静止同步补偿器的测控系统及特点.pdf

2 0 0 6 年第 5 期 上 海 电力 静止同步补偿器的测控系统及特点 崔新 奇 ， 朱 莹 ( 上海市电力公 司超高压输 变电公 司 ， 上海2 0 0 0 6 3 ) 摘 要 ： 随着 电网负荷 的 日益增大和负荷 潮流变化的增 大 ， 中压 电网母线 电压波动 日益频繁 ， 尽管 目前 电网中 大量应用 了无功补偿装置 ， 但 其 固有 的局 限性无 法真 正确保 电网 电压 的稳 定 。静止 同步补 偿装 置 ( S T AT C OM) 的应用 可快 速补偿 电网电压的变化 。 并能在系统故 障时 迅速提供动 态 电压 支撑 ， 防止发 生暂态 电压崩 溃 ， 减少 低电压 释放负荷的数量 ， 保证低压母线 电压的稳定 。结合上海 2 2 0 k V西郊 变电站5 0 Mv a r S T AT C OM成套装置的应用， 就其控制测量系统及特点作简要的介绍与分析。 关键词 ： S TA TC OM； 静止无功 补偿 ； 西郊变电站 ； 测控 系统 中图分类号 ： TM7 6 文献标 识码 ： B 1 引言 电能质量涉及稳态与暂态两类技术指标 。对 于稳态的电压质量问题 ， 已有许多成熟的措施可 加 以解决 ， 但对于动态电能质量 问题 ， 依靠传统的 无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决。 因为电压跌落 、 浪涌、 电压脉冲与瞬时供电中断等 这类电能质量问题 ， 持续的时间很短， 变化很快 ， 并且有的电能质量问题还伴随着部分甚至全部的 有功损失等情形。近阶段提出的系统化综合补偿 技术是解决电能质量问题的“ 治本” 途径 。静止同 步 补偿器 ( S TAT C 0M) 克 服 了 以 电容器 、 电抗 器 为基础的传统无功补偿装置无法提供动态无功支 持、 应付突发事件能力较弱、 占地面积大、 易引发 系统振荡等弊端。 S T AT C OM 的动态无功 电流输 出可使母线 电压在很 大 电压变化 范 围内恒 定 ， 在 电网 电压 大幅度下降时 仍能 提供较 强 的无功 支撑 ， 并且 可在从感性输 出到容性输 出的全范围内连续 调 节 ， 使得其无 功输 出相 当于 同容量 传统装 置 的 1 4 2 N ； 因 S TAT C 0M 的灵 活调压 ， 还可以大 大减少变压器分 接头 的切换 频率 ， 从 而减 少有 载调 压 变压 器分 接 头调 节 装 置 故 障概 率 。另 外 ， S TA TC O M 还 可 以抑 制 电压 闪变 ， 提 高 系 统 暂态稳定 水平 。结合 国情 和 已有 的技 术 ， 发展 S TA TC 0 M 是解决我国电压稳定 问题的有效手 段 。 2 2 0 k V西 郊 变 电站 曾是 上 海 第 一 座 1 1 0 k V 和第 一 座 2 2 0 k V 变 电 站 ， 现 在 是 上 海 电 网 黄渡分区 中心 变 电站， 地处 上海 市西 北部 中心 区域 ， 电力负荷集 中， 功率交换 量大， 主要 由 5 0 0 k V黄渡变电站 的 4条 2 2 O k V线路作 为 电源进 线 。西郊变 电站 的 2 2 0 k V母 线共担 负着 8个 2 2 0 k V变电站的 l 2台主变 ( 包括西郊变 ) 负荷 ， 迎峰度 夏期 间最 高 过 网负 荷 可达 1 2 0 0 MW。 但是 ， 在 2台调相 机因设 备老化 、 故障率高 而退 役拆 除后 ， 西郊 变 电站母 线 电压 随负荷 变化较 大 ， 不利于该地 区电网的稳 定运行 。为此 ， 如何 安全、 可靠 、 有效地 ， 特别是在 系统发生故 障时 ， 控制住西郊变电站母线 电压是一个值得探讨 和 定要充分利用 2 2 0 k V 中双港站稳控装置联 切， 尽可能与低频减载装置配合。 ( 6 )根据 电网的实际情况 ， 每年及时调整崇 明电网低频 减 载 装置 每 轮 次 的控 制 负荷 的 比 率 。 ( 7 )随着用 电缺 口的增大 ， 崇明电网电压稳 定 的问题将 日益突出 ， 为此， 必须加强对崇明电网 动态 电压 支撑 的研 究， 有计划 地在 电网中配 置 S T ATC 0 M、 S VC装置等 ； 同时， 有计划地配置一 定容量的低压减载装置。 