35kV直挂链式静止同步补偿器的现场试验

蔡重凯，王 敏，陈晓宇，李 电，刘文华

（1.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴，312000；2.国网浙江省电力公司，杭州 310007；3.清华大学，北京 100084）

0 引言

近年来，随着GTO（大功率全控型电力电子器件）技术的日趋成熟，动态无功补偿装置技术得到了快速发展，尤其是静止同步补偿器（以下称STATCOM），由于其性能优异、技术先进、响应速度快、占地面积小等优点，在风电、冶金、煤炭、输配电等领域的应用越来越广泛。1999年3月，清华大学和河南省电力局合作开发了国内第一套基于GTO的20 Mvar STATCOM，并在洛阳220kV朝阳变电站成功投运，此后STATCOM在电力系统的应用屡有报道[1-3]。目前国内电力系统无功补偿装置多用于35kV侧，STATCOM要达到提高暂态电压稳定水平的目的，容量需达到100～200 Mvar，且一般需直接接入35kV电压母线。此前国产装置都先降压至10kV运行，限制了STATCOM的推广应用，而降压变压器的应用也增加了STATCOM的成本。2010年初，国网浙江省电力公司和清华大学合作开发基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的35kV直挂链式STATCOM，在浙江某220kV变电站成功投运，虽然容量相对偏小，仅为±8 Mvar，但是作为国际上第一套直接接入35kV系统的STATCOM，对其在电网中的推广应用意义重大。装置投入运行后，经过现场测试，各项指标均符合要求。本文着重介绍装置的基本概况和现场试验情况。

1 35kV直挂链式STATCOM概况

1.1 试点工程概况和装置接入方案

某220kV变电站地处某市经济开发区，由2台180 MVA主变压器供电，供电区域内35kV及以上大用户较多，约为120MW，并有约200MW装机容量的并网小电厂。由于小电厂出力的不稳定性，负荷变化幅度和电压波动幅度均较大。夏季负荷高峰期该变电站高压侧负荷约为160MW，春节期间在电厂基本停运情况下，负荷约60MW。另外，该变电站110kV侧有2条电气化铁路牵引变压器线路接入（电缆12 km，正常充电功率约10 Mvar），春节轻负荷时期需配置感性补偿。同时，电气化铁路牵引变压器负荷还有一定的电能质量污染，需考虑防范治理措施。

经仿真分析、理论计算论证，在该220kV变电站应用STATCOM可解决供区负荷变化幅度大，电铁性负荷易引起电压波动、电能质量污染，以及春节无功倒送等系列问题[4-5]。设计方案对变电站原有电容器组不做任何改动，仅在备用开关柜接入STATCOM。此外，摒弃以往国产装置都通过变压器降压至10kV运行的方式，创造性地采用35kV电压等级直挂方式，以减小损耗、降低成本。

如图1所示，变电站采用±8 Mvar链式STATCOM进行动态无功补偿和瞬时电压支撑，并对13次以下的谐波进行有源滤波，整套系统挂在35kVⅠ段母线侧。单独调节STATCOM，可实现无功在-8 Mvar～+8 Mvar范围内连续自动调节，保证系统轻载时不会发生无功倒送。STATCOM与并联电容器组C1（8.0 Mvar）配合进行无功补偿，可实现无功在0～16 Mvar范围调节，保证系统重负荷下的无功补偿需求。

图1 变电站STATCOM接入方案

1.2 装置构成及性能技术指标

装置采用H桥链式，星形接线方式，由启动机架、连接电抗器、链式功率单元、控制柜和冷却系统等组成，其电气接线如图2所示。

图2 220kV变电站STATCOM电气接线

启动机架由启动开关、充电电阻、隔离刀闸和接地刀闸等组成。装置的启动方式设计采用自励启动。在主开关合闸后，系统电压通过充电电阻对功率单元的直流电容进行充电，当充电电压达到额定值的80%后，控制系统闭合启动开关，将充电电阻旁路。

功率单元按照3个独立的三层构架布置，A，B，C三相各占1个构架，每相有21个链节，其中1个功率模块为冗余备用。每层功率模块底部铺环氧树脂绝缘，增加链节间绝缘的爬电距离。功率模块各层通过支持瓷瓶绝缘，整体采用玻璃钢立柱和横梁进行支撑并绝缘。功率单元中IGBT换流链将直流电压逆变成交流电压，并控制该交流电压的频率、幅值和相位，从而实现装置输出的无功调节和滤波功能；直流电容器为装置提供直流电压支撑，并对直流电压起平波作用。

