（电气工程专业论文）静止无功发生器svgstatcom在城市电网应用研究.pdf

一社。蕊 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 北京电网无功补偿装置长期以低压侧的无功补偿为主，形式较为单一，在发生较大 事故情况下，部分地区缺乏有效的电压支撑。目前，安装静止无功补偿设备，已经成为 电力系统稳定的重要手段，国内外均有多个案例。 本文利用电力系统通用的b p a 计算程序，结合北京电网现状及规划数据，建立系统 负荷模型，从而确定北京电网安装s v g 设备的具体位置，初步论证s v g 设备在城市主网 运行的效果，为寻求城市高短路容量电网安装s v g 设备积累一定的经验。 关键词：无功补偿，s v g ，b p a ， a b s t r a c t b e i ji n gg r i d o fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e so nl o wv o l t a g eo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，f o r mi ss i n g l e i nt h ee v e n to fal a r g e ra c c i d e n tc a s ei n s o m ea r e a s ，t h el a c ko fe f f e c t i v ev o l t a g es u p p o r t a tp r e s e n t ，t h ei n s t a l l a t i o no f s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e a n so fp o w e r s y s t e ms t a b i l i t ya th o m ea n da b r o a dh a v ean u m b e ro f c a s e s i nt h i sp a p e r ，ac o m m o nb p ap o w e rs y s t e mc a l c u l a t i o np r o g r a m ，c o m b i n e d w i t hb e i ji n gn e t w o r ks t a t u sa n dp l a n n i n gd a t a ，e s t a b l i s hs y s t e ml o a dm o d e lf o r p o w e rg r i di n s t a l l a t i o no fb e i ji n gi no r d e rt od e t e r m i n et h es p e c i f i cl o c a t i o no f e q u i p m e n t ， s v gi n i t i a ld e m o n s t r a t i o nd e v i c e sr u n n i n gi nt h ec i t ym a i nn e t w o r k e f f e c t s ，i no r d e rt os e a r c hf o ru r b a nh i g hs h o r t - c i r c u i tc a p a c i t yo fp o w e re q u i p m e n t t oi n s t a l ls v ga c c u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c e q i a n gy u n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：r e a t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，s v g b p a ml2 舢0舢79 舢7ii_y 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 北京2 2 0 k v 及以上电网现状1 1 1 1 主网现状简介1 1 1 2 主网规划1 1 2 北京电网无功补偿现状及无功问题2 第二章动态无功补偿装置简介5 2 1 动态无功补偿装置简介5 2 1 1 同步调相机5 2 1 2 静止型无功补偿器( s v c ) 5 2 1 3 静止无功发生器( s t a t c o m ) 6 2 2s v c 技术发展现状7 2 3s v g 技术发展现状9 第三章安装位置及容量选择j 1 7 3 1 安装位置选择1 7 3 1 1 可行性1 7 3 1 2 计算结果1 7 3 2 安装容量选择1 7 第四章计算条件确定1 8 4 1s t a t c o m 模型1 8 4 2 负荷模型1 8 4 3 负载电动机初始滑差及惯性时间常数的确定1 9 4 4 故障选取1 9 第五章昆玉河站模拟计算2 0 5 1 部分初始条件2 0 5 2 