高压大容量动态无功补偿装置STATCOM起动方式的研究

刘锦宁 李 旷 张海涛 姜齐荣

（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；3 清华大学，北京 100084）

随着电网结构的不断发展和负荷的不断增多，对电网的稳定性和供电的可靠性提出了更高的要求。动态无功补偿装置不仅能减小电压波动提高电网稳态情况下的稳定性，而且当系统故障时能迅速的提供电压支撑，加速故障的恢复过程，提高电网暂态的稳定性。

STATCOM 作为新一代动态无功补偿装置在输出谐波电流、性价比、响应时间以及低压时无功输出能力等方面相比SVC性能均有了很大的提升[1]。正是由于 STATCOM 的这些特点，高压大容量的STATCOM 在电网中的应用将越来越多，以提高系统暂态的稳定性。关于STATCOM在运行过程中的控制方法有很多文献均给出了详细的介绍和说明，而关于高压大容量 STATCOM 的充电和并网方式（起动方式）讨论的较少。本文结合“百 MVA级链式静止补偿器STATCOM研究及应用”科技项目的设计及现场实施情况，对STATCOM的并网起动方式进行了分析，提出了一套适合电网应用的STATCOM起动方案。

1 STATCOM的组成

目前，高压大容量STATCOM从可靠性和实现难度等方面考虑一般采用链式结构，三角形接法(如图1所示)。一方面可以将电压等级提高，另一方面使STATCOM可以应对电网的不平衡故障。一般高压大容量链式STATCOM主要由连接电抗器、换流链、冷却系统和控制系统等组成。其中最重要的是换流链，它是STATCOM实现无功输出的关键。换流链是由多个功率单元串联而成，根据不同的电压等级串联相应个数的功率单元。根据链式STATCOM 的控制原理，每个功率单元可以等效成一个受控电压源，从而每个换流链通过叠加可以生成更高的电压。通过控制换流链输出电压的幅值和相位，达到控制无功输出和稳定直流电压的目的[2]。链式STATCOM结构如图1所示。

图1 链式STATCOM的结构

在STATCOM运行阶段通过特定的直流平衡控制，可以保持直流电压在一定范围内波动[3]。而在STATCOM 起动阶段，直流侧电压为零，而且此时与电网处于断开状态。为了避免投入瞬间对电网以及设备造成巨大冲击，应当对直流侧电容进行预充电操作，将 STATCOM 直流电压稳定在一定值[4]。由于在电网中应用的STATCOM电压等级和容量均比较大，所以在起动阶段如何确定设备的正常，减小电网的风险也是需要考虑的问题。

2 STATCOM起动方式

在 STATCOM 正式运行输出无功之前，STATCOM 首先要进行直流电容充电过程。对直流电容充电目前一般采用两种方法：自励和他励方式。自励一般是通过增加限流电阻，利用电网进行充电操作。其直流电容的充电能量来自于和 STATCOM相连的高压电网。具体原理如图2所示[4]。

图2 自励方式充电方式

初始时，断路器（QF1）和接触器（K1）均于断开状态。当对直流电容器充电时，QF1闭合通过限流电阻对电容器充电，此时每个功率单元处于整流状态，持续一段时间后K1闭合将限流电阻旁路，此时又对电容器进行一次充电，最终稳定在一电压值。

此方式通过限流电阻来减小充电电流，从而减小对设备的冲击。限流电阻的选择需要考虑充电功率以及充电电压。电阻越大充电功率越小，而 K1闭合时的冲击电流就会大；电阻越小充电功率越大，充电电流也越大。对于高压大容量STATCOM来说，由于STATCOM容量和电压等级较高，接触器和限流电阻的选择较困难，所以一般应用在低压小容量STATCOM。而且设备在与电网相连前很难做试验验证设备的可靠性，对于首次投运增大了 STATCOM起动的风险，对以后的调试维护带来困难。

他励方式一般是在STATCOM与电网相连之前，通过外界电源给直流电容进行充电。其原理如下：

首先通过专用的充电模块将低压电源变成高频的交流信号，然后通过隔离变压器将能量传递给功率单元，然后经整流后给电容充电。

他励方式在STATCOM并网前即对电容进行充放电操作，可以验证直流电容的完整性。同时还可以进行触发试验，使STATCOM的换流链输出与电网电压同相位的电压，来验证功率单元是否可以正确触发，控制系统的是否正常以及整个功率部分耐压情况。自励方式更适合高压大容量STATCOM的应用，不仅提高了设备投运的成功率，而且减小对电网的影响。他励方式充电方式如图3所示。

图3 他励方式充电方式

他励充电完成后，有两种并网方式：一种是STATCOM进行触发，使STATCOM输出的端电压与电网电压同幅值且同相位，这样使得并网时冲击最小，并网成功后立即转为运行状态进行无功补偿；另一种是封锁STATCOM触发脉冲，在并网成功后再根据情况运行 STATCOM。第一种方式对控制系统要求较高，实现难度较大。首先电网电压实时在波动，保证完全一致比较困难，所以并网时会有一定冲击电流，其次并网成功后存在控制模式切换的过程。第二种方式如果充电电压比较高，那么冲击电流很小。并网后，通过观察功率单元直流电压之间的区别可以测试功率单元静态均压效果，可以及时发现问题，为检修维护提供便利。

经过以上对比分析，在电网应用的 STATCOM起动时的方案应该为：

1）采用他励方式对电容进行充电，充电电压为三分之一额定电压。观察功率单元的电压的一致性，从而反映直流电容的情况。

2）进行触发试验，测试换流链输出电压与电网电压的相位是否一致，可以验证控制系统以及功率器件是否正常触发。

3） 测试三角形内部换流验证STATCOM三相输出电压的对称性。

4）采用他励方式对电容进行充电，充电电压额定电压或略小于额定电压，并进行触发试验，验证相关设备的耐压情况。

5）采用封锁脉冲方式并网，观察功率单元直流电压，测试功率单元静态均压效果。

经过以上步骤后，STATCOM 的功率单元主要组成部分均经过试验考核，为STATCOM的运行提供了保证。

“百MVA级链式静止补偿器STATCOM研究及应用”科技项目在 500kV东莞站试点安装的±200MVA STATCOM 的起动方式正是采用上述方式，在STATCOM的低压调试和系统调试中起动过程平稳，性能安全可靠。

3 结论

根据链式 STATCOM 的结构和原理，分析了STATCOM 几种起动方式，比较了它们的优缺点，从提高设备的可靠性和STATCOM运行维护的便利性等角度提出了适合高压大容量STATCOM起动运行的方案，并在500kV东莞站STATCOM调试中得到充分验证，极大的提高了设备可靠率，减小了设备对电网的风险。

[1]刘文华,宋强,滕乐天.无暂态电压稳定与新型动态无功补偿装置[J].电工技术学报,22(7),2007.

[2]郑红平.链式STATCOM系统与控制及诊断保护的研究[D].镇江:江苏大学,2005.

[3]刘文华,宋强,滕乐天.基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J].中国电机工程学报, 2004,24(4).

[4]刘书铭,郭春林,徐永海.并联型电能质量调节装置的起动充能策略研究[J].电力系统保护与控制, 2009,37(22).