高壓大容量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置STATCOM起動(dòng)方式的研究

劉錦寧 李 曠 張海濤 姜齊榮

（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；3 清華大學(xué)，北京 100084）

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和負(fù)荷的不斷增多，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性提出了更高的要求。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置不僅能減小電壓波動(dòng)提高電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)情況下的穩(wěn)定性，而且當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)能迅速的提供電壓支撐，加速故障的恢復(fù)過程，提高電網(wǎng)暫態(tài)的穩(wěn)定性。

STATCOM 作為新一代動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在輸出諧波電流、性價(jià)比、響應(yīng)時(shí)間以及低壓時(shí)無功輸出能力等方面相比SVC性能均有了很大的提升[1]。正是由于 STATCOM 的這些特點(diǎn)，高壓大容量的STATCOM 在電網(wǎng)中的應(yīng)用將越來越多，以提高系統(tǒng)暫態(tài)的穩(wěn)定性。關(guān)于STATCOM在運(yùn)行過程中的控制方法有很多文獻(xiàn)均給出了詳細(xì)的介紹和說明，而關(guān)于高壓大容量 STATCOM 的充電和并網(wǎng)方式（起動(dòng)方式）討論的較少。本文結(jié)合“百 MVA級鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM研究及應(yīng)用”科技項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場實(shí)施情況，對STATCOM的并網(wǎng)起動(dòng)方式進(jìn)行了分析，提出了一套適合電網(wǎng)應(yīng)用的STATCOM起動(dòng)方案。

1 STATCOM的組成

目前，高壓大容量STATCOM從可靠性和實(shí)現(xiàn)難度等方面考慮一般采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，三角形接法(如圖1所示)。一方面可以將電壓等級提高，另一方面使STATCOM可以應(yīng)對電網(wǎng)的不平衡故障。一般高壓大容量鏈?zhǔn)絊TATCOM主要由連接電抗器、換流鏈、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中最重要的是換流鏈，它是STATCOM實(shí)現(xiàn)無功輸出的關(guān)鍵。換流鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)功率單元串聯(lián)而成，根據(jù)不同的電壓等級串聯(lián)相應(yīng)個(gè)數(shù)的功率單元。根據(jù)鏈?zhǔn)絊TATCOM 的控制原理，每個(gè)功率單元可以等效成一個(gè)受控電壓源，從而每個(gè)換流鏈通過疊加可以生成更高的電壓。通過控制換流鏈輸出電壓的幅值和相位，達(dá)到控制無功輸出和穩(wěn)定直流電壓的目的[2]。鏈?zhǔn)絊TATCOM結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)絊TATCOM的結(jié)構(gòu)

在STATCOM運(yùn)行階段通過特定的直流平衡控制，可以保持直流電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)[3]。而在STATCOM 起動(dòng)階段，直流側(cè)電壓為零，而且此時(shí)與電網(wǎng)處于斷開狀態(tài)。為了避免投入瞬間對電網(wǎng)以及設(shè)備造成巨大沖擊，應(yīng)當(dāng)對直流側(cè)電容進(jìn)行預(yù)充電操作，將 STATCOM 直流電壓穩(wěn)定在一定值[4]。由于在電網(wǎng)中應(yīng)用的STATCOM電壓等級和容量均比較大，所以在起動(dòng)階段如何確定設(shè)備的正常，減小電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)也是需要考慮的問題。

2 STATCOM起動(dòng)方式

在 STATCOM 正式運(yùn)行輸出無功之前，STATCOM 首先要進(jìn)行直流電容充電過程。對直流電容充電目前一般采用兩種方法：自勵(lì)和他勵(lì)方式。自勵(lì)一般是通過增加限流電阻，利用電網(wǎng)進(jìn)行充電操作。其直流電容的充電能量來自于和 STATCOM相連的高壓電網(wǎng)。具體原理如圖2所示[4]。

圖2 自勵(lì)方式充電方式

初始時(shí)，斷路器（QF1）和接觸器（K1）均于斷開狀態(tài)。當(dāng)對直流電容器充電時(shí)，QF1閉合通過限流電阻對電容器充電，此時(shí)每個(gè)功率單元處于整流狀態(tài)，持續(xù)一段時(shí)間后K1閉合將限流電阻旁路，此時(shí)又對電容器進(jìn)行一次充電，最終穩(wěn)定在一電壓值。

此方式通過限流電阻來減小充電電流，從而減小對設(shè)備的沖擊。限流電阻的選擇需要考慮充電功率以及充電電壓。電阻越大充電功率越小，而 K1閉合時(shí)的沖擊電流就會(huì)大；電阻越小充電功率越大，充電電流也越大。對于高壓大容量STATCOM來說，由于STATCOM容量和電壓等級較高，接觸器和限流電阻的選擇較困難，所以一般應(yīng)用在低壓小容量STATCOM。而且設(shè)備在與電網(wǎng)相連前很難做試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備的可靠性，對于首次投運(yùn)增大了 STATCOM起動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，對以后的調(diào)試維護(hù)帶來困難。