单独安装11 0 k v 1 0 5 k v1 0 0 m v a 主变1 台2 0 5 2 1s t a t c o m 监测11 0 k v 电压调整出力2 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 5 2 2 监控2 2 0 k v 母线调整s t a t c o m 出力2 7 5 3 新增一台主变的情况3 1 5 4 增加负荷的计算3 1 5 4 1 海淀2 2 0 k v 母线跳闸3 2 5 4 2 海淀昆玉河跳双回3 4 5 5 昆玉河站计算结果比较与分析3 6 5 5 1 补偿前后效果比较3 6 5 5 2 母线控制策略比较3 8 5 5 3 节点负荷增加后的效果分析4 3 第六章红军营站模拟计算4 5 6 1 部分初始条件4 5 6 2s v g 相关参数设定4 5 6 3 计算结果4 6 6 3 1 城北红军营双回跳闸4 6 6 3 2 昌平清河线路跳闸4 7 6 3 3 昌平霍营线路故障跳闸4 9 6 3 4 昌平城北线路故障跳闸5 0 6 3 5 城北2 2 0 k v 母线故障全部出线跳闸5 2 6 3 6 昌平2 # 主变故障掉闸5 3 6 3 7 昌平2 # 、3 # 主变故障掉闸5 5 6 3 8 昌平2 2 0 k v 母线故障跳全部出线5 6 6 4 安装结果比较与分析5 8 6 5 清河站、红军营站同时安装一台s v g 设备的简单计算6 1 6 5 1 昌平2 # 、3 # 主变故障6 1 6 5 2 昌平2 2 0 k v 母线故障6 3 6 6 昆玉河与红军营安装效果的比较6 5 6 7s v g 装置在红军营变电站的安装方案6 6 6 7 1s v g 装置的接入方案6 6 6 7 2s t a t c o m 装置的布置方案6 6 第七章结论6 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 参考文献6 8 致谢7 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况7 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 1 1 北京2 2 0 k v 及以上电网现状 1 1 1 主网现状简介 北京地区电网是京津唐电网的重要组成部分，是京津唐电网的负荷中心和网架 中心，除承担为首都电网供电的任务外，还向相邻的天津、河北省部分地区转送电 力，在京津唐电网中处于十分重要的地位。 截至到2 0 0 8 年底，北京电网以昌平顺义通州安定房山双回5 0 0 k v 线 路为中心的东部双环网和以昌平房山单回5 0 0 k v 线路为中心的西部5 0 0 k v 单环网 组成的主干网架。2 6 座枢纽变电站与5 0 0 k v 电网形成电磁环网，分成东西两个供电 区域运行。2 4 座2 2 0 k v 负荷变电站及i l o k v 变电站呈放射状网络运行。 1 1 2 主网规划 北京电网在“十一五 规划期内新增的电源点主要有北京三热3 5 0 m w 、三热二 期3 x 3 5 0 m w 、二热郑常庄2 2 5 0 m w 机组( 原有机组退役) 和太阳宫燃气电厂 2 x 2 4 0 + 3 0 0 m w ；华能高碑店二期2 x 3 5 0 m w 机组，到2 0 1 0 年总装机容量将达到7 7 4 8 胂 左右。 目前，京津唐形成顺义姜家营安各庄滨海吴庄霸州保北房山的 5 0 0 k v 大环网，河北南网已基本形成覆盖全省的5 0 0 k v 电网，京津唐电网与河北南 网之间通过保北5 0 0 k v 变电站相联，在沧州和天津之间将形成双回路的联系。山西 已基本形成覆盖全省的5 0 0 k v 电网，山西与北京及河北南网之间将形成7 回5 0 0 k v 线路的联系。 2 0 2 0 年北京5 0 0 k v 环网中的5 0 0 k v 枢纽变电站考虑接受外送电力如下：西部的 昌平、门头沟、房山主要考虑接受张家口及山西北部外送电力( 北京西特高压、沙 岭子、下花园一昌平二回、蔚县电厂- f l 头沟二回、大同二厂一房山三回、保北一房山 二回) ，东部的安定、通州、顺义考虑接受蒙西、北京东特高压及固安电厂外送电 力( 托克托一浑源一安定二回、固安一安定二回、北京东特高压、万全一顺义三回) 。 2 0 1 3 年 - - - 2 0 2 0 年如果考虑北京本地的规划电源点高井改造机组( 在原厂址建 设，需要拆除原有装机) 等能够建设，至2 0 2 0 年北京电网的外受电比例为7 3 5 4 左右。 按照上述电力平衡来看，北京电网受电比例较高，虽然区外受电比例与地区供 电安全有十分密切的关系，但是其关系十分复杂，与地区的大小、负荷大小及其在 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一定范围内的比例、区外受电的距离、主电网结构等等因素均有关系。 为了限制短路电流，到2 0 1 0 年北京将实现分区供电，形成以相邻的5 0 0 k y 变 电站的2 2 0 k v 母线为供电中心的双环网结构。