装置的输出通过连接电抗器并联到系统侧。强迫风冷系统由散热风机（9台离心式风机）和风道组成。散热风道采用环氧树脂材料，保证风扇和模块的绝缘。

控制保护监测综合系统可快速检测系统的电压和无功变化，计算装置所应提供的无功容量，并据此实现触发脉冲产生和分配，以及对成套装置的分层分级保护；监测单元通过独立的采集系统对系统状态和装置运行状态进行监测，并可根据现场需要实现远程通信。

主要性能指标包括：

（1）额定电压 Un35kV。

（2）额定容量 Sn8 Mvar。

（3）容量调节范围： -8 Mvar～+8 Mvar容量范围内动态连续可调。

（4）总谐波畸变率：恒无功输出谐波电流THD（总畸变率）小于3%，滤波器滤除谐波，保证流入系统谐波含量满足国标要求。

（5）稳态控制精度小于5.0%。

（6）功率模块冗余：符合自动N-1要求。

（7）阶跃响应时间小于5 ms。

（8）电压暂态跌落全响应时间小于10 ms。

（10）装置绝缘水平： AC 95kV。

（11）装置损耗小于1%。

1.3 STATCOM的控制策略

变电站的无功电压调节由VQC（电能质量控制）系统完成，实现电容器组机械投切的自动控制。STATCOM接入后，与VQC同目标独立控制协调运行，不纳入VQC控制范围，对VQC来说等效为一个快速波动的小无功电源。此方案的优点是可充分发挥STATCOM大大快于VQC的快速连续补偿特性。此外，和SCADA（数据采集与监视控制）系统的交互简单，便于工程实施和标准化推广。由于控制逻辑的简化，也提高了装置的运行可靠性。

STATCOM的工作方式包括：恒无功方式、电压控制运行方式、负荷跟踪补偿方式和功率因数控制方式。恒无功方式令装置输出恒定大小的无功，通过这种方式可以测量装置跟踪无功的准确性和阶跃响应速度。此外，如果春节期间负荷小，无功倒送比较严重，可采用此方式保持额定感性无功输出。电压控制运行方式通过调节无功输出保证系统电压稳定，抑制系统过电压，改善系统电压稳定性。负荷跟踪补偿方式用于抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数、补偿负荷谐波。通过检测负荷侧的电流，自动调节电流输出，以提高负荷电流的电能质量，可选择补基波无功、补负序和补谐波（2～13次）。

变电站35kV STATCOM采用功率因数控制方式，目标以控制35kV电压为主，包括电压暂降、波动和闪变治理，同时保证主变压器高压侧（220kV侧）无功或功率因数在合格范围。

2 STATCOM的现场试验

现场试验分上电前试验、恒无功试验、电压无功控制试验和电压暂态跌落试验[6-7]。

2.1 上电前试验

上电前试验包括外观检查和绝缘试验。外观检查主要检查装置主回路的接线是否符合要求，如：外绝缘完好无损，金属件外表面无损伤或腐蚀现象，配套件无表面损伤、外壳无变形等现象；检查装置的布置和安装、电器和导体的选择是否符合规定要求。

工频耐压试验在装置的相间、相与地之间、辅助电路与地之间按国标GB 311的要求进行，试验结果见表1。

今年《开学第一课》的主题为“创造向未来”，分为四个篇章，分别是“梦想”“奋斗”“探索”“未来”。其中给我留下深刻印象的，就是“梦想”这一篇章中纪实摄影家解海龙拍的一张照片。

表1 工频耐压试验实测参数及结果 kV

2.2 恒无功试验

恒无功试验包括恒无功、直流电压平衡、谐波电流、损耗及阶跃响应时间测试等。

2.2.1 恒无功及直流电压平衡测试

在恒无功方式下，依次在STATCOM控制柜上设置输出-8 Mvar～+8 Mvar无功，间隔1 Mvar，每点运行2 min，测量记录STATCOM输出无功和各链节电容器两端直流电压。监视35kV系统电压，若35kV侧电压超过38.5kV，停止增加容性无功输出。若35kV侧电压低于34kV，停止增加感性无功输出。

整个测试过程中，装置运行正常、无异响、无异味，能够连续输出感性-8 Mvar至容性+8 Mvar无功。输出无功与设定值误差小于3.8%，各链节实测直流电压值最大偏差为3.3%。

