220kV站STATCOM系统的开发与应用可行性研究报告

'220kV站STATCOM系统的开发与应用可行性研究报告22 一、目的和意义本项目旨在评估电铁负荷对电力系统的影响，制定电铁负荷造成的电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压等多项电能质量指标超标的解决方案，研制开发静止同步补偿器（STATCOM），并应用于小营220kV变电站110kV侧，重点解决电压波动、负序和谐波问题。随着经济的持续增长，我国的电气化铁路正在迅速的发展。但是随着电气化铁道的快速发展和迅速进入人口稠密的经济发达地区，牵引供电系统的电能质量问题也受到日益广泛的关注。电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，具有以下特点：以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷；负荷随列车重量、线路坡道、牵引或制动等不同条件而剧烈变化；负荷电流中含有大量谐波电流；无功电流大，功率因数低；对电力系统产生负序电流和负序电压。由于铁路运输的特殊性，电铁机车沿铁路移动用电，其产生的危害程度比起其他类型的非线性设备要严重的多。电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，给电力系统及其他电力用户带来许多不利影响。在机车运行过程中，具有严重的非线性，向电力系统注入大量的高次谐波电流，成为电力系统中最大的谐波源；其开停频繁，有功冲击大，造成电力系统电压严重波动；同时，自其出现以来就存在由于其结构上具有严重的不对称性，向电力系统注入了大量的负序电流；再加上目前我国绝大部分电力机车采用单相晶闸管相控整流制式，由此带来牵引供电网功率因数低、谐波含量高等一系列问题，严重影响公用电网的电能质量。由于电铁机车沿铁路移动用电，其产生的危害性远比其他任何谐波源设备更为严重，更为广泛。又因为其功率大，华北地区内广泛分布，对电力系统的安全经济运行影响面很广。小营站220kV变电站属枢纽变电站，主变容量为540MVA，无功备用容量不足，电压稳定性问题突出。同时，站内两台主变的110kV母线分别给大同铁路和天津铁路牵引站供电，并同时还要向许多厂矿供电。由于电力机车为大功率单相冲击性负荷，使得电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压总畸变率等多项电能质量指标都超过国家标准限值。给电网造成了严重污染，影响了其它负荷的正常生产。静止同步补偿器STATCOM（StaticSynchronousCompensator，以往称为SVG：StaticVarGenerator），是当今无功补偿领域最新技术的代表。STATCOM并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可灵活控制，跟随负载的变化自动快速连续调节无功功率补偿量，维持母线电压，或者通过电流跟踪补偿实现对冲击性负载或谐波负载的实时动态补偿。由于其响应速度快，STATCOM对解决冲击性负荷所带来的三相不平衡、电压波动、谐波超标、功率因数低等电能质量问题有着重要的意义。22 该项目在小营变电站110kV侧母线安装STATCOM，综合治理电铁负荷造成的电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压等多项电能质量指标超标问题。在110kV侧装设STATCOM，在提高系统电压稳定性，抑制母线电压波动，治理三相电压不平衡度，治理谐波，提高电能质量等方面都可以起到很好的作用。由于小营变电站的主要负荷为电力机车负荷，在该变电站中STATCOM装置的应用对其它同类型变电站具有指导意义。同时，由于此项目是在秦皇岛地区实施的首套STATCOM装置，具有重要的示范作用。并且，进行项目分析计算过程中使用的STATCOM模型、参数、项目的分析计算方法、装置的实际运行维护经验等，都可作为技术储备，为其它先进的电力电子技术应用奠定基础。STATCOM技术在电力系统中的应用和推广将推动我国电网控制技术向更高水平发展。基于此背景，该项目的顺利实施具有重要意义。一、国内外研究水平综述改革开放以来，我国电气化铁路（以下简称“电铁”）获得迅速发展。目前，全国电铁通车里程逾万公里，遍及全国十八个省（自治区、直辖市）电网。随着电气化铁道的快速发展和迅速进入人口稠密的经济发达地区，牵引供电系统的电能质量问题受到日益广泛的关注。据不完全统计，自电铁投运三十多年以来，电铁谐波与负序已引发过200MW发电机跳闸，山西、河南、贵州等电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，发电机转子损坏，继电保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使社会、电力部门和用户蒙受了巨大的经济损失。随着电铁运量的增加和电铁向东部发达地区扩展，如电铁谐波仍然不能得到及时治理，其产生的危害将会更加严重。