±200MVA链式静止补偿器STATCOM的主电路联接型式分析

杨 程 李 旷 张海涛 何 师 侯小平

（1.广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523120；2. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051）

中国南方电网是我国目前惟一的交直流并联运行的超高压、远距离、大容量互联电网，根据南方电网的实际情况，高压大功率变流器及静止补偿器STATCOM直挂电压等级为35kV，容量为±200MVar。

STATCOM（Static Synchronous Compensator），即静止同步补偿器，又称SVG（Static Var Generator），即静止无功发生器，专指由自换相的电力半导体桥式变流器进行动态无功补偿的装置。

对南方电网35kV/±200MVA的链式STATCOM而言，整个系统的可靠性是建立在主电路（阀组）的可靠性之上的。也就是说，没有可靠工作的阀组这一坚实基础，整个系统的可靠性也就变成了空中楼阁而无从谈起了。

因此，在南方电网35kV/±200MVA链式STATCOM的主电路方案设计过程中，系统可靠性是我们重点关注的核心问题之一。

1 联接型式

从电路拓扑来讲，对三相链式STATCOM而言，系统有两种联接型式，即“Y型”联接和“Δ型”联接。

对确定的电压等级和容量等级而言，“Y型”联接和“Δ型”联接的主要区别是阀组承受的电压等级和电流等级不同。因此，对阀组的半导体开关器件的数量、电流等级的选择等方面就存在一些区别，且在工程实施时的难度和占地面积的略有不同。通常，“Y型”联接的占地面积往往略小。此外，两种联接方式的成本也可能略有差别。

1.1 “Y型”联接

对±200MVA的链式STATCOM，当系统电压为35kV时，STATCOM的最大线电流为

根据目前可关断半导体开关器件的工艺水平和制造条件，单管的工作电流还无法达到3300A的水平。因此，必须靠开关器件或阀组的并联来实现较大的工作电流。

如果采用开关器件并联，一套±200MVA的链式STATCOM总共由3相链式阀组构成。即使采用冗余性设计，从理论上讲，当1相阀组发生故障时，整套STATCOM必须从系统退出运行。

如果采用链式阀组并联，一套±200MVA的链式STATCOM总共由6套链式阀组构成。当1相阀组发生故障时，至少还有3套链式阀组构成的系统还能正常运行，整套STATCOM不必全部退出运行，虽然此时系统容量会减半。

因此，采用链式阀组并联的方案比采用开关器件简单并联的方式更可靠。

所以，对一套±200MVA的链式STATCOM，采用6套链式阀组的主电路方案，其阀组的电流为

根据目前可关断半导体开关器件的工艺水平和制造条件，如果我们选用电流和电压等级较高且应用成熟的一款 IEGT，耐压等级和电流等级为4500V/2100A，其长期承受的直流耐压水平为2800V，长期可靠工作的电流水平为2100A。

为了运行的安全可靠性，必须使 IEGT的安全运行区域有足够大的裕量。所以将每个阀组单元的交流输入电压定为 1500V，每个 IEGT的最大工作电流有效值为2100A。

这样，对35kV的链式STATCOM而言，如果采用“Y型”联接，每相需串联的阀组单元个数为

考虑到系统冗余等因素，每相由16个阀组单元串联而成，每相由2个变流链并联。输出侧通过电抗器直接和35kV系统相联。

因此，±200MVA的链式STATCOM需要96个功率单元。

1.2 “Δ 型”联接

对±200MVA的链式STATCOM，当系统电压为35kV时，STATCOM的最大线电流为

根据目前可关断半导体开关器件的工艺水平和制造条件，单管的长期稳定工作电流要达到 1900A的水平，同时考虑到过流运行系数，单个器件也是很难实现的。因此，必须靠开关器件或阀组的并联来实现较大的工作电流。

与“Y型”联接的方式类似，从系统可靠性的角度考虑，采用链式阀组并联的方案比采用开关器件简单并联的方式更可靠。

所以，对一套±200MVA的链式 STATCOM 而言，如果采用6套链式阀组的主电路方案，其阀组的电流为

根据目前可关断半导体开关器件的工艺水平和制造条件，如果我们选用电流和电压等级较高且应用成熟的一款 IEGT，耐压等级和电流等级为4500V/1500A，其长期承受的直流耐压水平为2800V，长期可靠工作的电流水平为1500A。

为了运行的安全可靠性，必须使 IEGT的安全运行区域有足够大的裕量。所以，我们将每个阀组单元的交流输入电压定位1500V。

这样，对35kV的链式STATCOM而言，如果采用“Δ型”联接，每相需串联的阀组单元个数为

考虑到系统冗余等因素，每相由26个阀组单元串联而成，每相由2个变流链并联。输出侧通过电抗器直接和35kV系统相联。

因此，±200MVA的链式 STATCOM 需要 156个功率单元。

该方案是一套真正的±200MVA 的链式STATCOM。其特点是，±200MVA的链式STATCOM长时间作为一个整体运行，出现局部故障时采取降容运行的方式（±100M）。