收 稿 日期 ： 2 0 0 6 0 9 0 5 作者简介 ： 陈 岗( 1 9 7 0) ， 男 ， 上海人 。 大学 ， 副总工程 师， 从 事电网生产运行 、 技术管理工作 ， o 2 1 5 9 6 2 2 0 1 8 ； 范 兵 ( 1 9 7 3 一 ) 。 男， 上 海人 ， 大学， 工程 师， 从 事 电网运行厦调 度 工 作 ， O 2 卜6 9 6 1 2 3 2 5 。 ( 责任 编辑 ： 杜建 军) 511 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 6 年第5 期 研 究 的课 题 。 2 西郊变 电站 S T A T C oM 总体方案 2 1主 要功能 如 图 l所示 ， 2 2 0 k V 西郊 站 5 0 Mv a r S TAT C O M 逆变器采用链式结构 ， 通过一台升压变压器 ( 1 0 k V 1 1 O k V) 与 1 4号主变 1 1 0 k V侧相连接 ， 继而与系统进行双向无功功率交换、 动态跟踪和 即时补偿， 以获得电网的暂态稳定 ， 其主要功能如 下 ： 图 1 5 0 Mv a r 成 套 链 式 S TAT C OM 构 成 框 图 ( 1 )在系统故障时迅速提供 动态电压支撑 ， 减少低压负荷释放数量 ； ( 2 )在系统故障及 突增 负荷 时， 动态地 提供 电压支撑 ， 防止发生暂态电压崩溃； ( 3 )结合 3 5 k V 母 线 4组 电容 器 的综合 投 切 控制， 保证 3 5 k V母线电压的稳定 。 2 2 主 要部 件 S T ATC OM 主要 由 5 0 Mv a r采 用 集 成 门 极 换 向晶闸管 ( I G C T) 的链式 逆变器 、 1 0 k V 开关 柜 、 1 O k V 1 1 O k V升压变压器、 低压控制柜 、 水冷 却系统、 中央控制台及远程控制 台等组成。装置 的整体结构按功能可分为以下几个部分 ： ( 1 )主电路单元 。它是 S T ATC 0M 与 系统 交换有功功率与无功功率的主要环节 ， 由启动 直 流电压平衡电路、 链式电压型逆变器、 系统连接电 抗 、 升压变压器和断路器组成 。电压 型逆变器是 S TAT c 0M 主电路的核心部分 ， 它在运行时相当 于一个电压相位和幅值均 可调节的三相交 流电 源。为了满足 s T AT C OM 的大容量及输出电压 谐波要求， 本装置采用单相逆变器串联连接的链 式 电压型逆 变器。而 系统 连接电抗器起 到限制 一 5 2 S T ATC OM 输出电流的作用 。 ( 2 )控制 与保 护单元。由控制器、 脉冲发生 器 、 脉冲分配器 和链式监控器组成。控制器完成 S TA TC OM 输出无功功率和逆变器直流 电压 的 控制， 控 制、 器 的输 出为 S T ATC OM 输 出电压 与 系统电压的相位差 ， 以及逆变器输 出电压脉冲 宽度 。脉冲发生器产生相位 和脉宽分别为随 和 变化的多路驱动脉冲 ， 这些脉 冲经脉冲分配 器与保护器处理后 ， 送人各功率开关器件。 ( 3 )监测与故障诊断单元 。对装置各部分的 运行状态进行监视及对故障信息进 行实时报警 ， 并为维护人员提供故障定位信息 。 ( 4 )冷却 系统。常用的冷却系统包括风冷 、 油冷和水冷三种方式 。水冷方式 由于水 的对流换 热系数为空气 自然换热系数的 1 5 O倍 以上 ， 所以 散热效率极高 ； 由于它没有采用油冷所可能带来 的污染和易燃的问题 ， 因此在大功率变流器 中得 到越来越广泛的应用。 3 S T A T C 0M 测控 系统 3 1 基 本 原理 测控 系统是 S TAT C OM 的核心 部分之 一， 它通过测量 、 计算 ， 产生并控制驱动开关器件的脉 冲来控制装 置 的运 行 ， 完成 S TATC O M 需要 完 成 的各项任务 。它必须满足速度快 、 精度高、 多 目 标 、 多功 能 的 控 制 要 求 。图 2给 出 了基 本 的 S TAT C OM 测 控 原理 框 图 。 互 蓝 系统 控制 筵 哪 ： 图 2 S TATCOM 基 本 测 控 原理 框 图 当 S TATC 0M 工作于 电压 调节器方式 时， 其控制器由系统电压控制器 、 系统振荡抑制器 、 无 功与直 流电压控 制器组成 ； 当 S T ATc 0 M 工 作 于无功调节器方式时 ， 它只包含无功与直流 电压 控制器部分。