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20 Mvar新型静止无功发生器及其运行分析2009-09-08 11:53:20|分类： 论文 |标签：无 |字号大中小订阅 摘要：随着我国电力系统的不断发展，电力系统的无功问题及动态电压稳定问题日益凸显，高压大容量新型静止无功发生器（static synchronous compensater，STATCOM）是解决上述问题的强有力手段。文中详细地介绍了我国首台20 Mvar STATCOM工业样机的基本原理、主电路结构、纯水冷却系统、保护控制系统及监测系统。最后介绍了20 Mvar STATCOM装置的现场运行情况，根据现场记录的数据给出了装置的运行率、计划停运率及强迫停运率，并对装置运行中出现的问题给出了分析。20 Mvar STATCOM工业样机的开发经验及现场运行经验对高压大容量STATCOM装置的产业化有重要的价值。 关键词：稳定性；新型静止无功发生器；门极可关断晶闸管0引言近年来，我国电力工业发展迅速。随着新建电厂的不断并网发电，我国电力系统总装机容量上了新的台阶，然而整个电力系统出现了输电网络建设滞后于电厂建设的问题。许多长距离输电线输送的功率受到稳定极限的限制，这些输电线线路中间和受端由于缺乏强有力的电压支撑，其稳定极限大大低于其热稳定极限1。这导致送端的发电厂窝电现象突出，发电厂的容量不能得到充分地应用。如何提高长距离输电线的稳定极限接近甚至达到其热稳定极限是一项有价值而且紧迫的工作。柔性交流输电技术为增强输电系统提供了新的手段。安装在长距离输电线中间或受端的静止无功补偿装置（如SVC、STATCOM等）能够提供电压支撑从而能极大地提高长距离输电系统的稳定性。有鉴于此，河南省电力公司和清华大学从1994年开始共同研制可以投入工业现场运行的大容量20Mvar STATCOM装置，经专家评审，该研究项目被列为电力部重点科研攻关项目。1996年，作为第一阶段的成果，课题组研制出基于曲折变压器主回路结构的300kvar STATCOM实验装置，在郑州市110kV孟砦变电站进行实验，现场测试获得的良好的静态和动态特性表明STATCOM装置在提高系统性能方面的有效性和装置本身设计的正确性，该中间成果获得1997年电力部科技进步二等奖；1999年20 Mvar STATCOM装置在河南洛阳220kV朝阳变电站投入运行，这标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段，项目在2000年6月通过由国家电力公司组织的专家鉴定，并获得2001年中国电力科学技术奖一等奖。装置投运后，不仅提高了系统的稳定性，而且能够有效地利用现有的输电设备，根据数字仿真和分析，每1.0Mvar的无功功率可以提高0.7 MW的有功功率输送极限2。本文将较详细地介绍20Mvar STATCOM装置及其现场运行情况，并分析装置运行中的问题。1STATCOM装置的基本工作原理STATCOM装置主要由电压型逆变器、连接变压器及起直流电压源作用的直流电容器组成，在理想状态下，其等效电路、相位图见图1，图1中Vi为STATCOM的逆变输出电压，VS为系统电压。在理想状态下，首先将Vi、VS同步，然后，通过控制Vi的幅值从而控制Vi与VS的电压差来调节装置的无功输出。图1理想状态下STATCOM的工作原理图(a)等效电路；（b）相位图当ViVS时，STATCOM处于超前运行状态，发出容性无功功率；当ViVS时，STATCOM处于滞后运行状态，发出感性无功功率；当ViVS时，STATCOM与系统间将不存在无功的交换(见图2)。在实际系统中，由于STATCOM存在内部有功损耗，所以要对STATCOM进行控制，使STATCOM的输出电压Vi与系统电压VS间存在一相角差这样系统就可以随时补充STATCOM装置的内部损耗，保证直流电容上电压的稳定，其工作的稳态特性非常相似于同步调相机。图2实际状态下STATCOM的工作原理图（a）等效电路；（b）相位图220Mvar STATCOM装置概况图3为20 Mvar STATCOM装置的结构图。该装置的输出通过10kV断路器与一台220/110/10kV的三绕组主变压器的10 kV输出侧相连。装置由启动整流器、门极可关断晶闸管（gate turn-off thyristor，GTO）逆变桥、直流电容器组、多重逆变输出变压器、高压开关柜、控制单元、监测单元、保护单元及水冷却系统等组成，装置还设有变电站中央控制室监控台及远程监测通信接口。