2 0 1 0 年可分为昌平一城北、城北一顺 义一朝阳、顺义一通州一朝阳、通州一安定、安定一城南、城南一房山、房山一门 头沟、门头沟一海淀、海淀一昌平等9 个分区供电。 图1 - 1 北京地区2 0 1 0 年规划5 0 0 k v 网架 1 2 北京电网无功补偿现状及无功问题 截止到2 0 0 7 年底，变电站共安装并联电容器1 0 0 4 组，总容量6 1 5 3 9 5 m v a r ， 其中，2 2 0 k v 变电站安装3 6 1 组，容量2 9 0 3 0 7 6 m v a r ；1 1 0 k y 变电站4 9 2 组，容量 2 9 3 8 1 4 2 m v a r ：3 5 k y 变电站安装1 5 1 组，容量3 1 2 7 3 2 m v a r 。 变电站共安装并联电抗器4 6 组，总容量4 0 3 m v a r 。 与2 0 0 5 年同期相比，变电站并联电容器新增1 2 4 组、容量7 9 0 7 8 7 m v a r ，其中， 2 2 0 k y 变电站新增4 6 组、容量4 1 9 8 3 2 m v a r ；1l o k v 变电站新增7 2 组、容量 3 6 1 9 6 4 m v a r ；3 5 k v 变电站新增6 组、容量8 9 9 1 m v a r ， 2 0 0 7 年各电压等级无功配置情况见表卜l 表卜12 0 0 7 年1 2 月北京电网变电站无功配置汇总 2 0 0 7 年1 2 月 变电站( k v ) 感性无功补偿设备容性无功补偿设备 组数容量( m v a r )组数容量( m v a r ) 2 2 04 33 9 63 6 12 9 0 3 0 7 6 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 0374 9 22 9 3 8 1 4 2 3 5 1 5 13 1 2 7 3 2 合计 4 64 0 31 0 0 46 1 5 3 9 5 北京电网2 0 0 7 年冬季低谷负荷期间2 2 0 k v 母线平均电压为2 2 4 8 5 k v ，比2 0 0 5 年2 2 4 4 5 k v 上升了0 4 k v 。最高为荣华站2 2 7 k v ，最低为知春里站2 2 0 k v 。 北京电网1 l o k v 母线平均电压为1 1 2 6 2 k v ，比2 0 0 5 年1 1 3 1 3 k v 下降0 4 9 k v 。 最高为1 1 5 1 7 k v ，发生在长椿街站1 l o k v 母线。 北京电网2 0 0 7 年1 月3 0 日4 点： 北京地区负荷为( 4 7 5 1 + j i 0 7 3 ) m w ，负荷功率因数为0 9 7 5 4 ； 联络线受电功率为( 2 6 1 6 + j 6 5 9 ) m w ，功率因数为0 9 6 9 7 ； 在京发电厂出力为( 2 1 2 5 + j 3 3 6 ) m w ，功率因数为0 9 8 7 7 。 2 2 0 k v 站电容器共投入1 0 组，投入容量8 2 1 4 m v a r ，占2 2 0 k v 变电站电容器总 容量的3 3 1 。 2 2 0 k v 站电抗器投入率l o 9 9 ，共投入6 组，投入容量3 8 m v a r 。 2 0 0 7 年夏季，北京地区主网的无功潮流分布比较合理。对外联络线保持了高力 率运行，受电联络线的运行力率已接近l 。避免了大负荷期间无功潮流的大量转移， 基本实现了无功分层、分区就地平衡。发电厂力率比去年同期有所降低。 北京电网2 2 0 千伏变电站电容器的投入率为3 5 4 ，比去年高峰负荷时期电容 器投入率有所降低。其中太阳宫、东北郊、知春里等3 站投入率为1 0 0 。孙河、定 福庄、西大望、高丽营、北寺等东部电网所属站由于顺义5 0 0 千伏站输送的无功电 力较多，电压较高没有投入电容器。其它各站均按电压曲线的要求进行电容器的投 入。 2 0 0 7 年负荷水平增长不快，电网无功问题也较为缓和，但是随着负荷的增长也 暴露出一些问题： ( 1 ) 部分地区还存在无功缺额 从现状看，公司系统各电压等级变电站的并联电容器占主变压器容量分别是 1 5 4 2 ( 2 2 0 k v ) 、1 9 9 ( 1 l o k v ) ，符合北京市电力公司下发的相关标准，都靠近 下限，但部分负荷集中地区缺乏必要的无功备用容量，在高负荷情况下所有的无功 补偿设备都投入运行，没有无功备用容量，电网出现事故，局部地区无功缺额比较 明显，特别是市区范围内的部分重载地区，夏季大方式情况下电容器的投入率均较 高，如八里庄变电站，清河变电站等枢纽变电站转带其它的2 2 0 k v 变电站，一旦出 现电网事故，无功潮流流动较大，可能严重影响电压质量，进一步影响电网稳定。 2 0 1 0 年，市区新增2 2 0 k v 变电站多为负荷变电站，均由几个较为重要的枢纽变 电站转代，电网事故情况下无功潮流变化将会更加严重。 