电力工业部指出为认真贯彻《电力法》，确保供电的电能质量，保障电网安全和广大用户的利益，在保证电铁安全供电的同时，必须尽早尽快治理好铁路牵引系统电能质量。目前，我国电气化铁路无功补偿及谐波治理，主要是从作为污染源的机车本身和牵引变电站两方面着手来提高电能质量。电铁负序治理现状之一是通过平衡变压器或V/V接线方式治理负序，另一方法是采用轮流换相技术来平衡负荷治理负序。22 提高机车自身的功率因数并降低谐波的措施有装设电力机车无功补偿装置及多段桥整流方式；在牵引变电站提高功率因数、降低谐波：通过在变电站牵引母线通过真空开关投入三次谐振滤波器补偿电路是一个广泛采用的方法，其优点是在变电站集中补偿，需要的补偿设备总容量较小，投资节省；可补偿接触网线路电感产生的无功功率；根据供电臂的无功电流而调整补偿量，变电站有较高的功率因数，流入电力网的无功电流与谐波电流相对较小。缺点是它不能细调且响应慢，由于开关投切时间的随机性，投切是有很大的电流冲击与很高的过电压，易使开关与电容器损坏。作为开关投切电容器的升级，TSC是一个不错的选择。它本身不产生谐波，但是它最大的不足就是不能够连续调节，只能分级调节。这种方法特别适用于行车密度低，且列车为重载的区间。从日本的经验看所占比例仅为7％。绝大部分场合仍采用TCR型的SVC。治理电铁的所带来的不平衡、电压波动、谐波超标等电能质量问题，从技术上讲，STATCOM相比SVC更有优势。主要体现为以下几点：1）响应更加迅速。SVC的响应时间为60～100ms，STATCOM响应时间≤10ms；2）电压闪变抑制能力倍增。SVC对电压闪变的抑制最大可以达到2:1，STATCOM对电压闪变的抑制很容易达到4:1甚至5:1。SVC受到响应速度的限制，即使增大装置的容量，其抑制电压闪变的能力不会增加；而STATCOM不受响应速度的限制，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力；3）运行范围更宽。STATCOM通过直接调节无功电流实现无功功率补偿，其输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性；SVC通过调节等值阻抗实现无功功率补偿，其输出电流和电压成线性关系。因此，STATCOM的电压－无功特性优于SVC，即当系统电压变低时，同容量的STATCOM可以比SVC提供更大的补偿容量；4）可靠安全，维护管理简单。在故障条件下，STATCOM比SVC具有更好的控制稳定性，SVC使用了大量电容器和电抗器，因此当外部系统的支撑变弱时，SVC会产生不稳定性，而STATCOM对外部系统运行的条件和结构变化不敏感；5）谐波含量很低。STATCOM采用了高频脉宽调制（PWM）技术与多电平技术，不仅自身产生的谐波含量很低，而且可以在一定程度上消弱负荷产生的谐波。SVC本身是一个很大的谐波源，要考虑避免所有的谐振情况，匹配完全合适的滤波器是非常困难而不可能的；6）占地面积减小。由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，STATCOM的占地面积通常只有相同容量SVC的50％；7）功率损耗低，节电效果显著。STATCOM由于不存在大容量的电容，电感器件，因此功率损耗比较低。且由于模块化设计，STATCOM的功率调节更灵活，超过调节需求部分的模块可以实现暂时闭锁，处于热备用状态，此时其功耗接近于0；8）不会产生并联谐振或谐波放大问题。SVC并联滤波器，容易引起谐波发大甚至并联谐振问题。STATCOM从工作原理上避免了产生并联谐振的可能。【国外STATCOM研究水平的现状和发展趋势】22 静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS技术的一个重要方面。STATCOM作为一项前瞻性研究的新技术，当今国外研制成功并投入运行的大容量STATCOM装置不足十套，主要包括：（1）日本关西电力与三菱电机共同研制的于1980年1月投运的世界上首台STATCOM样机。装置容量为20MVA，母线电压77kV，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器。直流侧电压917V，是通过启动变压器、整流器、平滑电抗器和6.6kV线路相连获得的。主电路结构采用三相桥六重化方案，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10°，六个单元逆变器的输出经由输出变压器合成为具有36阶梯的阶梯波。（2）美国EPRI和西屋公司研制的于1986年10月投入运行的±1MVASTATCOM装置。这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止无功补偿器。因为研制的目的是验证STATCOM的基本原理，所以装置的容量较小，主电路选择了两个三相桥移相30°的简单多重化方案。（3）日本关西电力公司与三菱电机共同研制的于1991年投运的采用GTO±80MVA的STATCOM装置。