±200MVA鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM的主電路聯(lián)接型式分析

楊 程 李 曠 張海濤 何 師 侯小平

（1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；2. 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051）

中國(guó)南方電網(wǎng)是我國(guó)目前惟一的交直流并聯(lián)運(yùn)行的超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量互聯(lián)電網(wǎng)，根據(jù)南方電網(wǎng)的實(shí)際情況，高壓大功率變流器及靜止補(bǔ)償器STATCOM直掛電壓等級(jí)為35kV，容量為±200MVar。

STATCOM（Static Synchronous Compensator），即靜止同步補(bǔ)償器，又稱(chēng)SVG（Static Var Generator），即靜止無(wú)功發(fā)生器，專(zhuān)指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。

對(duì)南方電網(wǎng)35kV/±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM而言，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性是建立在主電路（閥組）的可靠性之上的。也就是說(shuō)，沒(méi)有可靠工作的閥組這一堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也就變成了空中樓閣而無(wú)從談起了。

因此，在南方電網(wǎng)35kV/±200MVA鏈?zhǔn)絊TATCOM的主電路方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)可靠性是我們重點(diǎn)關(guān)注的核心問(wèn)題之一。

1 聯(lián)接型式

從電路拓?fù)鋪?lái)講，對(duì)三相鏈?zhǔn)絊TATCOM而言，系統(tǒng)有兩種聯(lián)接型式，即“Y型”聯(lián)接和“Δ型”聯(lián)接。

對(duì)確定的電壓等級(jí)和容量等級(jí)而言，“Y型”聯(lián)接和“Δ型”聯(lián)接的主要區(qū)別是閥組承受的電壓等級(jí)和電流等級(jí)不同。因此，對(duì)閥組的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量、電流等級(jí)的選擇等方面就存在一些區(qū)別，且在工程實(shí)施時(shí)的難度和占地面積的略有不同。通常，“Y型”聯(lián)接的占地面積往往略小。此外，兩種聯(lián)接方式的成本也可能略有差別。

1.1 “Y型”聯(lián)接

對(duì)±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM，當(dāng)系統(tǒng)電壓為35kV時(shí)，STATCOM的最大線電流為

根據(jù)目前可關(guān)斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的工藝水平和制造條件，單管的工作電流還無(wú)法達(dá)到3300A的水平。因此，必須靠開(kāi)關(guān)器件或閥組的并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的工作電流。

如果采用開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)，一套±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM總共由3相鏈?zhǔn)介y組構(gòu)成。即使采用冗余性設(shè)計(jì)，從理論上講，當(dāng)1相閥組發(fā)生故障時(shí)，整套STATCOM必須從系統(tǒng)退出運(yùn)行。

如果采用鏈?zhǔn)介y組并聯(lián)，一套±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM總共由6套鏈?zhǔn)介y組構(gòu)成。當(dāng)1相閥組發(fā)生故障時(shí)，至少還有3套鏈?zhǔn)介y組構(gòu)成的系統(tǒng)還能正常運(yùn)行，整套STATCOM不必全部退出運(yùn)行，雖然此時(shí)系統(tǒng)容量會(huì)減半。

因此，采用鏈?zhǔn)介y組并聯(lián)的方案比采用開(kāi)關(guān)器件簡(jiǎn)單并聯(lián)的方式更可靠。

所以，對(duì)一套±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM，采用6套鏈?zhǔn)介y組的主電路方案，其閥組的電流為

根據(jù)目前可關(guān)斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的工藝水平和制造條件，如果我們選用電流和電壓等級(jí)較高且應(yīng)用成熟的一款 IEGT，耐壓等級(jí)和電流等級(jí)為4500V/2100A，其長(zhǎng)期承受的直流耐壓水平為2800V，長(zhǎng)期可靠工作的電流水平為2100A。

為了運(yùn)行的安全可靠性，必須使 IEGT的安全運(yùn)行區(qū)域有足夠大的裕量。所以將每個(gè)閥組單元的交流輸入電壓定為 1500V，每個(gè) IEGT的最大工作電流有效值為2100A。

這樣，對(duì)35kV的鏈?zhǔn)絊TATCOM而言，如果采用“Y型”聯(lián)接，每相需串聯(lián)的閥組單元個(gè)數(shù)為

考慮到系統(tǒng)冗余等因素，每相由16個(gè)閥組單元串聯(lián)而成，每相由2個(gè)變流鏈并聯(lián)。輸出側(cè)通過(guò)電抗器直接和35kV系統(tǒng)相聯(lián)。

因此，±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM需要96個(gè)功率單元。

1.2 “Δ 型”聯(lián)接

對(duì)±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM，當(dāng)系統(tǒng)電壓為35kV時(shí)，STATCOM的最大線電流為

根據(jù)目前可關(guān)斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的工藝水平和制造條件，單管的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作電流要達(dá)到 1900A的水平，同時(shí)考慮到過(guò)流運(yùn)行系數(shù)，單個(gè)器件也是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，必須靠開(kāi)關(guān)器件或閥組的并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的工作電流。

