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赵香花, 宋强, 刘文华. 35 kV链式STATCOM及其应用. 清华大学学报: 自然科学版, 2014, 54(1): 109-113[Xianghua ZHAO, Qiang SONG, Wenhua LIU. 35 kV cascaded STATCOM and its Application[J]. 2014, 54(1): 109-113]  
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35 kV链式STATCOM及其应用
赵香花, 宋强, 刘文华
清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京, 10084
刘文华, 教授, E-mail:liuwenh@tsinghua.edu.cn

作者简介: 赵香花(1981—), 女(汉), 湖南, 博士研究生。

摘要

35 kV/8 Mvar链式直挂STATCOM已研制完成并投入运行,采用星型接线和自励启动。该装置的各链节采用自取电及互取电技术,可在单个链节故障时自动旁路从而实现了不停电( N-1)运行; 整个STATCOM采用了综合优化载波移相PWM、 分相瞬时电流控制和基于电压差值的直流电压平衡的控制方法,实现了动态无功输出; 为满足变电站功率因数考核要求,该STATCOM装置还采用了与变电站VQC系统协调控制的策略。经实际测试,装置效率可达99%以上,链节间直流电压的不平衡度在3.3%以下; 在系统电压跌落时STATCOM的无功输出响应时间小于 10 ms, 可有效支撑系统电压; 能较好地与VQC系统协调运行,实现了功率因数稳定控制。试验结果及现场运行数据表明该链式STATCOM的各项性能指标都达到了预期的目标。

关键词: 链式; 35 kV STATCOM; 瞬时电流控制; 互取电
中图分类号:TM615 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)01-0109-05
35 kV cascaded STATCOM and its Application
Xianghua ZHAO, Qiang SONG, Wenhua LIU
State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

A 35 kV/8 Mvar cascaded transformerless static synchronous compensator (STATCOM) has been developed as a star configuration with self-excitation. With multiple power supplies, each unit can be automatically bypassed when a fault occurs to implement ( N-1) uninterrupted operation. The compensation uses the optimized carrier phase-shift PWM method, instantaneous current control and a capacitor balancing strategy based on the voltage difference to give fast dynamic reactive power compensation. The STATCOM also coordinates with the voltage and reactive power control (VQC) system. Tests show that the STATCOM efficiency reaches 99%, the degree of unbalance among units is not greater than 3.3%, and the response time is below 10 ms when a voltage sag is detected which maintains the power system. The power factor is also related to the coordination between the STATCOM and VQC systems. Experimental data and field operation results both show that the excellent performance of the transformerless 35 kV/8 Mvar STATCOM as a new solution for voltage and reactive power control in substations.

Keyword: cascade; 35 kV STATCOM; instantaneous current control; mutual supply

链式结构的STATCOM自提出以来[1],经过十几年的发展,目前已得到了广泛的工业化应用,对稳定电网电压和提高功率因数起到了重要作用[2]。中小容量的STATCOM接入10 kV及以下电压等级时,一般采用无变压器直接接入的方式,如安装在上海西郊变电站的10 kV/±50 Mvar工程[3],以及大量应用于风电场10 kV电压等级和煤矿6 kV电压等级的系列容量STATCOM装置。

中小容量的STATCOM在接入更高等级的电网时,目前一般采用升压变压器的方式,变压器会导致成本上升和占地面积的增加,同时其励磁涌流会给电网系统和STATCOM功率单元带来冲击。若中小容量的STATCOM直接接入更高电压等级,则面临的主要研究内容包括: 1) 主电路设计方法。目前虽已有三角型接线的STATCOM接入35 kV电网[4],但星型接线与三角型接线相比,每相输出电压低,在成本上更适用于中小容量应用,因此需要研究更高电压等级下星型接线STATCOM的主电路参数设计方法。2) 链节的取电技术。如果从外部经隔离变压器给链节单元充电和供电,会导致装置体积大、成本高,因此需要研究更适合应用的自励取电技术。3) 上层控制策略。在更高等级电压应用时, STATCOM需要与母线上的其他无功设备协同运行,因此需要研究与上级VQC系统协调控制的问题。

为了更好地实现变电站电压和无功稳定,浙江省电力公司、绍兴电力局与清华大学、思源清能电气电子有限公司于2010年初共同研制出了首台 35 kV 无升压变压器的8 Mvar星接链式STATCOM[5,6]。南方电网公司也于2011年在示范项目中研制成功了大容量直挂的35 kV/±200 Mvar STATCOM[7]。本文根据首台35 kV/8 Mvar STATCOM工程,分析并设计了主电路结构及参数、基于分相瞬时电流控制的动态无功控制方法、链节的取电和互取电技术,及与变电站VQC协调控制的方法,并给出了详细的现场试验结果。