他勵(lì)方式一般是在STATCOM與電網(wǎng)相連之前，通過外界電源給直流電容進(jìn)行充電。其原理如下：

首先通過專用的充電模塊將低壓電源變成高頻的交流信號，然后通過隔離變壓器將能量傳遞給功率單元，然后經(jīng)整流后給電容充電。

他勵(lì)方式在STATCOM并網(wǎng)前即對電容進(jìn)行充放電操作，可以驗(yàn)證直流電容的完整性。同時(shí)還可以進(jìn)行觸發(fā)試驗(yàn)，使STATCOM的換流鏈輸出與電網(wǎng)電壓同相位的電壓，來驗(yàn)證功率單元是否可以正確觸發(fā)，控制系統(tǒng)的是否正常以及整個(gè)功率部分耐壓情況。自勵(lì)方式更適合高壓大容量STATCOM的應(yīng)用，不僅提高了設(shè)備投運(yùn)的成功率，而且減小對電網(wǎng)的影響。他勵(lì)方式充電方式如圖3所示。

圖3 他勵(lì)方式充電方式

他勵(lì)充電完成后，有兩種并網(wǎng)方式：一種是STATCOM進(jìn)行觸發(fā)，使STATCOM輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓同幅值且同相位，這樣使得并網(wǎng)時(shí)沖擊最小，并網(wǎng)成功后立即轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行無功補(bǔ)償；另一種是封鎖STATCOM觸發(fā)脈沖，在并網(wǎng)成功后再根據(jù)情況運(yùn)行 STATCOM。第一種方式對控制系統(tǒng)要求較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。首先電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)在波動(dòng)，保證完全一致比較困難，所以并網(wǎng)時(shí)會(huì)有一定沖擊電流，其次并網(wǎng)成功后存在控制模式切換的過程。第二種方式如果充電電壓比較高，那么沖擊電流很小。并網(wǎng)后，通過觀察功率單元直流電壓之間的區(qū)別可以測試功率單元靜態(tài)均壓效果，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為檢修維護(hù)提供便利。

經(jīng)過以上對比分析，在電網(wǎng)應(yīng)用的 STATCOM起動(dòng)時(shí)的方案應(yīng)該為：

1）采用他勵(lì)方式對電容進(jìn)行充電，充電電壓為三分之一額定電壓。觀察功率單元的電壓的一致性，從而反映直流電容的情況。

2）進(jìn)行觸發(fā)試驗(yàn)，測試換流鏈輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位是否一致，可以驗(yàn)證控制系統(tǒng)以及功率器件是否正常觸發(fā)。

3） 測試三角形內(nèi)部換流驗(yàn)證STATCOM三相輸出電壓的對稱性。

4）采用他勵(lì)方式對電容進(jìn)行充電，充電電壓額定電壓或略小于額定電壓，并進(jìn)行觸發(fā)試驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)設(shè)備的耐壓情況。

5）采用封鎖脈沖方式并網(wǎng)，觀察功率單元直流電壓，測試功率單元靜態(tài)均壓效果。

經(jīng)過以上步驟后，STATCOM 的功率單元主要組成部分均經(jīng)過試驗(yàn)考核，為STATCOM的運(yùn)行提供了保證。

“百M(fèi)VA級鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM研究及應(yīng)用”科技項(xiàng)目在 500kV東莞站試點(diǎn)安裝的±200MVA STATCOM 的起動(dòng)方式正是采用上述方式，在STATCOM的低壓調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試中起動(dòng)過程平穩(wěn)，性能安全可靠。

3 結(jié)論

根據(jù)鏈?zhǔn)?STATCOM 的結(jié)構(gòu)和原理，分析了STATCOM 幾種起動(dòng)方式，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，從提高設(shè)備的可靠性和STATCOM運(yùn)行維護(hù)的便利性等角度提出了適合高壓大容量STATCOM起動(dòng)運(yùn)行的方案，并在500kV東莞站STATCOM調(diào)試中得到充分驗(yàn)證，極大的提高了設(shè)備可靠率，減小了設(shè)備對電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]劉文華,宋強(qiáng),滕樂天.無暫態(tài)電壓穩(wěn)定與新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),22(7),2007.

[2]鄭紅平.鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)與控制及診斷保護(hù)的研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2005.

[3]劉文華,宋強(qiáng),滕樂天.基于鏈?zhǔn)侥孀兤鞯?0MVA靜止同步補(bǔ)償器的直流電壓平衡控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004,24(4).

[4]劉書銘,郭春林,徐永海.并聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的起動(dòng)充能策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009,37(22).