與“Y型”聯(lián)接的方式類(lèi)似，從系統(tǒng)可靠性的角度考慮，采用鏈?zhǔn)介y組并聯(lián)的方案比采用開(kāi)關(guān)器件簡(jiǎn)單并聯(lián)的方式更可靠。

所以，對(duì)一套±200MVA的鏈?zhǔn)?STATCOM 而言，如果采用6套鏈?zhǔn)介y組的主電路方案，其閥組的電流為

根據(jù)目前可關(guān)斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的工藝水平和制造條件，如果我們選用電流和電壓等級(jí)較高且應(yīng)用成熟的一款 IEGT，耐壓等級(jí)和電流等級(jí)為4500V/1500A，其長(zhǎng)期承受的直流耐壓水平為2800V，長(zhǎng)期可靠工作的電流水平為1500A。

為了運(yùn)行的安全可靠性，必須使 IEGT的安全運(yùn)行區(qū)域有足夠大的裕量。所以，我們將每個(gè)閥組單元的交流輸入電壓定位1500V。

這樣，對(duì)35kV的鏈?zhǔn)絊TATCOM而言，如果采用“Δ型”聯(lián)接，每相需串聯(lián)的閥組單元個(gè)數(shù)為

考慮到系統(tǒng)冗余等因素，每相由26個(gè)閥組單元串聯(lián)而成，每相由2個(gè)變流鏈并聯(lián)。輸出側(cè)通過(guò)電抗器直接和35kV系統(tǒng)相聯(lián)。

因此，±200MVA的鏈?zhǔn)?STATCOM 需要 156個(gè)功率單元。

該方案是一套真正的±200MVA 的鏈?zhǔn)絊TATCOM。其特點(diǎn)是，±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM長(zhǎng)時(shí)間作為一個(gè)整體運(yùn)行，出現(xiàn)局部故障時(shí)采取降容運(yùn)行的方式（±100M）。

此外，“Δ型”聯(lián)接時(shí)，每個(gè)變流鏈的首尾兩端各需要串接一個(gè)電抗器，其目的為：

（1）STATCOM為有源補(bǔ)償方式，其輸出端的電壓受STATCOM控制，且與電網(wǎng)電壓存在一定區(qū)別，中間必須通過(guò)電抗器緩沖。

（2）當(dāng)變流鏈的一端接地時(shí)，采用2個(gè)電抗器更能有效地保護(hù)閥組。

1.3 兩種聯(lián)接方式的技術(shù)性能比較

根據(jù)上述方案的分析可以發(fā)現(xiàn)，“Y型”聯(lián)接和“Δ型”聯(lián)接各有特點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 “Y型”聯(lián)接和“Δ型”聯(lián)接的比較

這里需進(jìn)一步說(shuō)明的是，在系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)的條件下，“Y型”和“Δ型”聯(lián)接兩種方式STATCOM的補(bǔ)償特性完全一樣。

為更好的對(duì)比兩種聯(lián)接方式的異同從控制和可靠性角度進(jìn)行更詳盡的分析比較。下圖為鏈?zhǔn)絊TATCOM的Y型連接示意圖和三角形連接示意圖。對(duì)于△型連接方式，每相換流鏈直接并聯(lián)于相應(yīng)的兩線之間，所承受的電壓是確定的線電壓UL。

對(duì)于Y型連接方式，換流鏈的中點(diǎn)是懸浮的，所以每個(gè)換流鏈所承受的電壓并不是完全確定的。如果不施加額外控制措施，當(dāng)在穩(wěn)態(tài)情況且系統(tǒng)電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，各換流鏈所承受的電壓基本是相電壓，即承受0.577×UL的電壓。但是當(dāng)處于暫態(tài)過(guò)程或系統(tǒng)電壓不對(duì)稱(chēng)的情況下，由于中點(diǎn)電位的不確定性，Y型連接方式的各相換流鏈所承受電壓也有很大不確定性。在這方面，△型連接和Y型連接的比較主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

圖1 兩種不同的聯(lián)接形式

1） 換流鏈可能承受的最大電壓

如下圖所示，對(duì)于Y型連接方式，由于三相換流鏈中點(diǎn)是懸浮的，對(duì)于一組確定的三相線電壓（三角形相量），隨著 Y型中點(diǎn)的移動(dòng)，各換流鏈電壓相量（內(nèi)部Y型相量）可能是如圖中所示中的任意一組。

圖2 Y型連接方式的換流鏈電壓相量圖

一般來(lái)說(shuō)絕大多數(shù)故障都是不對(duì)稱(chēng)故障?？紤]到相間短路或相間短路對(duì)地故障，可能引起系統(tǒng)線電壓的不對(duì)稱(chēng)隨著系統(tǒng)線電壓的不對(duì)稱(chēng)，Y型方式換流鏈中點(diǎn)也將隨之移動(dòng)。如果沒(méi)有額外的有效控制措施，換流鏈上可能出現(xiàn)的最大電壓需要按線電壓考慮，也就是每個(gè)換流鏈的電壓裕量需按倍設(shè)計(jì)。

