蘇州地區(qū)STATCOM 工程可行性研究

國(guó)網(wǎng)江蘇檢修公司蘇州運(yùn)維站 謝 吉

靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator, 簡(jiǎn)稱STATCOM）是當(dāng)今無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。本文以蘇州南部電網(wǎng)存在問(wèn)題為抓手，通過(guò)對(duì)STATCOM的技術(shù)性能、無(wú)功補(bǔ)償效果、裝置配置方式的闡述，循序漸進(jìn)地證明了STATCOM裝置在蘇州500千伏吳江變安裝的必要性和重要性，本文還對(duì)STATCOM工程的原理和方案進(jìn)行了介紹。

引言：蘇州南部地區(qū)電源較少，負(fù)荷較大，需要外部電網(wǎng)的潮流輸送以滿足供用電平衡，目前依靠 6回 500kV 交流線路和1回±800kV 直流通道送電，交直流通道潮流較重。一旦發(fā)生電網(wǎng)故障易引起潮流轉(zhuǎn)移產(chǎn)生無(wú)功電壓?jiǎn)栴}，從而造成無(wú)功損耗巨大無(wú)法支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，其中特高壓錦蘇直流的存在是導(dǎo)致蘇南電網(wǎng)易電壓過(guò)低、暫態(tài)失穩(wěn)的根本原因。蘇州南部電網(wǎng)在快速無(wú)功響應(yīng)方面尚不能滿足要求，存在安全穩(wěn)定隱患，因此需在蘇州南部電網(wǎng)考慮裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以提供快速無(wú)功控制，可在防止系統(tǒng)電壓崩潰、提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、減少換流站換相失敗次數(shù)、減少換流站換相失敗時(shí)間、提高電網(wǎng)電能質(zhì)量等方面起到顯著的作用。

1.蘇州南部電網(wǎng)無(wú)功電壓存在問(wèn)題解決措施

一般改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的途徑有加強(qiáng)地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、新增電源和安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置三種，由于蘇州南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、新建 500千伏線路走廊的難度較大，而新建電源又存在較大不確定性，因此選擇安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要包括SVC和STATCOM，技術(shù)性能比較如表1所示。 可見(jiàn)，STATCOM的技術(shù)性能優(yōu)于SVC，可更大程度地維護(hù)無(wú)功平衡與電壓穩(wěn)定，有利于減少電壓波動(dòng)，從而減少直流的換相失敗。

表1 動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置技術(shù)性能比較

2.系統(tǒng)故障后STATCOM裝置無(wú)功補(bǔ)償效果分析

2.1 故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定

當(dāng)在蘇州南部電網(wǎng)中加裝STATCOM裝置后，能迅速抑制電壓曲線波動(dòng)，鎮(zhèn)定電壓的振蕩，使曲線平穩(wěn)，同時(shí)能減少換流站換相失敗次數(shù)以及換相失敗時(shí)間。

2.2 故障后暫態(tài)穩(wěn)定但電壓質(zhì)量較差

以錦蘇直流閉鎖故障為例，當(dāng)在蘇州南部電網(wǎng)中加裝STATCOM裝置后，故障瞬間的電壓躍變有明顯改善，由于換流站內(nèi)無(wú)功投切延遲，直流閉鎖之后系統(tǒng)電壓有一個(gè)瞬間提升后驟降的過(guò)程，安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置前，吳江變母線最高電壓1.07pu，最低0.86pu，安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，吳江站母線最高電壓1.05pu，最低 0.88pu，較安裝前對(duì)電壓越變有明顯的改善。 故障后幾秒STATCOM裝置有明顯的系統(tǒng)電壓支撐作用，吳江變300周波恢復(fù)電壓由0.888pu上升至0.901pu，約提升 10kV。電壓曲線如圖1所示。

圖1 錦蘇直流閉鎖，吳江變輸出電壓曲線

2.3 最嚴(yán)重的暫態(tài)失穩(wěn)情況

以檢修方式下N-2故障為例，當(dāng)在蘇州南部電網(wǎng)中加裝STATCOM裝置后，故障后STATCOM裝置能立即響應(yīng)輸出無(wú)功維持系統(tǒng)穩(wěn)定，挽救系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)。電壓曲線如圖2所示。

