（电气工程专业论文）35kv链式statcom的电网应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep o w e rg r i di no u rc o u n t r yl a c k st h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e ra n d t h ev o l t a g es u p p o r t sq u e s t i o ni sd a yb yd a y p r o m i n e n t a st h es t a t c o mh a saf a s t r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc u r r e n ts o u r c ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y a v o i d ”l a c ko fr e a c t i v ep o w e r ”a n d ”v o l t a g el a n d i n g ”t h ev i c i o u sc i r c l e h o w e v e r , t h ed o m e s t i ch a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o ns t a t c o m ，h i g h e s tv o l t a g el e v e li s l o k v , l i m i tt h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fs t a t c o m t h i sa r t i c l ec o m b i n et h e3 5 k v 8 m v a rc a s c a d es t a t c o md e v i c ea p p l i e dr e s e a r c hw o r k , f o c u s i n go nt h ep o w e r g r i d a p p l i c a t i o np o i n to fv i e w , f r o mt h es t a t c o md e v i c ea p p l i c a t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tr e s e a r c h ，p r i n c i p l e sa n db e n e f i t sa n a l y s i s ，s e l e c t i o no ft h e m a i nc i r c u i t ，c o n t r o l s t r a t e g y a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，e n g i n e e r i n gd i s c u s s i o no f d e s i g n ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n g ，e t c ，c a r r i e do u tm o r ed e t a i l t h i ss t u d yw i l lh e l pt o p r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fs t a t c o mi nt h ep o w e rn e t w o r k ，a n df o ro t h e rs i m i l a r p r o i e c t sh a v er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：c a s c a d e ，s t a t c o m ，p o w e rg r i d ，a p p l i c a t i o n v i 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎塑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作槲：了鹕蝴期：汐矽年仁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 黼叛1 ；鹕撇名：老刃薪 签字日期7 年阳印日签字日期渊年，乙月 ，j 日 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 致谢 本文的研究工作是在导师吴为麟教授的精心指导和悉心关怀下完成的。导师 严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身 上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此向导师致 以最衷心的感谢和深深的敬意! 在论文写作中，得到了浙江省电力公司王敏女士、思源清能公司黄祥伟先生、 浙江省电力工程设计院胡雪艳女士、绍兴电力局李电先生、沈雅琴女士等同事的 大力协助，提出了许多宝贵意见。同时在我论文实施工作中还得到了浙江大学郭 亮等其他同学和老师的帮助，在此我表示诚挚的谢意! 向一直支持、关心，为我默默奉献的家人表示感谢! 