3 华北电力火学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 部分地区网架结构不尽合理 随着地区经济的超常规发展，地区负荷快速增长，部分地区2 2 0 k v 线路的输送 能力逐渐显露，许多向市区输送电力的通道，其有功及无功潮流均较重，正常方式 下潮流已经接近n 一1 热稳极限，一旦双回出现故障，大范围的潮流转移在所难免。 另外昌平清河、昌平西沙屯双回、房山吕村双回、新通州北寺双回等正常 方式潮流均较大，都存在类似的问题。 2 0 1 0 年，经过“十一五”期间的电网建设，北京地区电网结构日趋合理，但是 随着负荷水平的增长，在局部地区也将会出现新的问题。如海淀红军营双回、王 四营西大望双回、城北红军营双回潮流均有可能达到或超过7 0 0 m v a 。 ( 3 ) 电容器配置有待优化，2 2 0 k v 、1l o k v 补偿过于集中 2 2 0 k v 变电站无功补偿设备配置较多，但都在低压侧补偿，由于低压侧电压质 量要求的约束，不能发挥应有作用；负荷中心地区无功负荷较大，电网没有充足的 无功补偿设备可以投入，增大了电压质量控制难度，增加了线路的损耗；低压配电 网无功设备投入率低，造成了只能在l l o k v 变电站l o k v 侧投入电容器进行集中补 靡乡 i z fo ( 4 ) 现状无功补偿设备形式单一 北京地区无功补偿方式目前以分散的低压无功补偿为主，主要通过2 2 0 k v 、 l l o k v 变电站l o k v 侧电容、电抗的投切来调整系统的无功，这种无功补偿形式虽然 具有灵活性强，就地分散补偿的优势，但也存在补偿容量小、局部补偿效果不明显 的问题。 静止无功补偿设备，已经在国际上有较多的实用案例，安装静止无功补偿设备， 已经成为电力系统稳定的重要手段。我国上海、鞍山等地的电网也已经安装了静止 无功补偿设备。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章动态无功补偿装置简介 2 1 动态无功补偿装置简介 2 1 1 同步调相机 调相机是一个三相的同步电机，从系统吸收少量的有功功率用于机组能量损 耗，同时向系统输出或吸收大量的无功功率，可称为旋转的无功补偿器。调相机的 价格较高，目前在高压输电系统中，考虑到其运行维护、环保噪声等因素，应用较 少。其优点是： 暂态过程中，调相机可以提供动态的无功功率。短路越靠近调相机，其输 出的无功功率越大，并且不会受对称或不对称短路故障形式的影响。 在系统电压较大幅度降低时，调相机可利用它的短时过载能力( 例如在1 0 秒内，2 倍过载) 支持系统电压恢复。 2 1 2 静止型无功补偿器( s v c ) s v c 技术成熟、应用广泛，国内早期主要应用于有冲击性负荷的大用户中，近 年来，也应用于提高主网架稳定性水平和提高电网输电能力方面。主要划分为两种 类型，即晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ) 。 晶闸管投切电容器( t s c ) 图2 一l 是两种主要形式的t s c 电路。电容的投切是靠两个晶闸管正反并联的开 关完成的。其中晶闸管只有两个状态：导通和断开。 c a ) y o 形接线电路；( b ) 形接线电路 图2 - 1 两种主要的t s c 电路 晶闸管代替普通有接点开关的优点在于，投切的过程没有冲击电流、过电压及 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成，而电容器的切断是在由晶闸管电 流过零时完成，这样电容器可任意频繁投切，在电容器回路中还串有一电抗，它既 可限制放电电流又能防止产生次谐波谐振。 t s c 只能实现有级调节，应用范围通常是在配电系统。 晶闸管控制电抗器( t c r ) 由一个可控的电抗器与电容器并联组成，晶闸管控制电抗器的电流，当系统电 压低，需要无功时，t c r 使电抗电流减小，系统电压高，需要吸收无功时，t c r 使 电抗电流增大，t c r 本身会产生谐波，所以往往用滤波器代替部分并联电容，也可 用t s c 。t c r 及t s c 都可以分相调节也就是可按每相电压或无功要求，快速补偿无 功。因此它们都有改善系统不对称的效果，并且在系统不对称故障时，仍然能正常 工作，支持系统电压。 2 - 1 3 静止无功发生器( s t a t c o m ) s t a t c o m 是第一种使用g t o 控制电压源逆变器的f a c t s 装置，它并联于需补偿 的母线上，从直流励磁电压产生交流无功功率，原理接线示意图如图2 - 9 所示。 图2 - 2s t a t c o m 原理接线示意图 通过控制输出电压的幅值，达到与系统无功功率交换的控制。如果输出电压大 于系统电压，则有电流从逆变器流向交流系统，逆变器向系统提供容性无功功率； 反之则吸收无功功率。 s v c 其内部的电力电子开关元件多为晶闸管。晶闸管在导通期间处于失控状态， 这使s v c 每步补偿时间间隔至少约达工频的半个周期。若被补偿的负荷为急剧波动 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的干扰性负荷时，常用的s v c 因固有的时间延迟使其响应不够快。