静止同步补偿器装置在电力系统中的应用研究

孙江平

(上海电力设计院有限公司,上海 200025)

江苏南部电网负荷密度高、本地电源相对缺乏、通过6回500 kV交流线路和1回±800 kV直流线路从系统受电，动态无功支撑能力不足，存在直流闭锁、系统电压失稳等风险，进而导致系统电压的崩溃。大规模的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM)装置可以快速地吸收或者发出满足要求的无功电流，在电力系统发生电压故障时，可以快速地提供电压支撑，防止系统电压崩溃[1-2]。为提高交流电网故障切除后系统电压恢复速度，降低直流闭锁概率，支撑直流快速恢复，提高苏州南部电网安全稳定水平，苏州南部电网增加动态无功装置是必要的。

1 STATCOM装置介绍

经过系统研究得出，本项目中设置总容量为±300 Mvar的STATCOM装置，共配置3套，每套±100 Mvar。每套STATCOM装置由3个换流链组成，采用三角形连接方案，每个换流链为一相，由27个H桥功率模块首尾串联而成，STATCOM装置组成原理图如图1所示。

2 STATCOM方案设计

2.1 STATCOM装置的组成

STATCOM装置采用集装箱布置方案，STATCOM成套系统包含以下设备：连接电抗器；功率阀组；启动装置；水冷系统；控制保护系统。

(1)连接电抗器。STATCOM的输出通过连接电抗器直接接入35 kV系统侧，可以实现能量缓冲，降低输出电流纹波。

(2)功率阀组。功率阀组是STATCOM系统的基本组成单元，由大功率电力电子器件IGBT及其驱动电路、支撑电容、控制板卡及相关附属器件等组成。STATCOM功率阀组拓扑采用级联H桥式结构，每相由若干个功率阀组组成，配置冗余功率单元，采取必要的故障后冗余控制策略，可满足“N-1”或者“N-2”的安全运行要求。

(3)启动装置。STATCOM系统在启动时需要先对功率阀组直流侧电容进行充电，启动装置用以减小充电电流，降低对系统的冲击。启动装置的原理图如图2所示，主要由充电限流电阻R和旁路开关1KM组成。启动时先通过限流电阻R对SVG系统的直流侧电容进行充电，待电容电压达到预定值之后闭合旁路开关1KM后即可进入解锁并网状态[3]。

2.2 STATCOM功率器件选型

当前可供选择的高压、大功率电力电子器件有IGBT和IGCT方案，由于IGCT是由电流脉冲驱动的，驱动功率比较大。IGBT具有驱动功率较低，开关损耗小，开关速度快的特点[4-5]，最终选用IGBT作为本项目的开关器件。

2.2.1 IGBT 额定电压的选择

本项目接入系统的母线电压为35 kV，最高电压为40.5 kV。本工程每相的换流链由27个H桥串联组成，其中3个为冗余配置，因此每个H桥平均耐受电压：

本工程选用的IGBT断态不重复峰值电压：4.50 kV，大于2.39 kV，满足本工程要求。

2.2.2 IGBT额定电流的选择

本工程单套STATCOM装置的容量为±100 Mvar，则换流链H桥的电流：

100 000/3/35≈952.4 A

本工程选用的IGBT通态平均电流：1 500 A，大于952.4 A，满足本工程要求。

3 工程应用方案

3.1 工程主接线方案

现阶段STATCOM装置的最高电压等级为35 kV，但WJ变电站35 kV无功设备场地和主变低压侧容量不能满足接入本期STATCOM装置的要求。因此，本工程STATCOM装置电压等级采用35 kV，并通过双绕组的联接变压器将STATCOM装置接入WJ变电站220 kV系统。

考虑到现阶段设备制造水平及运行经验，本工程STATCOM装置采用3组±100 Mvar的配置方案。主接线示意图如图3和图4所示[6-7]。

3.2 STATCOM装置布置方案

STATCOM装置的阀组可采用阀厅布置和集装箱布置两种方案，由于集装箱结构的STATCOM装置各子系统的组装和调试可由厂家在工厂完成，现场的安装、调试工作量和难度将大大减少，整套设备的安全性和可靠性也会大大提高。因此，本工程推荐采用集装箱布置方案。

本期工程拟在WJ变电站围墙外220 kV配电装置的西侧，新增征地建设STATCOM装置，本期新增征地约64.4 m×127 m。WJ变电站改造前布置图如图5所示，本工程STATCOM装置布置及断面图如图6至图9所示。

本工程STATCOM装置的换流链安装在集装箱内，采用水冷方案，换流链安装效果图如图10所示。

整套STATCOM装置布置效果图如图11所示。

4 结语

基于苏州南部WJ变电站的动态无功加强工程，详细介绍了STATCOM装置的构成、工作原理和设计方案，讨论了WJ变电站STATCOM装置的设备选型、主接线方案和总平面布置。本文介绍的主接线设计和布置方案，对大容量STATCOM装置在电力系统中的应用提供了很好地借鉴。