向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和同事表示由衷的谢意! 衷心地感谢在百忙之中评阕论文和参加答辩的各位专家、教授! 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 1 绪论 1 - 1 课题研究背景 无功功率补偿对电力系统有着重要意义。对电力系统进行适当的无功补偿， 可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网络有功功率损耗， 提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统运行安全性 目前变电所采用的无功补偿普遍为机械开关投切的静态无功补偿装置，其不 足之处有：仅能提供容性( 或感性) 补偿；不可连续调节；投切对系统有一定冲 击；断路器投切频繁；响应速度慢等。对于部分变电所无功负荷波动大，轻负荷 时电缆充电功率倒送，冲击性负荷( 如电气化铁道、大型电机等) 、非线性负荷 增多等情况，目前的无功补偿方式已不能满足电网无功平衡和电压稳定要求。例 如：电气化铁路牵引负荷是典型的冲击型非线性负荷，会产生一定的谐波电流。 如采用传统无源滤波器方案，存在如下问题：( 1 ) 难以同时解决负荷波动与谐波 治理两类问题；( 2 ) 滤波特性受系统参数与运行工况影响比较大，谐振频率依赖 元件参数，滤波性能不稳定；( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振，使得谐 波分量放大，供电质量下降，并有可能烧坏滤波电容器和电抗器。 随着大功率电力电子技术的飞速发展，基于大功率电力电子应用的动态无功 补偿技术也得到了快速发展。近几年来，使用大功率可关断晶闸管器件代替普通 的晶闸管构成的新型无功补偿器已进入实用阶段，这种装置称静止同步补偿器 ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 或称静止无功发生器( s t a t i cv a r g e n e r a t o r ，s v g ) 。s t a t c o m 分电压型和电流型电路两种由于电压型控制方便， 损耗小，因此在实际应用中被广泛采用其利用g t o 、i g b t 、i g c t 或i e g t 等大 功率电力电子器件组成电压源逆变器，将逆变器经过电抗器或者变压器并联接入 电网，通过调节逆变器交流侧输出电压或者电流的幅值和相位，迅速吸收或者发 出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。s t a t c o m 是柔性交流输电 系统( f a c t s ) 的核心装置和核心技术之一，是当前最新型的动态无功补偿装置。 从2 0 0 8 年开始，浙江省电力公司开始进行基于s t a t c o m 的动态无功补偿技 术应用研究工作，并在绍兴电力局的某2 2 0 k v 变电所实施配置8 m v a r 的3 5 k v 直挂式s t a t c o m 的应用研究和示范工程。本人有幸参与了此科研项目的实施工 浙江大学硕士学位论文 3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 作，本课题论文是以此科研项目为背景开展的 1 2 国内外研究现状 随着大功率电力电子技术的发展和日益成熟，s t a t c o m 的应用成为静止型动 态无功补偿技术的发展方向，作为当今柔性交流输电系统的一个重要部分进入 2 1 世纪后，国外加紧了s t a t c o m 用于商业用途的步伐，s t a t c o m 开始广泛应用于 电力系统、电气化铁道、钢铁厂、风力发电厂等诸多领域。目前世界上投运的 s t a t c o m 数量已达上百套，容量上从百k v a r 到百m v a r ，其中目前所了解到的容 量在5 0 m v a 以上的工业装置已超过1 0 套。国际上主要的s t a t c o m 装置的情况介 绍及相关资料如下： 1 2 1 日本关西电力与三菱电机共同研制的于1 9 8 0 年1 月投运的世界上首台 s t a t c o m 样机。作为世界上的首台装置，该s t a t c o m 的主要研制目的是验证利用 电压源逆变器进行无功补偿的基本原理。该装置容量为2 0 m v a ，母线电压7 7 k v ， 采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器直流侧电压9 1 7 v ，是通过起动变压器、 整流器、平滑电抗和6 6 k v 线路相连获得的主电路结构采用了三相桥六重化方 案，逆变器由六个单元逆变器组成，每个单元逆变器的输出电压波形相同，依次 相差1 0 0 ，六个单元逆变器的输出经由输出变压器合成为3 6 阶的阶梯波 1 2 2 美国e p r i 和西屋公司研制的于1 9 8 6 年1 0 月投入运行的i m v as t a t c o m 。 这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止无功补偿器。因为研制的 目的是证明a s v g 的基本原理，装置的容量也比较小，所以主电路也选择了两个 三相桥移相3 0 0 的简单多重化方案。 1 2 3 日本关西电力公司与三菱电机公司研制的于1 9 9 1 年在日本关西电力系 统的犬山开关站投运的采用g t o 的- t - 8 0 m v a 的s t a t c o m 。