2.2.2 谐波电流测试

在恒无功方式下，设定STATCOM容量，测试装置输出无功、35kV系统电压、输出电流及谐波电流畸变值，表2给出了装置谐波电流测试情况，在输出容量-8 Mvar～+8 Mvar范围内，A，C两相电流最大畸变值IthdA和IthdC分别为0.78 A和0.76 A，输出电流最大畸变率为0.59%。

表2 装置谐波电流测试情况

2.2.3 损耗测试

在恒无功方式下，装置分别输出额定感性和容性容量，在35kV无功开关柜读取电能表有功功率值。其中TA变比300/5 A，精度0.2级；TV变比35/0.1kV，精度0.1级；电能表采用三相三线静止式多功能电能表，有功1.0级，无功2.0级。

输出容性+8.01 Mvar时，测得电能表读数为0.0034 kW，计算实际有功功率为71.4 kW，损耗为0.89%；输出感性-7.85 Mvar时，测得电能表读数为0.0036 kW，计算实际有功功率为75.6 kW，损耗为0.95%。由于STATCOM为无功发生装置，有功很小，此值仅供参考。

2.2.4 阶跃响应时间测试

在恒无功方式下，设定STATCOM输出容量，使装置输出从+0.1QN→+1.0QN和-1.0QN→+1.0QN等阶跃，记录35kV系统电压和装置输出电流波形，根据电流波形曲线计算装置响应时间。表3给出了装置的响应时间测试情况，最大响应时间为1.42 ms。图3为-1.0QN→+1.0QN阶跃的瞬间电压电流示波图。QN为装置的额定无功容量。

表3 装置响应时间测试记录

图3 -1.0QN→+1.0QN阶跃响应示波图

2.3 电压无功综合控制试验

在功率因数控制方式下，投入或切除电容器组C1（见图1），记录35kV系统电压、电容器组电流及装置输出电流波形，测试STATCOM的动态响应特性。功率因数控制参数按照表4《浙江电网地区负荷功率因数考核范围》设定。

投入C1前，高压侧功率因数范围设置为0.95～0.98，实际功率因数0.975，STATCOM输出无功+3.7 Mvar。投入C1后，实际功率因数0.979，STATCOM输出-7.1 Mvar。记录波形如图4所示。切除C1前，高压侧功率因数范围设置为0.97～0.99；STATCOM运行出力-7.8 Mvar。切除C1后，实际系统功率因数0.971，STATCOM运行出力-0.5 Mvar。图4、图5分别给出了C1投入和切除瞬间的波形示波图。试验结果分析如下：投入电容器组后，系统电压升高、感性无功减小，功率因数提高，装置由输出容性无功转为输出感性无功，以平衡电容器组发出的无功功率，保证高压侧功率因数满足设定要求。切除电容器组后，系统电压降低、感性无功增加，功率因数偏低，装置减小感性无功输出，使功率因数满足要求。

表4 浙江电网地区负荷功率因数考核范围

图4 投入C1瞬间电压电流示波图

图5 切除C1瞬间电压电流示波图

2.4 电压暂态跌落试验

在电压控制方式或功率因数控制方式下，用空气开关快速断开STATCOM控制柜220kV侧的TV电压输入来改变电压值，模拟系统电压暂态跌落，记录空气开关断开瞬间的35kV侧电压、空气开关两端电压（模拟220kV侧电压）和装置输出电流。

STATCOM初始运行状态为感性输出-4 Mvar，发生电压暂态跌落时，装置迅速发出最大容性无功+8 Mvar，支撑系统电压，防止故障扩大和系统崩溃。记录波形如图6所示，实测装置电压暂态跌落全响应时间为6.5 ms。

图6 电压暂态跌落试验示波图

3 结语

（1）试验表明，35kV直挂链式STATCOM能够连续调节，具有谐波含量小、损耗低、响应时间快的特性。同时，装置能够快速响应无功负荷变化，保证系统无功平衡，在系统电压跌落时发出最大容性无功，为系统提供了一定的暂态电压支撑。

（2）自从STATCOM投运以来，变电站无功负荷变化响应时间由5 min缩短到小于7 ms，大大提高了变电站供电电压稳定性。同时变电站电容器组平均日动作次数由原先的3.75次/天下降到0.42次/天，提高了电容器组运行可靠性，延长了开关设备的使用寿命。

（3）STATCOM现场试验资料和经验较少，且对现场条件要求较高，本文介绍的试验方法可为相关单位系统调试或工程验收提供参考。

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