圖2 檢修方式下N-2故障，吳江變輸出電壓曲線

綜上所述，STATCOM裝置可以在不同程度的系統(tǒng)故障后快速響應(yīng)，發(fā)出動(dòng)態(tài)無(wú)功，維持系統(tǒng)電壓水平。裝置的效果可 體現(xiàn)為提升系統(tǒng)恢復(fù)電壓、減少直流換相失敗次數(shù)、減少系統(tǒng)電壓低于0.7pu的持續(xù)時(shí)間等。

3.STATCOM裝置配置方式研究

3.1 安裝地點(diǎn)選擇

直流閉鎖后，如選擇在吳江變安裝STATCOM裝置，吳江、木瀆、同里的電壓均提升最多，車坊的電壓提升也很明顯；而選擇在木瀆變安裝STATCOM裝置，各站的電壓均提升最少，效果并不明顯。究其原因，木瀆變和車坊變位于蘇南對(duì)外聯(lián)絡(luò)通道上，正常潮流方式下通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道和直流輸送電力，而吳江位于最南部，負(fù)荷最重時(shí)主要靠直流輸送電力。無(wú)論是直流還是交流故障導(dǎo)致直流閉鎖大功率失去后，木瀆和車坊可先于吳江得到支援、減少無(wú)功損耗，所以蘇南地區(qū)安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)選擇500千伏吳江變。

3.2 配置容量分析

針對(duì)最嚴(yán)重的暫態(tài)失穩(wěn)情況進(jìn)行分析，蘇州南部地區(qū)故障后使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置最小容量如表2所示。由此可知，為改善蘇州南部地區(qū)電壓穩(wěn)定情況，滿足各類故障的要求，2018年需配置 300Mvar STATCOM裝置，并留有遠(yuǎn)景擴(kuò)建可能。

表2 2018年蘇州南部電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.3 安裝方式選擇

STATCOM裝置可選擇通過(guò)二繞組變壓器直接接入母線高壓側(cè)（直掛式）、中壓側(cè)（直掛式）或者安裝在主變低壓側(cè)，根據(jù)吳江站的實(shí)際情況，主變低壓側(cè)已經(jīng)沒(méi)有位置，無(wú)功補(bǔ)償裝置需選擇直掛式安裝。以直流閉鎖故障為例分析，電壓曲線如圖3所示，通過(guò)吳江站電壓恢復(fù)情況可以看出，直掛220kV與直掛500kV方式均使恢復(fù)電壓提升，恢復(fù)值直掛220kV比直掛500kV 略優(yōu)。

圖3 直流閉鎖時(shí)，直掛220kV與直掛500kV方式輸出電壓比較

4.500千伏吳江變STATCOM工程方案

在吳江變裝設(shè)3組STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，單組STATCOM可調(diào)的無(wú)功范圍為-100Mvar至+100Mvar，3組STATCOM接在新增的35kV母線上，并通過(guò)專用變壓器接入220千伏母線。單套STATCOM關(guān)鍵設(shè)備由換流器、連接電抗器、啟動(dòng)回路、控制保護(hù)系統(tǒng)及閥冷系統(tǒng)組成。換流器采用基于IGBT的模塊化多電平電氣拓?fù)洹⒘⑹郊砷y塔結(jié)構(gòu)、集裝箱布置，冷卻方式為高效成熟的水-風(fēng)冷卻方式。其中，國(guó)產(chǎn)3300V電壓等級(jí)IGBT在百兆乏級(jí)STATCOM中為首次應(yīng)用。

換流器每相為一個(gè)獨(dú)立集裝箱，三相之間通過(guò)電抗器構(gòu)成角型聯(lián)接，每相閥塔分為三層，每層分為兩個(gè)閥段，每層共14個(gè)功率單元，單相閥塔共計(jì)42個(gè)功率單元，如圖4所示。

圖4 單相閥塔實(shí)物外形

5.結(jié)論

蘇州南部地區(qū)加裝STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，無(wú)論是較輕的故障或是較嚴(yán)重的故障，均能抑制電壓曲線的波動(dòng)，鎮(zhèn)定電壓的振蕩，同時(shí)提高附近500千伏站點(diǎn)的長(zhǎng)過(guò)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行電壓。江蘇作為全國(guó)的多饋入交直流受端電網(wǎng)，今后區(qū)外來(lái)電將不斷增加，長(zhǎng)期存在電網(wǎng)安全穩(wěn)定隱患，蘇州500千伏吳江變STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功設(shè)備的裝設(shè)將成為江蘇大受端電網(wǎng)快速無(wú)功響應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備。