装设该装置的作用是为 了提高系统的稳定性并阻尼系统振荡。该装置首次实现了自励式起动，主电路采 用了三单相桥八重化的方案，各个桥之间移相角度依次差7 5 0 ，其中，单相桥 中的每一个开关由三只4 5 0 0 v 、3 0 0 0 a 的g t o 串联组成( 其中有一只作为冗余) ， 直流侧电压4 1 5 0 v 。g t o 串联电路中，为了保证各只g t o 上的动态均压，不仅每 只g t o 并联了r c d 动态均压电路，而且在第只g t 0 的驱动电路中串联了可调电感， 用来补偿各只g t o 关断时间的差异。 1 2 4 东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台于1 9 9 3 年在新信浓电 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t f 1 1 c o m 的电网应用研究 站投运的5 0 m v as t a t c o m 该装置采用了三相桥四重化的方案，直流侧电压 1 6 k v ，三相桥中的每个开关由1 2 只g t o 串联而成( 3 个模块串连，每个模块由4 只g t o 串联组成) 同时，为提高响应速度并降低谐波含量，两台s t a t c o m 的三 相逆变器分别采用了双脉冲和三脉冲p w m 调制。 1 2 5 美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 、西屋 电气公司合作于1 9 9 6 年1 0 月在s u l l i v a n 变电站投运的1 0 0 m v a 的s t a t c o m ， 该s t a t c o m 的主要作用是作为动态无功补偿装置在系统遭受扰动时起作用，维持 系统电压装置采用了三相桥八重化的方案，三相桥中的每个开关由五只4 5 0 0 v 、 4 0 0 0 a 的g t o 串联组成( 其中一只为冗余) ，直流侧电压6 6 k v 在同一变电站， 还安装了由s t a t c o m 进行投切的8 4 m v a 的开关投切式并联电容器组，扩大了 s t a t c o m 的有效控制范围。由于安装了该s t a t c o m ，s u l l i v a n 变电站避免投入大 容量变压器组或者新建线路 1 2 6 德国西门子公司在1 9 9 7 年开发研制的8 m v as t a t c o m ( 又称g t o - s v c ) 。 由两个s t a t c o m 组成，它们可以分别在4 m v a 的范围内进行连续调节因为单 个s t a t c o m 的容量比较小，采用了普通的三电平结构 1 2 7美国电力( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ，a e p ) 和西屋公司以及美国电力 科学研究院合作研制的目前世界上唯一的u p f c 装置，也是到目前为止容量最大 的f a c t s 装置，由共享直流侧电压的并联和串联两个基于大功率g t o 产电压型逆 变器组成，容量各为1 6 0 m v a ，整个u p f c 的容量为3 2 0 m v a 。装置的并联部分， 即s t a t c o m 于1 9 9 7 年7 月完成，和t v a 1 0 0 m v a 的s t a t c o m 不同，装置采用了 三电平桥的多重化方案。 1 2 8 由a l s t o m 公司为英国国家电力公司研制的7 5 m v a 的基于g t o 的 s t a t c o m ，1 9 9 9 年投运和目前世界上其他的s t a t c o m 相比，这台装置有两个特 别之处首先，装置是由7 5 m v a 的s t a t c o m 和传统的s v c ( t s c 容量1 2 7 m v a ， 滤波器容量2 3 m v a ) 共同组成的可移动的静止补偿器。其次，这台装置采用了单 相桥串联的多重化方案。2 0 0 3 年，a l s t o m 用同样的方案在美国投运了1 5 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，由两套上述7 5 m v a r 的s t a t c o m 并联组成。 1 2 9我国由清华大学和原河南省电力局合作研制的1 0 k v 2 0 m v a 的s t a t c o m ， 采用了基于g t o 的三单相桥四重化的方案。1 9 9 9 年3 月在河南省洛阳市朝阳 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t p d c o m 的电网应用研究 2 2 0 k v 变电站投入试运行目前国内作为工业实用大容量装置、经过运行鉴定、 具有自主知识产权的仅此一项。但实际运行中还存在一定的问题，需进一步研究 与解决 1 2 1 02 0 0 6 年2 月2 8 日，由上海电力公司、许继电源有限公司和清华大学合 作完成的采用i g c t 器件的1 0 k v 5 0 m v a r 链式s t a t c o m 装置在上海西郊变电站投 运成功，2 0 0 6 年4 月1 0 日通过了国家电网公司组织的专家验收，为进一步实现 产业化积累了宝贵的经验，也为在电力系统中应用大容量动态无功补偿装置提供 了一种新的技术选择。 1 2 1 1 国际上，除用于电力系统稳定控制以外，更多的是用在负荷侧治理冶金 等企业的电压波动，仅就三菱公司9 0 年到9 8 年的统计，共有近3 0 0 台的s t a t c o m 投入运行，应用行业遍布电力、冶金、铁路、矿山等行业 从以上资料可看出，目前国内外已有的s t a t c o m 大都是基于降压式或者三电 平桥的多重化降压方案。