靜止同步補償器裝置在電力系統中的應用研究

孫江平

(上海電力設計院有限公司,上海 200025)

江蘇南部電網負荷密度高、本地電源相對缺乏、通過6回500 kV交流線路和1回±800 kV直流線路從系統受電，動態無功支撐能力不足，存在直流閉鎖、系統電壓失穩等風險，進而導致系統電壓的崩潰。大規模的靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM)裝置可以快速地吸收或者發出滿足要求的無功電流，在電力系統發生電壓故障時，可以快速地提供電壓支撐，防止系統電壓崩潰[1-2]。為提高交流電網故障切除后系統電壓恢復速度，降低直流閉鎖概率，支撐直流快速恢復，提高蘇州南部電網安全穩定水平，蘇州南部電網增加動態無功裝置是必要的。

1 STATCOM裝置介紹

經過系統研究得出，本項目中設置總容量為±300 Mvar的STATCOM裝置，共配置3套，每套±100 Mvar。每套STATCOM裝置由3個換流鏈組成，采用三角形連接方案，每個換流鏈為一相，由27個H橋功率模塊首尾串聯而成，STATCOM裝置組成原理圖如圖1所示。

2 STATCOM方案設計

2.1 STATCOM裝置的組成

STATCOM裝置采用集裝箱布置方案，STATCOM成套系統包含以下設備：連接電抗器；功率閥組；啟動裝置；水冷系統；控制保護系統。

(1)連接電抗器。STATCOM的輸出通過連接電抗器直接接入35 kV系統側，可以實現能量緩沖，降低輸出電流紋波。

(2)功率閥組。功率閥組是STATCOM系統的基本組成單元，由大功率電力電子器件IGBT及其驅動電路、支撐電容、控制板卡及相關附屬器件等組成。STATCOM功率閥組拓撲采用級聯H橋式結構，每相由若干個功率閥組組成，配置冗余功率單元，采取必要的故障后冗余控制策略，可滿足“N-1”或者“N-2”的安全運行要求。

(3)啟動裝置。STATCOM系統在啟動時需要先對功率閥組直流側電容進行充電，啟動裝置用以減小充電電流，降低對系統的沖擊。啟動裝置的原理圖如圖2所示，主要由充電限流電阻R和旁路開關1KM組成。啟動時先通過限流電阻R對SVG系統的直流側電容進行充電，待電容電壓達到預定值之后閉合旁路開關1KM后即可進入解鎖并網狀態[3]。

2.2 STATCOM功率器件選型

當前可供選擇的高壓、大功率電力電子器件有IGBT和IGCT方案，由于IGCT是由電流脈沖驅動的，驅動功率比較大。IGBT具有驅動功率較低，開關損耗小，開關速度快的特點[4-5]，最終選用IGBT作為本項目的開關器件。

2.2.1 IGBT 額定電壓的選擇

本項目接入系統的母線電壓為35 kV，最高電壓為40.5 kV。本工程每相的換流鏈由27個H橋串聯組成，其中3個為冗余配置，因此每個H橋平均耐受電壓：

本工程選用的IGBT斷態不重復峰值電壓：4.50 kV，大于2.39 kV，滿足本工程要求。

2.2.2 IGBT額定電流的選擇

本工程單套STATCOM裝置的容量為±100 Mvar，則換流鏈H橋的電流：

100 000/3/35≈952.4 A

本工程選用的IGBT通態平均電流：1 500 A，大于952.4 A，滿足本工程要求。

3 工程應用方案

3.1 工程主接線方案

現階段STATCOM裝置的最高電壓等級為35 kV，但WJ變電站35 kV無功設備場地和主變低壓側容量不能滿足接入本期STATCOM裝置的要求。因此，本工程STATCOM裝置電壓等級采用35 kV，并通過雙繞組的聯接變壓器將STATCOM裝置接入WJ變電站220 kV系統。

考慮到現階段設備制造水平及運行經驗，本工程STATCOM裝置采用3組±100 Mvar的配置方案。主接線示意圖如圖3和圖4所示[6-7]。

3.2 STATCOM裝置布置方案

STATCOM裝置的閥組可采用閥廳布置和集裝箱布置兩種方案，由于集裝箱結構的STATCOM裝置各子系統的組裝和調試可由廠家在工廠完成，現場的安裝、調試工作量和難度將大大減少，整套設備的安全性和可靠性也會大大提高。因此，本工程推薦采用集裝箱布置方案。

本期工程擬在WJ變電站圍墻外220 kV配電裝置的西側，新增征地建設STATCOM裝置，本期新增征地約64.4 m×127 m。WJ變電站改造前布置圖如圖5所示，本工程STATCOM裝置布置及斷面圖如圖6至圖9所示。

本工程STATCOM裝置的換流鏈安裝在集裝箱內，采用水冷方案，換流鏈安裝效果圖如圖10所示。

整套STATCOM裝置布置效果圖如圖11所示。

4 結語

基于蘇州南部WJ變電站的動態無功加強工程，詳細介紹了STATCOM裝置的構成、工作原理和設計方案，討論了WJ變電站STATCOM裝置的設備選型、主接線方案和總平面布置。本文介紹的主接線設計和布置方案，對大容量STATCOM裝置在電力系統中的應用提供了很好地借鑒。