系统电压控制器检测系统电压 ， 使其稳定于系统电压设定值 R E F ； 系统振荡抑制 器检测 S TAT C OM 接人系统点 的输电线路功率 波动值 P， 通过控制 S T ATC OM 输 出无功功率 维普资讯 2 0 0 6 年第5 期 上海 电力 来抑 制 系统振荡 。 3 2 测 控 系统 结构 通常情况下 ， S TAT C OM 测控系统 由测量环 节、 控制器 、 脉 冲发生器 、 脉 冲分配器及逆变桥监 控器组成 ， 如图 3所示。 罔 3 两郊 站 S TAT C OM 装 置 测 控 单 元 总体 框 图 ( 1 )测量环节。由 TV、 TA组成， 采集 、 变换 系统 电压和电流信号。 ( 2 )控制器。采用一体化工业计算机 ， 显示 与操作界面采用触摸屏。完成稳定电压 、 阻尼 电 压振荡的控制功能， 通过并 口输 出控制量给脉 冲 发生器。控制器采用直流 UP S供电。 ( 3 )脉 冲发 生器。根 据控制器 发 出的控制 量 ， 产生高精度 ( 0 0 5 。 ) 触发脉冲， 根据控 制器 发 出控制角 ， 精确控制 S T ATC 0M 运行 。 ( 4 )脉冲分配器。将脉冲发生器发出的脉冲 及保护命令分配到各个 l A NK功率单元 ， 同时将 各 I I N K功率单元接收到的命令及故障信息返回 到脉冲发生器和控制器 。每个 L I NK功率单元与 脉冲分配器通过 5根光纤传递数据： ( 左右桥臂驱 动脉冲 2根 ， 命令及其返回数据 2根 ， 故障信息 1 根 ) 。 ( 5 )逆 变桥 监 控 器 ( I I NKC 0N) 。 完 成 逆 变桥输 出电压、 电流 、 I GC T故 障的监 测 与保护 以 及 I GC T 驱 动 脉 冲 的解 码 、 处 理 、 分 配 。每 个 监控板除了和脉 冲分配与保 护单 元交换 脉 冲、 命令 和故 障信 号 外 ， 还 通过 现 场 总线 和监 测 、 故 障诊断系统通 信 ， 完成故 障信息及 命令 的交 换 4 S T A T C o M 测控 系统 的应用 链 式 S TATC OM 分 层 分 布 式 监 控 系 统 ， 是 基 于光 纤 控 制 器 局 域 网 ( C AN) 总线 的链 式 S TATC ( ) M 装 置的分层分 布式监测 系统 ， 其特 征在于 ， 整个 监测 系统分 为 调 度层 、 站 控层 和 间隔层 ； 用组 态 软件 设计 人 机界 面 HMI ( Hu ma n Ma c h i n e I n t e r f a c e ) ； 用 c AN总 线 设 计 分 布 式监 测系统 的节 点 ； 用 C AN 总线 光纤 调 制解 调器 和总线式 C AN调 制解调 器设计 系统数 据 的光纤 传输 网络 ； 用全球卫星定 位系统 G P S设 计 系统的标 准授 时 时钟 ； 用 S e r v e r Cl i e n t ( 服务 器 一用 户 ) 方 式 设 计 W E B服 务 器 的 网 络 发 布 和浏览 。 系统采用 D C 4 8 V 电源 供 电， 并使用 UP S 作为备用 电源。组态软件系统采样时间小于 5 5 ms ； 系统 C A N总线通信速率设计为 0 1 MB s 。 监控系统总数字量输入 4 6 0路 ； 系统 总数字量输 出 4 O路 ； 系统总模拟量输入 1 1 8 路 。分层分布式 监测系统方便扩充和移植 ； 系统具有 自检和 自诊 断功能 ； 系统具有 S TAT c 0M 工作状态 监测 和 数据库管理功能。可查询 追忆 3个月的操作记 录； 可查询 追忆一个月 的信号记 录； 具有模拟量 历史曲线追忆功能 ； 中央控 制室 的计算机上 实现 所有功能， 远方的计算机上可 以浏览 查询 ； 系统 具有报表功能、 分级保护功能、 故障定位功 能、 实 时状 态监 视 功 能 ( 全 面监 视 S TAT C OM 的启 动 停止过程) 、 自诊 断及帮助功能 、 网络 WE B发布 及 I E浏览功能。 链式 S TATC ( ) M 系统分层分布式监测系统 的电路原理框 图， 如图 4所示 。 远动工作站 上级调度 T t 调度层 T 0 以： 网 G P s 时 钟l l w E B 服 务 器l 站 控 层 1 4 A N 一 N J r ： 玎一 C A N -tiS- , 1 I C A N ,0 , 2 l c A N 节 点 l f f 1 间 隔 层 I C A S C A D E A T c 。 