s v g 则适于实时 补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。i g b t 、g t o 等电力电子元件的开发， 使大功率、高电压的变流器的应用可靠性有了显著提高，而且由于采用了微处理机 和大规模集成电路组件，使复杂的控制电路也提高了经济性和可靠性，从而使矢量 控制的新型s v g 得到了开发应用。静止无功发生器( s v g ) ，是用自换相的电力半导 体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，与以t c r 型为代表的s v c 装置相比，s v g 的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制( p w m ) 技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。 s t a t c o m 与系统无功功率的交换不依赖于母线电压，因此控制非常灵活，在发 生电压急剧跌落时，补偿效果更加明显。与s v c 相比，s t a t c o m 可以在任何系统电 压下提供全范围的无功输出电流，这使其在暂态稳定性上较s v c 更加有效，但是造 价较高。 2 2s v o 技术发展现状 静止无功补偿装置是从6 0 年代初发展起来的，在6 0 年代初首先研制出了c s r 一8 型静止无功补偿装置，在这之后英国g e c 公司又研制出了s r 型静止无功补偿装置， 并在1 9 6 4 年应用于工业冲击负荷用户。根据结构原理的不同，s v c 技术又分为：自 饱和电抗器型( s s r ) 、晶闸管相控电抗器型( t c r ) 、晶闸管投切电容器型( t s c ) 、 高阻抗变压器型( t c t ) 和励磁控制的电抗器型( a r ) 。目前在全世界范围内，工业 用户有超过4 0 0 套、总容量约2 5 g v a r 的s v c 投入运行，输配电系统也有超过3 0 0 套、总容量约5 0 g v a r 的s v c 投入运行，其中约有7 3 3 的s v c 装置，其安装的主要 目的是进行电压控制、无功平衡、减少电压波动和闪变、改善供电质量等，这些s v c 装置一般多安装在系统的受端；而有约2 6 7 的s v c 装置，其安装的主要目的是增 强电压支撑、提高系统阻尼和改善系统的暂态稳定性，这些s v c 装置一般多安装在 远距离输电线的中间变电站。此外据统计目前在运行的s v c 设备有6 0 以上容量大 于l o o m v a r ，这些大容量s v c 设备主要采用t c r 和或t s c 型技术。 我国的s v c 投入数量和容量都远远低于国外水平，目前配电工业用户有1 0 0 套 以上，约五分之一为进口。截止到2 0 世纪九十年代，输电系统仅有五个5 0 0 k v 变 电站使用s v c ，容量在1 0 5 1 7 0 m v a r ，均为进口，型式为t c r + t s c 或固定电容器 组( f c ) ，部分还辅助断路器投切电容器( b s c ) 或断路器投切电抗器( b s r ) 进行 补偿。2 0 0 4 年鞍山红一变国产示范化s v c 工程的顺利实施并投入运行，标志着s v c 国产化技术已趋于成熟。该工程采用t c r 和各滤波支路全部直接挂接在3 5 k v 母线， 容性总安装容量1 2 0 m v a r ，t c r 额定容量8 0 m v a 的设计方案，实现了对电网的动态 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 无功调节，稳定电网电压，并抑制冲击负荷和谐波对电网的影响。该工程投运后， 具有减少网损和节约设备维护费用等效益。s v c 国产化后其造价也大幅下降。 s v c 工程应用简介： ( 1 ) 北欧联合供电系统 丹麦一瑞典间有三条联络线，一条为4 0 0 k v 的电缆线路，另两条为1 3 0 k v 电缆 线路。当输送容量达到7 0 0 m w 时，4 0 0 k v 电缆线路因故障被切除，此时剩下的两条 1 3 0 k v 电缆线路中产生了频率约0 3 h z 的电压与功率振荡，通过在丹麦一侧装设 l o o m v a r 静止补偿器，当再发生同样故障时，电压与功率的振荡受到了有效抑制， 并在1 0 秒钟左右平息。 ( 2 ) 魁北克水电局输电系统 魁北克省的蒙特利尔地区和魁北克地区是负荷中心地区，负荷总量约5 0 0 0 万 k w ，通过詹姆斯湾和邱吉尔瀑布地区的水电站输送到该地区的电力约2 1 0 0 万k w ， 占负荷总量的约4 2 。为了提高输电系统的输送能力，从1 9 9 2 年起，在整个7 3 5 k v 系统上陆续装设了3 2 套固定串补装置，补偿度从1 6 到4 4 ，总容量约1 i g v a r 。为 了提高无功电压支撑能力，在送电通道和受端电网使用了大量的动态无功补偿设 备：1 9 7 2 ，- - 1 9 7 9 年装设了同步调相机，共安装了9 套2 5 0 m v a 的同步调相机；1 9 7 8 - - - 1 9 9 9 年共装设了1 1 套3 0 0 m v a r 的s v c ，这一措施使得整个詹姆斯湾水电送出工程 的线路造价减少了3 0 。