1 35 kV/8 Mvar链式STATCOM主电路

图1为35 kV/8 Mvar链式STATCOM的构成图。整个装置由开关柜、启动柜、功率柜和控制柜构成。装置采用了经启动电阻限流充电的自励启动方式,启动速度快,冲击电流小。每相功率柜由21个链节单元级联组成,三相采用星型接线以降低单相输出电压,其单相额定输出电压为20.2 kV。每相连接电抗按额定的12%选取为58.5 mH。链节开关器件采用3 300 V/200 A IGBT模块FF200R33KF2C, 直流电容容值取650 uF, 在1.2倍过载时电容电压波动峰值274 V。表1为IGBT换流链的主要参数。

图1 35 kV/8 Mvar 链式STATCOM的构成图

表1 IGBT换流链的主要参数
2 链式STATCOM的动态无功控制

链式逆变器是电压源变换器,通过较小的连接电抗接入电网。链式STATCOM单相等效电路见图2, 其中 ui为逆变器输出电压, us为接入点系统电压, L和 R为逆变器单相连接电抗和等效电阻。

图2 链式STATCOM单相等效电路

根据等效电路可得到单相STATCOM的数学模型为

ui=Ldidt+Ri+us.(1)

对式(1)进行Laplace变换,并以控制时间间隔 Ts为步长,采用双线性变换方法进行离散化,得到瞬时电流控制算法为

ui(k+1)=i(k+1)-Ai(k)B+us(k),A=1-TS2RL1+TS2RL-1,B=1+TS2RL-1TSL.2

在实际计算中, ui( k+1)为逆变器当前需要输出的参考电压, us( k)为当前采样的系统电压, i( k+1)可用当前的参考电流代替, i( k)表示当前装置输出电流。瞬时电流控制方法可以在一个开关周期内对输出电流的变化进行反馈控制,从而可以在系统电压畸变或突变时实现链式STATCOM快速输出电流,防止输出电流产生过流故障。

图3为星接链式STATCOM动态无功控制方法框图。对相电压 usa、 usb、 usc计算得到同步角度,以此为基准对系统电流 isa、 isb、 isc进行同步分解,并根据电压控制、负荷补偿或功率因数控制模式,得到装置需要补偿的无功电流,同步旋转变换后得到各相的瞬时参考电流 ira、 irb、 irc; 以瞬时参考电流为目标,结合链节直流电压 udca、 udcb、 udcc对实际输出电流 ia、 ib、 ic进行瞬时电流跟踪控制,得到逆变器瞬时输出电压参考值 ura、 urb、 urc; 最后根据载波移相PWM控制方法[8,9]将参考电压转换成各链节控制所需的脉冲信号,通过光纤下发到各链节单元。

图3 星接链式STATCOM控制框图

当系统电压不平衡或三相的器件参数差异时,星接链式的中性点电位将出现偏移,从而影响输出波形。通过反馈控制三相直流电压的相间偏差,可得到零序电压 u0, 在三相参考电压中加入零序电压后,可实现三相逆变器电容间的能量转移,从而调节中点电位,维持三相间直流电压平衡[10]。

在每相换流链内,各链节的直流电容在运行过程中是悬浮的,载波移相PWM方式由于其固有特点,会导致各链节输出基波电压幅值和相位存在差异,从而造成链节间直流电压不平衡[11,12]。将每个链节单元的直流电压反馈到链节内的控制器,并根据它和同相最小链节直流电压的差值来调整各链节PWM的相位,使得非最小直流电压的所有链节都调整为增加直流电容放电功率状态,直至所有链节直流电压偏差在一定范围内,采用该控制方法可以有效维持各链节间直流电压平衡。

3 链节的自取电和互取电技术

链节单元若采用外部供电,则需要用到高耐压低局放的隔离变压器,从而增加装置的成本和体积。本装置采用了经电阻限流充电的自励启动技术,且链节供电电源采用链节直流取电及相邻链节互取电对方式,可以实现链节的( N-1)冗余运行。图4为某个链节的自取电和互取电原理图。其中,链节 n除了从自身的直流侧输出取得控制电源外,还从相邻两个链节通过互取电板取得控制电源。当链节正常工作时,其控制电源由自身的直流稳压电源提供,只有链节故障时,才会从相邻的两个链节取得控制电源。当最左边或最右边的链节出现故障旁路后,它将从相邻的正常链节通过互取电板取得控制电源。互取电板的输入为相邻链节的直流控制电源,经过隔离DC/DC变换后输出的控制电源和自身直流稳压电源的输出混合在一起给本链节供电,并同时输出给左右相邻的链节互取电板。