图320 Mvar STATCOM装置的结构图2.1主电路图4为20Mvar STATCOM装置的主电路结构图3，直流电容器、环流电流电路及GTO逆变桥分成4组，每组分别对应0、-15、-30、-45三相逆变桥。主电路包括启动整流器、直流电容器组、GTO逆变桥、多重化变压器、10 kVA断路器。图420Mvar STATCOM装置的主电路结构图4台变压器及水冷系统散热装置安装于室外，室内分为高压室、控制室、逆变室、水冷系统室及备件室。逆变室中共安装有20个逆变柜、一个启动整流器柜、一个制动电阻柜及一个交流稳压柜。主电路的各项参数如下：容量20MVA；额定电压10kV；额定电流1 155A；控制范围 -20+20Mvar连续可调；大功率可关断电力电子器件4 500V/4 000A GTO；直流侧电压13001870V；总损耗小于2.5%。2.2控制和保护系统控制柜内配置了2台互为热备的控制器，控制器的采样、控制计算及脉冲发生器均采用基于32位数字信号处理器（digital signal processor，DSP）TMS320C31的硬件电路，其中脉冲发生器的相位精度高达0.054，使得无功控制的精度及稳定性得到保证。控制器实现了三种控制模式，分别是：恒电压、恒无功功率、提高暂态稳定极限的迭代学习控制。控制器还在系统异常时实现了以下3种保护功能：过流保护；系统三相电压不平衡保护；保护封锁后复位再启动。装置的保护柜接受控制柜输出的24路GTO驱动脉冲，对脉冲进行上下桥臂脉冲互锁、增加死区及进行GTO故障诊断、过电压、过电流等保护逻辑处理后，通过光纤输出给48个GTO驱动模块。保护单元同时完成故障时的脉冲封锁及输出主开关跳闸信号。装置在进行主电路设计时，通过采用具有软恢复特性的快速恢复二极管和尽可能减小主电路及吸收电路连线电感的措施，有效地减小了大功率GTO关断过电压的峰值，通过增设嵌位电容的手段抑制了由于吸收二极管的反向恢复过程引起的电压尖峰，从而很好地保护了GTO器件。装置还通过制动电阻电路和环流保护电路对直流侧过电压和桥臂直通短路故障进行了保护5。2.3监测系统监测柜安装有监测系统上、下位工业计算机及远控接口单元4。下位机对16路重要模拟电气量进行实时不间断录波，每路采样速度为20kHz，所录波形为STATCOM故障诊断提供依据。上位计算机运行于中文WINDOWS98环境，它对整个装置110个开入量、26个模拟量进行采集，提供人机交互界面并进行故障诊断。上下位机通过10Mbps的网卡进行数据交换。远控接口单元采集重要的故障信息及电气量，并通过RS485通信接口将数据传输给变电站中央控制室。上位机还实现了远地监测通信接口。2.4水冷却系统20MvarSTATCOM装置采用了全封闭循环的纯水冷却装置对主电路的元件进行冷却。全封闭的循环水冷系统由于其具有散热效率高、体积小、污染小、能耗低、造价与油冷系统相近、寿命长的特点而在大功率变流装置上得到了越来越广泛的应用。水冷装置的性能特点是:采用纯水冷却；循环流量为30t/h；冷却发热量为200kW；水电阻率：2Mcm(不带温度补偿)；工作介质为60%高纯水加40%乙二醇，凝结温度-15。水冷散热器安装于室外，他通过3台风机将循环水带出的装置热量散耗于室外，以保证循环水运行于较低温度。3台风机的启/停由水冷装置的PLC控制器控制。加入到循环水中的40%乙二醇确保散热器水管在-15以上的室外温度下不被冻裂。320Mvar STATCOM装置的运行与控制图5(a)为无功从0跳变至20Mvar时的电压电流响应曲线，图5(b)为无功从0跳变至-20Mvar时的电压电流响应曲线。上述动态过程曲线表明20Mvar STATCOM装置有良好的动态性能6。图6为20Mvar STATCOM装置的输入输出特性曲线。图6表明，大容量SATATCOM装置的输入输出特性具有明显的非线性，特别是在零点附近具有较大范围的死区，因此在控制规律设计时要采取非线性校正技术，克服死区造成响应速度缓慢的影响。图520Mvar STATCOM装置的阶跃响应曲线(a)无功从0跳变至20Mvar时;(b)无功从0跳变至-20Mvar时图620Mvar STATCOM装置的输入输出(-q）特性曲线420Mvar STATCOM装置的运行情况统计分析1999年410月，20 Mvar STATCOM装置分别运行在零无功、发无功（8、10、l5Mvar）、吸无功（8Mvar）状态；1999年10月25日至今，20Mvar STATCOM装置运行于恒电压状态（参考电压设定在10.210.4kV之间），并由变电站值班人员每天对装置的运行工况进行记录，从运行记录可以看出，装置在投入运行以来的大部分时间内运行稳定可靠，装置输出无功在-8+8Mvar之间变化，其间由于系统或装置自身发生故障等原因曾造成装置退出运行，具体情况见表1。