这些动态无功补偿设备容量共约5 5 5 万k v a r ，占输送总有 功功率的约2 6 ，占受端负荷总量的约1 1 。 ( 3 ) 辽宁鞍山红一变s v c 国产示范化工程 鞍山红一变为东北电网枢纽变电站，原有一台额定容量为6 0 m v a r 调相机，由 于设备陈旧，仅能发出2 0 m v a r 无功功率，动态无功支撑能力低，系统电压较难控 制，网损大；红一变二次6 6 k v 系统带鞍钢等冲击性负荷，对系统电压影响很大。 该工程以具有快速调节能力的s v c 替代原有调相机实现对电网的动态无功调节，稳 定电网电压，并抑制冲击负荷和谐波对电网的影响，设计方案为t c r 和各滤波支路 全部直接挂接在3 5 k v 母线，容性总安装容量1 2 0 m v a r ，t c r 额定容量8 0 m v a 。计算 表明：该工程投运后，仅网损效益就可达到人民币7 2 0 万元，并能节约1 0 0 万元设 备维护费用。该工程作为输电网s v c 国产化示范工程于2 0 0 2 年启动，并在2 0 0 4 年 1 1 月份正式投入运行。 ( 4 ) 川渝电网s v c 工程 目前川渝5 0 0 k v 电网尚处于发展初期，现有的5 0 0 k v 电网基本由二滩送出线路 组成，电网仅有二滩一个电厂直接接入主电网，电网结构相对薄弱，电网稳定水平 低及动态电压支撑不足问题突出。通过三万、万龙5 0 0 k v 线路与华中东部四省电网 联网后，由于远距离向华中送电，大功率穿越四川、重庆电网，川电外送中通道( 即 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 洪陈线) 动态电压支撑明显不足，输电通道缺乏足够的中间电压支撑，输电能力较 低，电网的安全运行依然需要高度依赖于川电东送安控系统，不能满足进一步增加 川电东送容量的要求。经国家电网公司的统一招标，中国电力科学研究院一举获得 全部标的，在西电东送通道上三个5 0 0 k v 洪沟、陈家桥、万县变电站分别安装 1 2 0 m v a r 、1 2 0 m v a r 、1 8 0 m v a r 的s v c 装置，经仿真分析计算2 0 0 7 年川渝极限提高了 2 6 3 m w ，2 0 0 8 年可以提高川渝断面输送极限1 1 4 4 m w ，2 0 0 8 年可以提高川渝断面输 送极限1 2 6 2 m w 。 目前洪沟站、陈家桥站、万县站s v c 已顺利投运，至今运行情况理想。并且2 0 0 7 年1 1 月洪沟站s v c 经过5 0 0 k v 二滩一普提线路人工单相瞬时接地短路故障试验验 证，s v c 反映完全正确，短路瞬间对电压支撑效果理想，试验获得成功。 2 3 $ v g 技术发展现状 表1 列出的是世界上已安装投运的用于输电网的s t a t c o m ，其中1 9 8 0 年日本 2 0 m v a r 、1 9 8 6 年美国i m v a r 、1 9 9 7 年西门子8 m v a r 、1 9 9 9 年中国2 0 m v a r s t a t c o m 都是试验性质的装置，验证了s t a t c o m 原理的可行性。1 9 9 7 年美国 2 0 m v a r 、2 0 0 3 年韩国8 0 m v a rs t a t c o m 分别是工程的第一期，二期工程可将其扩 展成统一潮流控制器( u p f c ) 。表中其余装置则都是用于提高电网的安全稳定性和 输电效率。接下来根据文献报道介绍其中的几个典型案例。 表2 - 1世界上用于输电系统的大容量s t a t c o m 装置 研制者安装地点容量( m v a )投运时间 1 三菱电机、关西电力口1 日本2 01 9 8 0 年 2 西屋公司、美国电科院h 1 3 三菱电机、关西电力嵋1 美国 11 9 8 6 年 4 东芝、日立、东京电力嘲 日本 8 01 9 9 1 年 5 东芝、h o k k a i d o 电力口1 日本 5 0 21 9 9 2 年 6 西屋公司、美国电科院、田纳西电 日本 l o 21 9 9 3 年 7 力町 美国 1 0 01 9 9 6 年 8 西门子嘲 丹麦 81 9 9 7 年 9 西屋、e p r i 、美国电力n 伽 美国 1 6 01 9 9 7 年 1 0 清华大学、河南省电力公司n 1 1 中国 2 01 9 9 9 年 1 1 a l s t o m 、英国国家电网( n g c ) u 2 1 英国 7 51 9 9 9 年 1 2 三菱n 3 1 美国+ 1 3 3 - 4 12 0 0 1 年 1 3 三菱，圣迭戈天然气和电力公司n 钔 美国 1 0 02 0 0 2 年 1 4 韩国电科院、韩国电力公司n 目 韩国 8 02 0 0 3 年 1 5 a l s t o m ，美国东北电力n 町 美国 1 5 02 0 0 3 年 a b b ，奥斯汀能源n 刀 美国 1 0 02 0 0 4 年 1 6 中国 5 02 0 0 7 年 清华大学、许继，上海电力公司n 们 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 1 ) 1 9 9 1 年日本关西电力8 0 m v a r s t a t c o m 5 1 9 9 1 年，日本关西电力公司发起，由三菱公司研制的8 0 m v a rs t a t c o m 在 i n u y a m a 开关站投运，其电网接线如图1 所示，s t a t c o m 位于水电厂群至负荷中心 长距离输电线路的中段，安装了这台s t a t c o m 之后，输电通道输送功率极限由5 3 0 m w 提高到6 2 0 m w ，提升了约1 7 。 