我国已完全掌握了采用i g c t 、i g b t 器件的链式s t a t c o m 核心技术及制造技术，并成功投入电网运行。因此，完全有能力研制更高电压等 级的直挂链式s t a t c o m 装置 1 3 课题的目的和意义 目前，我国电网特别是受端电网缺乏动态无功电压的支撑的问题日益突出。 由此产生了许多负面影响，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 故障时，缺乏动态的无功电压支撑，引起大面积的低压甩负荷； ( 2 ) 故障后，引起潮流的转移，造成大面积停电； ( 3 ) 突增电动机负荷引起无功和电压的恶性循环直至电压崩溃； ( 4 ) 突增负荷引起过流切线路的恶性循环以至电压崩溃。 这些情况，在发达国家的负荷中心( 巴黎和东京) 都发生过，提高电网暂态 稳定性，需要用动态无功电压进行支撑。而s t a t c o m 具有快速的响应特性和电流 源特性，可有效避免发生无功不足和电压降落间的恶性循环 但是s t a t c o m 装置要达到提高暂态电压稳定水平的目的，其容量一般需达到 1 0 0 m v a 到2 0 0 m v a ，且一般需直接接入3 5 k v 及以上电压母线。目前国内电力系统 投运的两套国产装置都接入1 0 k v 侧，限制了s t a t c o m 的推广应用，而降压变压 器的应用，也增加了s t a t c o m 的成本。因此研究应用直挂3 5 k v 的s t a t c o m 装置 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t a t c o m 的电网应用研究 将是本课题的研究重点。 课题主要结合3 5 k v 5 - 8 m v a r 链式s t a t c o m 装置的示范应用工程开展链式 s t a t c o m 应用整体方案设计，包括链式s t a t c o m 装置主电路的设计与选择，安装 点的选择，应用效果评估，工程设计与实施，系统级控制方案设计，系统试验与 测试等。主要目的和意义在于： ( 1 ) 研究直挂3 5 k v 的s t a t c o m 装置应用模式，适应电网百m v a r 级的快速动 态无功补偿需要。 ( 2 ) 开展变电所s t a t c o m 装置的典型系统接入、协调控制、典型设计、调试 试验等方面的研究，为动态无功补偿技术在电网的快速推广应用提供支持。 ( 3 ) 提高电网暂态稳定性，需要用动态无功电压进行支撑，有必要进行实际 应用的探索与技术储备，为柔性输电系统( f a c t s ) 技术的应用与发展积累宝贵 的运行经验。 1 4 本文的主要研究内容 本文将结合背景科研项目研究，针对3 5 k v 链式s t a t c o m 装置在电网中的应 用，重点从以下几个主要方面进行分析和探讨。 ( 1 ) s t a t c o m 的原理包括原理和优势分析。 ( 2 ) s t a t c o m 主电路选型分析。包括主电路结构、功率器件、启动方式、 冷却器系统等方面的选择比较。 ( 3 ) 链式s t a t c o m 的控制策略。重点讨论本项目采用的载波移相s p w m 控 制策略和分相瞬时电流跟踪控制方法的原理和仿真结果，阐述装置保护系统的设 计思路 ( 4 ) 背景试点工程设计方案讨论。包括电网接入设计方案、装置电气布 置设计方案、二次回路设计方案、与v q c 系统的协调控制等方面。 ( 5 ) s t a t c o m 系统调试和试验方案讨论包括工厂验收试验、现场调试和 带负荷试验等方面。 浙江大学硕上学位论文3 5 k v 链式s 1 ) c o m 的电网应用研究 2 s t a t c o m 的原理 2 1 s t a t c o m 的原理 基于可关断器件的s t a t c o m 是由自换相的电力半导体桥式交流器来进行动 态无功补偿的装置，其基本原理是将自换相的电力芈导体桥式电路通过电抗器或 者直接并联到电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者 直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现 动态无功补偿的目的 s t a t c o m 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其原理图如 下图2 1 和图2 2 所示。 u 。、u 曲 虬k 。西诗d t 一亡盲胁一已 t o 碎b j b1 j 痧jc = ，n ，n 。” o 1 - ri ， 一 2 3 60 9 5 c o s 由 0 9 0 浙江大学硕士学位论文3 5 k v 链式s t , 4 a c o m 的电网应用研究 2 2 0 k v 母线电压水平( k v )变电所高压侧功率因数范围 2 3 6 u 23 3 0 9 7 c o s 中 0 9 4 2 3 3 u 2 2 3 1 0 0 c o s 书 0 9 5 2 2 3 u 2 2 0 1 0 0 c o s 由 0 9 6 2 2 0 u 1 0 0 c o s 巾 0 9 7 s t a t c o m 装置电压控制目标为提高3 5 k v 母线电压波形质量( 考虑电压骤升 骤降、过电压、谐波、闪变、电压偏差大幅超标等情况的改善) 此方案的优点是： 1 ) 可充分发挥s t a