该装置首次实现了自励式起动。主电路采用了三相桥八重化的方案，各个桥之间移相角相差7.5°。单相桥中的每一个开关由三只4500V、3000A的GTO串联组成（其中一只作为冗余），直流侧电压4150V，GTO串联电路中，为了保证各只GTO上的动态均压，不仅每只GTO并联了RCD动态均压电路，而且在每只GTO的驱动电路中串联了可调电感，用来补偿各GTO关断时间的差异。（4）东京电力公司分别与东芝公司和日立公司开发了两台±50MVASTATCOM装置，于1993年投运。该装置采用了三相桥四重化方案，直流侧电压16kV。三相桥中的每个开关由12只GTO串联而成（3个模块串联，每个模块由4只GTO组成）。同时，为了提高响应速度并降低谐波含量，两台STATCOM装置的三相逆变器分别采用了双脉冲和三脉冲PWM调制。（5）美国EPRI与田纳西电力公司、西屋电气公司合作研制了±100MVA的STATCOM装置，于1996年投运。该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4500V、4000A的GTO串联组成（其中一只为冗余），直流侧电压6.6kV。在同一变电站，还安装了由STATCOM控制投切的84MVA开关投切式并联电容器组，扩大了STATCOM装置的有效控制范围。（6）德国西门子公司于1997年开发研制了8MVASTATCOM装置，又称GT-SVC，由两个STATCOM组成，它们可以分别在±4MVA的范围内进行连续调节。因为单个STATCOM的容量比较小，采用了普通的三电平结构。22 （7）美国电力公司和西屋公司以及美国EPRI合作研制了世界上唯一的UPFC装置，该装置由共享直流侧电压的并联和串联两个基于大功率GTO电压型逆变器组成，容量各为±160MVA。装置的并联部分，即STATCOM于1997年7月完成，和TVA±100MVA的STATCOM装置不同，该装置采用了三电平结构的多重化方案。（8）Alstom公司为英国国家电力公司研制的±75MVASTATCOM于1999年投运。与其它的STATCOM装置相比，该装置有两个特别之处。首先，该装置是由±75MVA的STATCOM装置和传统的SVC（TSC容量为127MVA，滤波器容量为23MVA）共同组成的可移动的静止补偿器；其次，该装置首次采用了链式结构，即逆变桥串联的方案。在国外，STATCOM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。【我国STATCOM研究水平的现状】目前，国内STATCOM的研究也引起了电力部门与一些院校和科研单位的高度重视，并已开展了多方面工作，取得一定的成绩：（1）1994年电力部重点科技攻关项目±20MVarSTATCOM，清华大学与河南省电力局合作，1999年投运，2000年通过部级鉴定，当选2000年全国高校十大科技成就之一，2002年获国家奖；（2）2002年11月国家电网公司重点科技攻关项目：“上海电网黄渡分区±50MVarSTATCOM示范工程”通过立项评审。项目分为两部分：（a）电力系统暂态电压稳定的控制—±50MVarSTATCOM关键技术问题的研究——2004年1月通过评审（b）西郊变电站±50MVarSTATCOM装置的研制——2004.3-2006.3±50MVarSTATCOM装置2006年2月28日并网运行，3月7日完成全部现场试验，4月10日通过国家电网公司组织的验收，认为核心技术达到国际水平。一、项目的理论和实践依据[项目的原理简述]STATCOM（StaticSynchronousVar22 Compensator）是一种基于大功率换流器技术的静止无功补偿装置，是FACTS技术产品领域中关键设备之一。STATCOM是并联的无功补偿装置，在运行时相当于一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源，通过控制电力电子系统的特定参数可以改变输出，可以发出或者吸收无功。STATCOM以电压型逆变器为核心，由系统通过联络变压器和变流器整流后向电容器充电，同时在电容器上的直流电压通过变流器逆变成三相交流。STATCOM的等效原理图上图为STATCOM的等效原理图，图中US为系统电压，UC为逆变器输出的工频交流电压，两个电抗器XS和XC分别表示系统阻抗和STATCOM与系统之间的连接电抗器及变压器。STATCOM和系统之间的无功交换可以通过改变逆变器三相输出电压UC的幅值实现。经过适当的闭环控制，使逆变电压UC与系统电压US同相位，那么电流I将是一个纯无功电流，表达式如下：改变逆变电压UC的幅值就可以改变电流I的性质：●当逆变器输出电压幅值增大超过系统母线电压，即UC﹥US时，电流从逆变器侧经过电抗器流向系统，STATCOM相当于系统的容性负载，发出容性无功送给系统，见下图（a）；●当逆变器输出电压幅值减小低于系统母线电压，即UC﹤US时，电流从交流系统流向STATCOM，STATCOM相当于系统的感性负载，从系统吸收感性无功，见下图（b）；（a）UC﹥US时，I为容性（b）UC