表120Mvar STATCOM装置运行时间及可靠性统计表（2001年9月30日） 统计内容装置停止运行时间间隔原因时间/h统计时间1999-04-01T 03:002001-09-30T 24:0021 933计划停运时间（正常操作停电）1999-07-30T 0:001999-08-15T 21:001999-09-22T 12:001999-09-27T 21:001999-12-17T 0:002000-01-09 T 0:002000-02-24T 09:002000-02-25T 20:00变电站2号主变压器停电 变电站2号主变压器停电装置运行场所装修变电站2号主变压器停电 1121 计划停运时间（装置调试）1999-04-15T 18:001999-04-22T 12:00 1999-07-06T 10:001999-07-10T 15:001999-10-06T 10:001999-10-16T 18:002001-06-01T 14:002001-06-07T 18:00 装置负载试验 装置负载试验装置调试水冷系统检修，更换离子交换树脂 659 强迫停运时间（由电力系统故障引起）2001-01-18T 05:452001-01-18T 06:302001-02-22T 08:542001-02-22T 09:302001-08-02T 10:302001-08-02T 17:30详见表后故障说明8.5强迫停运时间（由装置自身故障引起）2000-04-10T 10:002001-04-26T 14:002000-05-24T 22:002000-05-29T 18:002000-12-03T 08:002000-12-03T 12:002001-02-27T 10:002001-03-02T 18:002001-08-23T 20:002001-09-10T 09:00详见表后故障说明 1 009 4.1系统故障2001年01月18日05：4506：30由于系统发生闪络故障，造成3号站所用变压器停电，由于装置的水冷系统电源取自3号站所用变压器，所以装置短时间内退出运行；2001年02月22日08：5409：30系统发生污闪，系统电压出现严重的不对称，导致装置跳闸，后事故恢复后，装置投入运行；2001年08月02日10：3017：30，由于变电站10kV线路发生故障，造成3号站所用变压器停电，装置退出运行，3号站用变压器恢复后，装置重新投入运行。4.2装置自身故障2000年04月10日10：00至4月26日14：00由于小壁虎爬入，引起STATCOM装置直流侧正负母线之间短路，并造成一只GTO管损坏，STATCOM装置退出运行；2000年05月24日22：00至5月29日18：00装置保护动作退出运行，经过检查发现是由于保护电路中的4049反门芯片失效引起的，更换芯片后装置一切正常，重新投入运行；2000年12月03日08：00至12：00，由于水冷系统的水位下降，水位低保护动作将装置跳闸，在给水冷系统补水后，重新投入运行；2001年02月27日10：00至03月02日18：00，由于GTO驱动模块在发较大无功时出现抖动，导致GTO过电流超过二级保护限制（超过一级保护限制，STATCOM装置封锁脉冲，超过二级保护限制，STATCOM装置跳闸），装置跳闸退出运行，在更换驱动模块后投入运行；2001年08月23日20：00至09月10日09：00，装置直流侧母线出现放电（电压1 600V，位于30A相桥柜内，放电原因是由于装置直流侧正、负母线之间的设计距离过短且没有及时对灰尘进行清扫引起的），在对母线进行修理，并对母线采取了相应的加强绝缘措施后（如在正、负母线间加装绝缘膜，在母线上涂绝缘漆等），装置重新投入运行。从表1可知： STATCOM实际运行时间为21 933-1 780-1 017.519135.5（h）； STATCOM运行率为（19135.5/21933）100%87.3%； STATCOM强迫停运率为（1017.5/21933）100%4.6%； STATCOM计划停运率为（1 780/21 933）100%8.1%。从STATCOM装置的运行及测试结果可知，STATCOM装置具有连续输出从额定感性无