图4 链节自取电与互取电原理图

4 与变电所VQC系统的协调控制

在电网正常运行的情况下,通常由电压无功控制(VQC)系统完成电压和无功的综合控制。VQC系统自动控制变电站的机械投切式并联补偿器和调节变压器档位,保证变电所的无功平衡和电压稳定。动态无功补偿装置的接入对原有变电所的无功电压控制模式有较大的改变。为充分发挥动态无功补偿的快速补偿特性,提高变电所无功电压控制水平,本工程中采用了STATCOM装置和VQC系统同目标独立控制且协调运行的方案。

考虑到STATCOM装置无功调节的快速特性和无级差特性,对原变电所VQC装置程序及控制逻辑均不作改动, STATCOM装置不纳入VQC控制范围,两者独立运行。STATCOM装置独立实现监测和控制, STATCOM回路对VQC控制系统可等效为一个快速波动的无功电源,但该无功电源的控制目标与VQC系统保持一致。

STATCOM装置的控制目标是控制主变高压侧220 kV的无功或功率因数在合格范围,令 U220为高压侧电压实测值,该变电站的考核要求见表2, 不同的电压运行水平下的功率因数要求不同。

表2 负荷功率因数考核范围

高压侧功率因数不合格时, STATCOM输出补偿到目标所需的无功电流,在容量范围内使系统功率因数调节到合格范围。VQC系统仍可根据九区图或十七区图调节系统无功和电压,当VQC调节引起系统电压和无功变化时, STATCOM仍可快速动作保证系统满足考核要求。此方案的优点是可充分发挥STATCOM装置大大快于VQC系统的连续补偿特性,补偿电网的快速无功电压波动,同时降低了VQC的动作次数,提高变电所其他无功电压调节设备可靠性,并且与调度系统的交互简单,便于工程实施和标准化推广。

5 现场试验结果

装置在浙江绍兴桑港变电站并网投入运行后,进行了闭环恒无功、闭环恒电压等运行工况的性能测试,测试结果表明各项指标都达到了设计目标。

5.1 稳态运行试验

使用Fluke 1760电能质量测试仪对装置的电流谐波畸变率进行测量,测得在额定容性8 Mvar输出时,电流总谐波畸变率最大为0.78%; 在轻载容性0.8 Mvar输出时,电流总谐波畸变率最大为2.2%。

装置输出容性8.0 Mvar无功时,总损耗为 71.4 kW, 总损耗比为0.89%; 装置输出感性无功7.85 Mvar时总损耗为75.6 kW, 总损耗比为0.96%。

5.2 直流电压平衡控制

表3为不同无功输出时各链节直流电压最大最小值和偏差度,在轻载和重载时,各链节间直流电压比较均衡,最大偏差度为3.24%。表4为不同无功输出时各相平均直流电压和相间偏差度,最大偏差为1.65%。该试验结果表明: 相间直流电压平衡控制和链节间直流电压平衡控制方法可以有效的控制效果,保证了逆变器输出波形的质量。

表3 各链节直流电压极值和相内偏差
表4 各相直流电压平均值和相间偏差
5.3 动态响应时间

表5为装置在恒无功控制模式下4种无功阶跃突变时装置输出的响应时间,实测小于2 ms。图5为装置从额定容性到额定感性阶跃突变时系统电压和装置输出电流波形。

表5 恒无功阶跃响应时间

图5 -8.0到+8.0 Mvar阶跃时的电流电压波形

在系统电压跌落时,装置输出无功的响应速度对系统的稳定性有一定影响。采用继电保护仪器的电压通道模拟输出控制点的系统电压,用空气开关快速断开的方式模拟系统电压的突然跌落。图6为系统电压 usab发生模拟跌落时装置A相电流 ia感性自动变化为容性的过程,跌落前装置运行在感性 4 Mvar, 跌落后装置运行在容性8 Mvar, 实测得到系统电压突变时装置全响应时间7 ms。

图6 电压跌落时系统电压和输出无功电流波形

5.4 与变电所VQC系统的协调控制

通过投切变电站已有的一组9.6 Mvar电容器,来测试STATCOM控制变电站高压侧220 kV功率因数的效果。电容器投切前后的系统功率因数和STATCOM无功的变化如表6所示。

表6 电容投切时STATCOM控制功率因数
6 结 论

无升压变压器的35 kV/8 Mvar链式STATCOM已研制成功并投入工业运行。现场试验结果表明: 装置所采用的瞬时电流控制方法、动态无功功率控制策略及直流电压平衡控制方法都达到预期的控制目标。自取电及互取电技术的采用使得装置可实现自励启动及( N-1)冗余运行,减小了装置的体积和成本,链节低开关频率使装置实现了99%的高效率。35 kV/8 Mvar链式STATCOM的成功研制为变电站电压无功控制设备提供了一种新的选择。

The authors have declared that no competing interests exist.

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