此外，“Δ型”联接时，每个变流链的首尾两端各需要串接一个电抗器，其目的为：

（1）STATCOM为有源补偿方式，其输出端的电压受STATCOM控制，且与电网电压存在一定区别，中间必须通过电抗器缓冲。

（2）当变流链的一端接地时，采用2个电抗器更能有效地保护阀组。

1.3 两种联接方式的技术性能比较

根据上述方案的分析可以发现，“Y型”联接和“Δ型”联接各有特点，见表1。

表1 “Y型”联接和“Δ型”联接的比较

这里需进一步说明的是，在系统对称的条件下，“Y型”和“Δ型”联接两种方式STATCOM的补偿特性完全一样。

为更好的对比两种联接方式的异同从控制和可靠性角度进行更详尽的分析比较。下图为链式STATCOM的Y型连接示意图和三角形连接示意图。对于△型连接方式，每相换流链直接并联于相应的两线之间，所承受的电压是确定的线电压UL。

对于Y型连接方式，换流链的中点是悬浮的，所以每个换流链所承受的电压并不是完全确定的。如果不施加额外控制措施，当在稳态情况且系统电压对称时，各换流链所承受的电压基本是相电压，即承受0.577×UL的电压。但是当处于暂态过程或系统电压不对称的情况下，由于中点电位的不确定性，Y型连接方式的各相换流链所承受电压也有很大不确定性。在这方面，△型连接和Y型连接的比较主要体现在两个方面：

图1 两种不同的联接形式

1） 换流链可能承受的最大电压

如下图所示，对于Y型连接方式，由于三相换流链中点是悬浮的，对于一组确定的三相线电压（三角形相量），随着 Y型中点的移动，各换流链电压相量（内部Y型相量）可能是如图中所示中的任意一组。

图2 Y型连接方式的换流链电压相量图

一般来说绝大多数故障都是不对称故障。考虑到相间短路或相间短路对地故障，可能引起系统线电压的不对称随着系统线电压的不对称，Y型方式换流链中点也将随之移动。如果没有额外的有效控制措施，换流链上可能出现的最大电压需要按线电压考虑，也就是每个换流链的电压裕量需按倍设计。

对于△型连接，各换流链直接承受系统线电压。若不考虑断线等情况所引起的系统过压，只考虑各种短路故障，在系统电压不对称期间△型连接时不需考虑额外电压裕量。

所以从换流链可能承受的最大电压来说，由于必须考虑系统故障期间的系统电压不对称的所带来影响，对于Y型方式换流链的电压裕量最大需按倍设计，而△型连接在这方面不需要考虑电压裕量。如果 Y型方式换流链电压按倍设计，实际上已经达到△型方式的换流链电压，而所承受电流又是Y型方式的倍，在经济上并不合算。

2） 装置可控性的风险

换流链所承受的电压实际上主要反映在换流链的直流电压。可以采取额外的措施控制换流链直流侧电压，一般情况下都是采用如下图所示的PI控制环节实现换流链直流电压控制，即通过给定的直流电压和实际直流电压（或、）等进行比较，得到各相换流链的有功电流分量、、等。

图3 换流链直流电压控制环节

但是，由于Y型方式和△型方式结构的不同，在实现换流链直流电压控制时也面临不同的难度。下图所示分别为△型方式和Y型方式的等效系统模型图。

可以看出，由于△型连接方式的特点，各换流链电流可独立控制；三相电流可形成一个零序分量i0，即换流链的环内电流。

图4 两种联接形式的等效系统模型图

对于 Y型连接方式，由于必须满足约束条件ia+ib+ic=0，也就意味着三相换流链中只有两相换流链的电流是可以独立控制的，也就意味着换流链直流电压控制环节中同时只有两个换流链的电压可以控制，在系统不对称的情况下此问题更加严重。这也意味着Y型方式下换流链的直流电压控制面临很大的困难和风险。

综合换流链可能承受的最大电压和装置可控性的风险分析，由于三相换流链电流和必须为零的限制，Y型方式下换流链的直流电压控制存在困难。考虑到系统故障期间系统电压不对称的所带来影响， Y型方式换流链的电压裕量最大需按倍设计。这使Y型方式在应对不对称故障的应用中存在技术风险，且经济上也并不合算。

系统不对称故障是电网中最常见的故障，“Y型”联接的阀组相电压必须按照线电压来选取，而“Y型”的阀组电流是“Δ型”联接的倍。所以，从技术和经济性两方面而言，“Y型”联接不是一种好的选择，“Δ型”联接的方案更为适合。

采用“Δ型”联接型式的南方电网±200MVA链式静止补偿器STATCOM现场布置图见图5。

图5 南方电网±200MVA链式静止补偿器STATCOM现场布置图

2 结论

在确定STATCOM变流链的联接方式时，如何充分发挥STATCOM对系统的支撑作用是我们权衡的重点，尤其是在系统故障的条件下。其次，在相同的技术指标下，“Δ型”方案的成本并未增加。

因此，对南方电网35kV/±200MVA的链式STATCOM而言，推荐采用“Δ型”联接的链式阀组方案。

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