蘇州地區STATCOM 工程可行性研究

國網江蘇檢修公司蘇州運維站 謝 吉

靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, 簡稱STATCOM）是當今無功補償領域最新技術的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統（FACTS）的重要組成部分。本文以蘇州南部電網存在問題為抓手，通過對STATCOM的技術性能、無功補償效果、裝置配置方式的闡述，循序漸進地證明了STATCOM裝置在蘇州500千伏吳江變安裝的必要性和重要性，本文還對STATCOM工程的原理和方案進行了介紹。

引言：蘇州南部地區電源較少，負荷較大，需要外部電網的潮流輸送以滿足供用電平衡，目前依靠 6回 500kV 交流線路和1回±800kV 直流通道送電，交直流通道潮流較重。一旦發生電網故障易引起潮流轉移產生無功電壓問題，從而造成無功損耗巨大無法支撐系統穩定，其中特高壓錦蘇直流的存在是導致蘇南電網易電壓過低、暫態失穩的根本原因。蘇州南部電網在快速無功響應方面尚不能滿足要求，存在安全穩定隱患，因此需在蘇州南部電網考慮裝設動態無功補償裝置以提供快速無功控制，可在防止系統電壓崩潰、提高系統電壓穩定性、減少換流站換相失敗次數、減少換流站換相失敗時間、提高電網電能質量等方面起到顯著的作用。

1.蘇州南部電網無功電壓存在問題解決措施

一般改善系統電壓穩定問題的途徑有加強地區網架結構、新增電源和安裝動態無功補償裝置三種，由于蘇州南部地區經濟發達，改變網架結構、新建 500千伏線路走廊的難度較大，而新建電源又存在較大不確定性，因此選擇安裝動態無功補償裝置。

動態無功補償設備主要包括SVC和STATCOM，技術性能比較如表1所示。 可見，STATCOM的技術性能優于SVC，可更大程度地維護無功平衡與電壓穩定，有利于減少電壓波動，從而減少直流的換相失敗。

表1 動態無功裝置技術性能比較

2.系統故障后STATCOM裝置無功補償效果分析

2.1 故障后系統暫態穩定

當在蘇州南部電網中加裝STATCOM裝置后，能迅速抑制電壓曲線波動，鎮定電壓的振蕩，使曲線平穩，同時能減少換流站換相失敗次數以及換相失敗時間。

2.2 故障后暫態穩定但電壓質量較差

以錦蘇直流閉鎖故障為例，當在蘇州南部電網中加裝STATCOM裝置后，故障瞬間的電壓躍變有明顯改善，由于換流站內無功投切延遲，直流閉鎖之后系統電壓有一個瞬間提升后驟降的過程，安裝動態無功補償裝置前，吳江變母線最高電壓1.07pu，最低0.86pu，安裝動態無功補償裝置后，吳江站母線最高電壓1.05pu，最低 0.88pu，較安裝前對電壓越變有明顯的改善。 故障后幾秒STATCOM裝置有明顯的系統電壓支撐作用，吳江變300周波恢復電壓由0.888pu上升至0.901pu，約提升 10kV。電壓曲線如圖1所示。

圖1 錦蘇直流閉鎖，吳江變輸出電壓曲線

2.3 最嚴重的暫態失穩情況

以檢修方式下N-2故障為例，當在蘇州南部電網中加裝STATCOM裝置后，故障后STATCOM裝置能立即響應輸出無功維持系統穩定，挽救系統的動態失穩。電壓曲線如圖2所示。

圖2 檢修方式下N-2故障，吳江變輸出電壓曲線

綜上所述，STATCOM裝置可以在不同程度的系統故障后快速響應，發出動態無功，維持系統電壓水平。裝置的效果可 體現為提升系統恢復電壓、減少直流換相失敗次數、減少系統電壓低于0.7pu的持續時間等。

3.STATCOM裝置配置方式研究

3.1 安裝地點選擇

直流閉鎖后，如選擇在吳江變安裝STATCOM裝置，吳江、木瀆、同里的電壓均提升最多，車坊的電壓提升也很明顯；而選擇在木瀆變安裝STATCOM裝置，各站的電壓均提升最少，效果并不明顯。究其原因，木瀆變和車坊變位于蘇南對外聯絡通道上，正常潮流方式下通過聯絡通道和直流輸送電力，而吳江位于最南部，負荷最重時主要靠直流輸送電力。無論是直流還是交流故障導致直流閉鎖大功率失去后，木瀆和車坊可先于吳江得到支援、減少無功損耗，所以蘇南地區安裝動態無功補償裝置應選擇500千伏吳江變。

3.2 配置容量分析

針對最嚴重的暫態失穩情況進行分析，蘇州南部地區故障后使系統恢復穩定所需的動態無功補償裝置最小容量如表2所示。由此可知，為改善蘇州南部地區電壓穩定情況，滿足各類故障的要求，2018年需配置 300Mvar STATCOM裝置，并留有遠景擴建可能。

表2 2018年蘇州南部電網穩定計算結果

3.3 安裝方式選擇

STATCOM裝置可選擇通過二繞組變壓器直接接入母線高壓側（直掛式）、中壓側（直掛式）或者安裝在主變低壓側，根據吳江站的實際情況，主變低壓側已經沒有位置，無功補償裝置需選擇直掛式安裝。以直流閉鎖故障為例分析，電壓曲線如圖3所示，通過吳江站電壓恢復情況可以看出，直掛220kV與直掛500kV方式均使恢復電壓提升，恢復值直掛220kV比直掛500kV 略優。

圖3 直流閉鎖時，直掛220kV與直掛500kV方式輸出電壓比較

4.500千伏吳江變STATCOM工程方案

在吳江變裝設3組STATCOM動態無功補償裝置，單組STATCOM可調的無功范圍為-100Mvar至+100Mvar，3組STATCOM接在新增的35kV母線上，并通過專用變壓器接入220千伏母線。單套STATCOM關鍵設備由換流器、連接電抗器、啟動回路、控制保護系統及閥冷系統組成。換流器采用基于IGBT的模塊化多電平電氣拓撲、立式集成閥塔結構、集裝箱布置，冷卻方式為高效成熟的水-風冷卻方式。其中，國產3300V電壓等級IGBT在百兆乏級STATCOM中為首次應用。

換流器每相為一個獨立集裝箱，三相之間通過電抗器構成角型聯接，每相閥塔分為三層，每層分為兩個閥段，每層共14個功率單元，單相閥塔共計42個功率單元，如圖4所示。

圖4 單相閥塔實物外形

5.結論

蘇州南部地區加裝STATCOM動態無功補償裝置后，無論是較輕的故障或是較嚴重的故障，均能抑制電壓曲線的波動，鎮定電壓的振蕩，同時提高附近500千伏站點的長過程動態運行電壓。江蘇作為全國的多饋入交直流受端電網，今后區外來電將不斷增加，長期存在電網安全穩定隱患，蘇州500千伏吳江變STATCOM動態無功設備的裝設將成為江蘇大受端電網快速無功響應的技術儲備。