M l 谢 詹 摩 图 4分 层 分 布 式监 控 系统 原 理 框 图 ( 1 )调度层 。包括上级调度计算机和远动_T 作站计算机等， 可以通过调制解调器拨号或通过 以太网与站控层的中央监控计算机网络服务器进 行通信。调度层的监视画面由站控层的网络服务 器发 布 。调 度层 是监 测系统 的 管理层 。 ( 2 )站控层。包括 1台就地监控网络计算机 服务器 ( We b S e r v e r ) 和 l台 中央控 制计算 机 ， 5 3 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 6 年第 5 期 WE B服务器是整个监测系统的核心 ， 完成系统的 所有监测功能并通过网络发布到调度层 。站控层 的 WE B服务器包括 P C C AN卡 、 数字量输入 输 出卡 、 模 数卡 、 GP S卡 和网卡等 ， 通过 P C C AN 卡总线与就地监控的 C AN 节点通信 ； 通过 开出 卡对装置进行封锁脉 冲和跳闸操作 、 S TAT C OM 的运行、 封锁故障指示、 水冷报警和故障指示 以及 语音报警等 ； 通过模 数卡采集 1 O k V 系统电压 、 1 0 k V S T ATC OM 电压、 S T ATC OM 输 出 电流 和 D C 4 8 V供电电源等 ； 通过数字量输入卡采集 1 1 0 k V l o k V 变压器 过温 1 ( 1 2 0 ) 、 1 1 0 k V 1 0 k V变压器过温 2 ( 1 3 5 V) 、 1 1 0 k V 1 0 k V变压器 轻瓦斯、 l 1 0 k V 1 0 k V 变压器重瓦斯 、 1 1 0 k V l O k V变压器风机故障、 1 O k V 开关合闸 跳 闸、 D C 4 8 V 电源系统报警故障、 D C 4 8 V 电源系统 跳闸故 障、 脉 冲封锁、 链式 S T ATC OM 旁路、 控 制器故障 、 控制电源故障、 水冷报警 、 水冷正常停 机和水冷故障停机等； 通过 G P S卡给系统提供标 准授时时间 ； 站控层通过网卡和调度层 的计算机 连 网 。 ( 3 )间 隔层 。共 设 置 4 0个 底 层 监 测 C AN 节点( C AN单元 ) ， 其 中 3 0个 C A N节 点分别监 测 3 0个功率单元 ， 1个监测 S TA T C OM 输 出电 流 ， 1个 监 测 S TAT C 0M 输 出 电 压 ， 1个 监 测 1 1 0 k V母 线 电 压 ， 1个 监 测 2 2 0 k V 母 线 电 压 ， 其他备用 。 5 S T A T C OM 的技术特点 由于传统的电容器组投切无功补偿装置工作 原理简单、 投资少 、 效果好。 目前被上海 电网广泛 采用 。但是 由于它是依靠并联电容器组来提供无 功功率 ， 因而存在响应时间长、 补偿容量受电网电 压的限制、 容易引起谐波放大、 功率因数不能有效 提高等缺点 。S T ATC O M 与传统 的无 功补偿装 置相 比 ， 具 有如 下特 点 ： ( 1 )响应 时间快。 自动投 切 电容器组装 置 的响应时 间只需几 秒 ， 这是受 电容 器放 电时 间 所 限制。国标规定 电力 电容器放 电时 间为 3 S ， 如果放电时 间太 少 ， 则 电容器 的剩余 电荷不 能 放尽 ， 再次投 入可 能会导致 电容器 发生 过压击 穿 现 象 。 ( 2 )不会 引起谐振 。该装 置作 为一个 电流 源 ， 等效内阻抗很大， 不会出现并联谐振现象。 一 5 】 4一 ( 3 )可以吸纳无功。该装置不仅可以应用在 感性负荷场合 ， 还可 以应用在容性负荷 的场合 ， 可 以提高补偿效果 ， 降低线路损耗。 ( 4 )精准电压控制。该装置除了可以按照功 率因数或者无功功率控制之外 ， 还可 以按照 电压 幅值来控制 ， 确保用户获得平稳的电压， 降低电压 纹 波 。 ( 5 )具有 自适应 功能， 实现 动态补偿。可对 频率、 谐波以及变化 的无功功率进行补偿 ， 对补偿 对象的变化有极快的响应。 ( 6 )可同时对谐波和无功功率进行补偿。补 偿无功功率时不需要 储能元件 ， 补偿谐波时所