對(duì)于△型連接，各換流鏈直接承受系統(tǒng)線電壓。若不考慮斷線等情況所引起的系統(tǒng)過(guò)壓，只考慮各種短路故障，在系統(tǒng)電壓不對(duì)稱(chēng)期間△型連接時(shí)不需考慮額外電壓裕量。

所以從換流鏈可能承受的最大電壓來(lái)說(shuō)，由于必須考慮系統(tǒng)故障期間的系統(tǒng)電壓不對(duì)稱(chēng)的所帶來(lái)影響，對(duì)于Y型方式換流鏈的電壓裕量最大需按倍設(shè)計(jì)，而△型連接在這方面不需要考慮電壓裕量。如果 Y型方式換流鏈電壓按倍設(shè)計(jì)，實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到△型方式的換流鏈電壓，而所承受電流又是Y型方式的倍，在經(jīng)濟(jì)上并不合算。

2） 裝置可控性的風(fēng)險(xiǎn)

換流鏈所承受的電壓實(shí)際上主要反映在換流鏈的直流電壓。可以采取額外的措施控制換流鏈直流側(cè)電壓，一般情況下都是采用如下圖所示的PI控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)換流鏈直流電壓控制，即通過(guò)給定的直流電壓和實(shí)際直流電壓（或、）等進(jìn)行比較，得到各相換流鏈的有功電流分量、、等。

圖3 換流鏈直流電壓控制環(huán)節(jié)

但是，由于Y型方式和△型方式結(jié)構(gòu)的不同，在實(shí)現(xiàn)換流鏈直流電壓控制時(shí)也面臨不同的難度。下圖所示分別為△型方式和Y型方式的等效系統(tǒng)模型圖。

可以看出，由于△型連接方式的特點(diǎn)，各換流鏈電流可獨(dú)立控制；三相電流可形成一個(gè)零序分量i0，即換流鏈的環(huán)內(nèi)電流。

圖4 兩種聯(lián)接形式的等效系統(tǒng)模型圖

對(duì)于 Y型連接方式，由于必須滿足約束條件ia+ib+ic=0，也就意味著三相換流鏈中只有兩相換流鏈的電流是可以獨(dú)立控制的，也就意味著換流鏈直流電壓控制環(huán)節(jié)中同時(shí)只有兩個(gè)換流鏈的電壓可以控制，在系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)的情況下此問(wèn)題更加嚴(yán)重。這也意味著Y型方式下?lián)Q流鏈的直流電壓控制面臨很大的困難和風(fēng)險(xiǎn)。

綜合換流鏈可能承受的最大電壓和裝置可控性的風(fēng)險(xiǎn)分析，由于三相換流鏈電流和必須為零的限制，Y型方式下?lián)Q流鏈的直流電壓控制存在困難。考慮到系統(tǒng)故障期間系統(tǒng)電壓不對(duì)稱(chēng)的所帶來(lái)影響， Y型方式換流鏈的電壓裕量最大需按倍設(shè)計(jì)。這使Y型方式在應(yīng)對(duì)不對(duì)稱(chēng)故障的應(yīng)用中存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，且經(jīng)濟(jì)上也并不合算。

系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)故障是電網(wǎng)中最常見(jiàn)的故障，“Y型”聯(lián)接的閥組相電壓必須按照線電壓來(lái)選取，而“Y型”的閥組電流是“Δ型”聯(lián)接的倍。所以，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩方面而言，“Y型”聯(lián)接不是一種好的選擇，“Δ型”聯(lián)接的方案更為適合。

采用“Δ型”聯(lián)接型式的南方電網(wǎng)±200MVA鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM現(xiàn)場(chǎng)布置圖見(jiàn)圖5。

圖5 南方電網(wǎng)±200MVA鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 結(jié)論

在確定STATCOM變流鏈的聯(lián)接方式時(shí)，如何充分發(fā)揮STATCOM對(duì)系統(tǒng)的支撐作用是我們權(quán)衡的重點(diǎn)，尤其是在系統(tǒng)故障的條件下。其次，在相同的技術(shù)指標(biāo)下，“Δ型”方案的成本并未增加。

因此，對(duì)南方電網(wǎng)35kV/±200MVA的鏈?zhǔn)絊TATCOM而言，推薦采用“Δ型”聯(lián)接的鏈?zhǔn)介y組方案。

[1]沈斐,王婭嵐.大容量STATCOM主電路結(jié)構(gòu)的分析和比較[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(8).

[2] 劉文華,姜齊榮,梁旭.±200Mvar STATCOM 總體設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(23):14-18.

[3]耿俊成,劉文華,袁志昌.鏈?zhǔn)?STATCOM 電容電壓不平衡現(xiàn)象研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(16):53-57.

[4]陳天錦,張建興,張東江.百M(fèi)VA級(jí)鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路方案設(shè)計(jì)[C].首屆全國(guó)電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議暨電能質(zhì)量行業(yè)發(fā)展論壇論文集:142-147.