i n u y a m a 2 7 5 k v 1 5 4 k v s w s p h y d r o p o w e r + i - 8 0 m 溯 图2 3 日本关西电力8 0 m v a r s t a t c o m 系统接线图 另据统计，日本在九十年代一共安装了4 台用于输电网的s t a t c o m ，到2 0 0 2 年，这四台装置的可用率均在9 9 以上，具有非常高的可靠性h 1 。 ( 2 ) 1 9 9 6 年美国t v a 1 0 0 m v a r s t a t c o m 随】 s u lli v a n 变电站位于美国田纳西州东北部，属于t v a ( t e n n e s s e ev a ll e y a u t h o r i t y ) 管辖，其接线简图如图2 - 4 所示。该变电站由5 0 0 k v 输电网和4 条1 6 0 k v 线路供电，冬季负荷高峰期，该地区负荷可达9 0 0 m w ，其中5 5 由s u l l i v a n 变电 站提供。 s u l l i v a n 变电站在运行中存在以下几个问题： l 、负荷水平低、输电线路轻载时5 0 0 k v 线路电压过高，以前是通过8 0 m v a r 可 投切电抗器吸收过剩的充电功率，由于高压电抗器存在发热严重的问题，使用效果 不好。 2 、负荷高峰期，线路重载时1 6 0 k v 线路电压过低，通常是由有载调压变压器 调节。抽头动作频繁，降低变压器寿命。据统计，该变电站变压器的故障率为1 ， 其中一半的故障是由抽头引起的，每次变压器故障的损失在1 百万美元左右。 3 、变电站与5 0 0 k v 电网间联系较弱，仅通过一台1 2 0 0 m v a 变压器连接。在冬 季大负荷方式下，失去该变压器后1 6 0 k v 母线电压跌落1 0 一1 5 。 4 、与临近的a e p ( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ) 系统间存在功率振荡问题。 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( a ) s t a t c o m 装置外观 ( b ) s u l l i v a n 变电站接线简图 图2 - 4 美国t v a i o o m v a r s t a t c o m 系统 经论证，要彻底解决这些问题，必须通过电网改造的手段，比如增加一台 1 2 0 0 m v a r 变压器或者新建一条1 6 0 k v 输电线路，投资都很大。最后t v a 选择了柔性 交流输电技术，决定在s u l l i v a n 变电站安装一台i o o m v a r s t a t c o m 。 该装置由西屋公司研制，是美国第一台实际用于电网运行的大容量s t a t c o m 。 装置投运后，s u l l i v a n 变电站的上述几个问题都得到不同程度的解决：日常调压的 工作由s t a t c o m 完成，高压电抗器可完全切除，有载调压变压器的动作频度也大大 降低( 由2 5 0 次月降低到2 5 次月) 。大负荷方式失去连接变压器后，s t a t c o m 快速发出无功，调节1 6 0 k v 母线电压维持在容许范围，等待附近变电站的补偿电容 华北电力大学工程硕士专业学位论文 投入。此外，还有助于研究s t a t c o m 在抑制功率振荡方面的应用。 ( 3 ) 1 9 9 7 年丹麦某风电厂8 m v a r s t a t c o m 这个s t a t c o m 的主要目的是研究s t a t c o m 应用于风电厂提高接入电网系统的电 能质量并防止风电厂形成“孤岛”后的灾难性后果。 风电厂接入电网系统时一般面临以下两个主要问题：l 、异步发电机吸收的无 功功率随输出有功功率的变化而变化，受风力的影响变化比较频繁。2 、形成孤岛 后，若并联补偿无功功率高于异步发电机吸收的无功功率，异步发电机容易激发自 激振荡。基于上述两个原因，固定并联电容补偿在风电厂中的应用受到限制，而 s t a t c o m 动态无功响应快速的优点可得到充分发挥。 随着风力发电的蓬勃发展，s t a t c o m 越来越多的应用于风电入网的场合，发挥 静态电压调节和暂态电压支撑的作用。 ( 4 ) 1 9 9 9 年英国国家电网7 5 m v a r s t a t c o m n 2 1 9 0 年代中期，英国国家电网计划在北方地区新建一座低成本燃气电厂，分析表 明电厂投运后将增加流向南方负荷中心的潮流，使得南方地区无功不足的问题凸 现。在增加南方受端地区无功补偿的整体计划中，位于伦敦北部的e a s tc l a y t o n 变电站加装2 2 5 m v a r 的无功是一个重要内容。出于节省用地和发展新技术的目的， 英国国家电网选择了基于s t a t c o m 的动态无功系统。 英国国家电网对动态无功系统的要求包括：容量为0 2 2 5 m v a r ，输出连续可调， 接入电压等级为4 0 0 k v 或2 7 5 k v ，在6 个月内可以从一个安装点整体移动至另一安 装点，系统可用率高于9 8 等。 a l s t o m 公司根据上述性能指标，率先提出了一种链式结构的s t a t c o m ，其系统 构成如图2 5 所示，由2 3 m v a r 滤波器、1 2 7 m v a r t s c 以及一台7 5 m v a r 链式s t a t c o m 组成。由于装置的核心部分一电压源逆变器采用了新型的链式结构，获得一系列优 异的性能，包括造价低( 省去了多重化变压器的投资) ，占地少( 主体部分占地面 积少于4 0 0 m 2 ) ，冗余运行可靠性高，模块化设计扩展性好等等。 ( a ) s t a t c o m 装置外观 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 + 2 3 m 枷+ 1 2 7 m v k h o 肿o n i c h rt s c ( 嘲a r li 幽哪 土7 5 n ， r s 盯c o m b l ( b ) 并联无功补偿系统构成 图2 - 5 英国国家电网7 5 m v a r 链式s t a t c o m ( 5 ) 2 0 0 3 年美国康涅狄格州1 5 0 m v a r s t a t c o m u g l e n b r o o k 变电站位于康涅狄格州西南部，属于东北电力公司( n o r t h e a s t u t i l i t y ) 下辖的诺沃克一斯坦福地区电网。该地区为人口密集区，以居民用电和 商业用电为主，最高负荷可达1 2 0 0 m w 。 2 0 0 0 年夏天，发生一起双回输电线路倒塔故障( d o u b l e - - c i r c u i tt o w e r ) ，致 使该地区电压跌落致3 0 4 0 ( 故障中) ，故障后经历8 1 0 秒才恢复至9 0 ( 在 这个过程中大量空调负荷停转或闭锁) 。根据东北电力协调委员会( n p c c ) 和新英 格兰电力区( n e p o o l ) 的安全稳定运行导则，双回线路倒塔故障属于n 一2 导则之 内的扰动，不允许出现如此严重的电压跌落。因此必须对电网进行有效的改造，增 强电网应对事故的能力。 为此，东北电力公司考察了三种可行的解决方案。首先是加装固定电容器组， 经计算约需要3 0 0 m v a r ，这些电容全部投入后将使正常运行时系统电压过高。其次 是线路改造，将系统中几条l1 5 k v 输电线路改造成2 3 0 k v 线路将有可能满足n 一2 导则。然而其中部分线路刚从6 9 k v 改造成1 1 5 k v ，绝缘水平不能满足2 3 0 k v 电压， 另外，技术、经济和时间等方面的因素限制了架空线路的重建。最后一个方案是安 装1 5 0 m v a r 固定电容器组和1 5 0 m v a r s t a t c o m ，正常运行时，由s t a t c o m 吸收电容 器组的无功，防止出现过电压，故障时，s t a t c o m 和固定电容器组发出3 0 0 m v a r 无 功将电压支撑到容许范围内。仿真表明，安装s t a t c o m 后，系统发生双回线路倒塔 故障时，系统电压可以在故障切除后的2 秒钟内恢复到0 9 5 p u 以上。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 6 ) 2 0 0 4 年美国h o l l y i o o m v a r s t a t c o m n 7 】 h o l l y 电厂位于德克萨斯州内，属于奥斯汀电力公司。共有4 台机组，1 9 5 8 年 一1 9 7 4 年陆续投运，容量为5 9 0 m w 和3 4 8 m v a r ，机组设计寿命为3 0 一4 0 年。 该电厂位于居民区附近，对周边环境的影响显得尤为突出。9 0 年代中期，电力 公司花费了5 百万美元用于建造隔音及绝热设施。1 9 9 3 1 9 9 4 年间电厂发生了两起 火灾，引起居民的严重抗议。考虑到机组运行时间接近其设计寿命，另外不远处正 在新建一座低成本电厂，电力供应不会出现短缺。因此奥斯汀电力公司决定取缔这 座发电厂1 号和2 号机组在2 0 0 4 年之前、3 号和4 号机组在2 0 0 8 年之前退出 运行。 奥斯汀电力公司对取缔h o l l y 电厂之后当地电网的安全稳定进