功交換(即進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài))，同時設(shè)置二級延遲(當(dāng)前只設(shè)了一個20 ms的延遲，而電網(wǎng)瞬時故障恢復(fù)時間顯然多于這個，建議超過相關(guān)重合閘及備自投時間)，待瞬時故障電壓恢復(fù)后，重新解鎖相關(guān)IGBT功率模塊進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，防止保護(hù)動作直接跳開真空斷路器與電網(wǎng)斷開聯(lián)系。

通過以上方案，可有效避免電網(wǎng)電壓諧波對SVG持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響，同時延長了SVG的上網(wǎng)時間，使其能夠最大限度的發(fā)揮無功及電壓補(bǔ)償、調(diào)節(jié)作用[18]。

3 結(jié)語

文中從原理、結(jié)構(gòu)及控制策略等方面，介紹了110 kV GM智能變電站的SVG、TSC及其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。此類新式組合型FACTS的應(yīng)用，充分利用了TSC、SVG各自的長處和優(yōu)點(diǎn)，改變了現(xiàn)有高壓電容器組投切模式，有效延長了電容器組的壽命，達(dá)到了自適應(yīng)、動態(tài)、協(xié)調(diào)無功補(bǔ)償?shù)哪康?，提升了電網(wǎng)側(cè)電壓電能質(zhì)量，夯實(shí)了優(yōu)質(zhì)保電基礎(chǔ)。

文中同時剖析了一起試運(yùn)行階段的SVG跳閘事件及其原因，并給出了相關(guān)建議，自整改后運(yùn)行良好，未發(fā)生同類事件。其相關(guān)定值及軟壓板的設(shè)置經(jīng)驗(yàn)還可用到同類柔性輸變電設(shè)備(如STATCOM，UPFC等)相關(guān)控制保護(hù)之中，提升裝置的故障穿越能力，保障其持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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