靜止同步補(bǔ)償器裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

孫江平

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200025)

江蘇南部電網(wǎng)負(fù)荷密度高、本地電源相對(duì)缺乏、通過(guò)6回500 kV交流線路和1回±800 kV直流線路從系統(tǒng)受電，動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力不足，存在直流閉鎖、系統(tǒng)電壓失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的崩潰。大規(guī)模的靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱STATCOM)裝置可以快速地吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，在電力系統(tǒng)發(fā)生電壓故障時(shí)，可以快速地提供電壓支撐，防止系統(tǒng)電壓崩潰[1-2]。為提高交流電網(wǎng)故障切除后系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度，降低直流閉鎖概率，支撐直流快速恢復(fù)，提高蘇州南部電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平，蘇州南部電網(wǎng)增加動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置是必要的。

1 STATCOM裝置介紹

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究得出，本項(xiàng)目中設(shè)置總?cè)萘繛椤?00 Mvar的STATCOM裝置，共配置3套，每套±100 Mvar。每套STATCOM裝置由3個(gè)換流鏈組成，采用三角形連接方案，每個(gè)換流鏈為一相，由27個(gè)H橋功率模塊首尾串聯(lián)而成，STATCOM裝置組成原理圖如圖1所示。

2 STATCOM方案設(shè)計(jì)

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(tǒng)包含以下設(shè)備：連接電抗器；功率閥組；啟動(dòng)裝置；水冷系統(tǒng)；控制保護(hù)系統(tǒng)。

(1)連接電抗器。STATCOM的輸出通過(guò)連接電抗器直接接入35 kV系統(tǒng)側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的基本組成單元，由大功率電力電子器件IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路、支撐電容、控制板卡及相關(guān)附屬器件等組成。STATCOM功率閥組拓?fù)洳捎眉?jí)聯(lián)H橋式結(jié)構(gòu)，每相由若干個(gè)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(yùn)行要求。

(3)啟動(dòng)裝置。STATCOM系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要先對(duì)功率閥組直流側(cè)電容進(jìn)行充電，啟動(dòng)裝置用以減小充電電流，降低對(duì)系統(tǒng)的沖擊。啟動(dòng)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(kāi)關(guān)1KM組成。啟動(dòng)時(shí)先通過(guò)限流電阻R對(duì)SVG系統(tǒng)的直流側(cè)電容進(jìn)行充電，待電容電壓達(dá)到預(yù)定值之后閉合旁路開(kāi)關(guān)1KM后即可進(jìn)入解鎖并網(wǎng)狀態(tài)[3]。

2.2 STATCOM功率器件選型

當(dāng)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(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)功率比較大。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率較低，開(kāi)關(guān)損耗小，開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)[4-5]，最終選用IGBT作為本項(xiàng)目的開(kāi)關(guān)器件。

2.2.1 IGBT 額定電壓的選擇

本項(xiàng)目接入系統(tǒng)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(gè)H橋串聯(lián)組成，其中3個(gè)為冗余配置，因此每個(gè)H橋平均耐受電壓：

本工程選用的IGBT斷態(tài)不重復(fù)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(tài)平均電流：1 500 A，大于952.4 A，滿足本工程要求。

3 工程應(yīng)用方案

3.1 工程主接線方案

現(xiàn)階段STATCOM裝置的最高電壓等級(jí)為35 kV，但WJ變電站35 kV無(wú)功設(shè)備場(chǎng)地和主變低壓側(cè)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(jí)采用35 kV，并通過(guò)雙繞組的聯(lián)接變壓器將STATCOM裝置接入WJ變電站220 kV系統(tǒng)。

考慮到現(xiàn)階段設(shè)備制造水平及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(jié)構(gòu)的STATCOM裝置各子系統(tǒng)的組裝和調(diào)試可由廠家在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試工作量和難度將大大減少，整套設(shè)備的安全性和可靠性也會(huì)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(cè)，新增征地建設(shè)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(nèi)，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(jié)語(yǔ)

基于蘇州南部WJ變電站的動(dòng)態(tài)無(wú)功加強(qiáng)工程，詳細(xì)介紹了STATCOM裝置的構(gòu)成、工作原理和設(shè)計(jì)方案，討論了WJ變電站STATCOM裝置的設(shè)備選型、主接線方案和總平面布置。本文介紹的主接線設(shè)計(jì)和布置方案，對(duì)大容量STATCOM裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了很好地借鑒。