高壓大容量動態無功補償裝置STATCOM起動方式的研究

劉錦寧 李 曠 張海濤 姜齊榮

（1.廣東電網公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；2 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051；3 清華大學，北京 100084）

隨著電網結構的不斷發展和負荷的不斷增多，對電網的穩定性和供電的可靠性提出了更高的要求。動態無功補償裝置不僅能減小電壓波動提高電網穩態情況下的穩定性，而且當系統故障時能迅速的提供電壓支撐，加速故障的恢復過程，提高電網暫態的穩定性。

STATCOM 作為新一代動態無功補償裝置在輸出諧波電流、性價比、響應時間以及低壓時無功輸出能力等方面相比SVC性能均有了很大的提升[1]。正是由于 STATCOM 的這些特點，高壓大容量的STATCOM 在電網中的應用將越來越多，以提高系統暫態的穩定性。關于STATCOM在運行過程中的控制方法有很多文獻均給出了詳細的介紹和說明，而關于高壓大容量 STATCOM 的充電和并網方式（起動方式）討論的較少。本文結合“百 MVA級鏈式靜止補償器STATCOM研究及應用”科技項目的設計及現場實施情況，對STATCOM的并網起動方式進行了分析，提出了一套適合電網應用的STATCOM起動方案。

1 STATCOM的組成

目前，高壓大容量STATCOM從可靠性和實現難度等方面考慮一般采用鏈式結構，三角形接法(如圖1所示)。一方面可以將電壓等級提高，另一方面使STATCOM可以應對電網的不平衡故障。一般高壓大容量鏈式STATCOM主要由連接電抗器、換流鏈、冷卻系統和控制系統等組成。其中最重要的是換流鏈，它是STATCOM實現無功輸出的關鍵。換流鏈是由多個功率單元串聯而成，根據不同的電壓等級串聯相應個數的功率單元。根據鏈式STATCOM 的控制原理，每個功率單元可以等效成一個受控電壓源，從而每個換流鏈通過疊加可以生成更高的電壓。通過控制換流鏈輸出電壓的幅值和相位，達到控制無功輸出和穩定直流電壓的目的[2]。鏈式STATCOM結構如圖1所示。

圖1 鏈式STATCOM的結構

在STATCOM運行階段通過特定的直流平衡控制，可以保持直流電壓在一定范圍內波動[3]。而在STATCOM 起動階段，直流側電壓為零，而且此時與電網處于斷開狀態。為了避免投入瞬間對電網以及設備造成巨大沖擊，應當對直流側電容進行預充電操作，將 STATCOM 直流電壓穩定在一定值[4]。由于在電網中應用的STATCOM電壓等級和容量均比較大，所以在起動階段如何確定設備的正常，減小電網的風險也是需要考慮的問題。

2 STATCOM起動方式

在 STATCOM 正式運行輸出無功之前，STATCOM 首先要進行直流電容充電過程。對直流電容充電目前一般采用兩種方法：自勵和他勵方式。自勵一般是通過增加限流電阻，利用電網進行充電操作。其直流電容的充電能量來自于和 STATCOM相連的高壓電網。具體原理如圖2所示[4]。

圖2 自勵方式充電方式

初始時，斷路器（QF1）和接觸器（K1）均于斷開狀態。當對直流電容器充電時，QF1閉合通過限流電阻對電容器充電，此時每個功率單元處于整流狀態，持續一段時間后K1閉合將限流電阻旁路，此時又對電容器進行一次充電，最終穩定在一電壓值。

此方式通過限流電阻來減小充電電流，從而減小對設備的沖擊。限流電阻的選擇需要考慮充電功率以及充電電壓。電阻越大充電功率越小，而 K1閉合時的沖擊電流就會大；電阻越小充電功率越大，充電電流也越大。對于高壓大容量STATCOM來說，由于STATCOM容量和電壓等級較高，接觸器和限流電阻的選擇較困難，所以一般應用在低壓小容量STATCOM。而且設備在與電網相連前很難做試驗驗證設備的可靠性，對于首次投運增大了 STATCOM起動的風險，對以后的調試維護帶來困難。

他勵方式一般是在STATCOM與電網相連之前，通過外界電源給直流電容進行充電。其原理如下：

首先通過專用的充電模塊將低壓電源變成高頻的交流信號，然后通過隔離變壓器將能量傳遞給功率單元，然后經整流后給電容充電。

他勵方式在STATCOM并網前即對電容進行充放電操作，可以驗證直流電容的完整性。同時還可以進行觸發試驗，使STATCOM的換流鏈輸出與電網電壓同相位的電壓，來驗證功率單元是否可以正確觸發，控制系統的是否正常以及整個功率部分耐壓情況。自勵方式更適合高壓大容量STATCOM的應用，不僅提高了設備投運的成功率，而且減小對電網的影響。他勵方式充電方式如圖3所示。

圖3 他勵方式充電方式

他勵充電完成后，有兩種并網方式：一種是STATCOM進行觸發，使STATCOM輸出的端電壓與電網電壓同幅值且同相位，這樣使得并網時沖擊最小，并網成功后立即轉為運行狀態進行無功補償；另一種是封鎖STATCOM觸發脈沖，在并網成功后再根據情況運行 STATCOM。第一種方式對控制系統要求較高，實現難度較大。首先電網電壓實時在波動，保證完全一致比較困難，所以并網時會有一定沖擊電流，其次并網成功后存在控制模式切換的過程。第二種方式如果充電電壓比較高，那么沖擊電流很小。并網后，通過觀察功率單元直流電壓之間的區別可以測試功率單元靜態均壓效果，可以及時發現問題，為檢修維護提供便利。

經過以上對比分析，在電網應用的 STATCOM起動時的方案應該為：

1）采用他勵方式對電容進行充電，充電電壓為三分之一額定電壓。觀察功率單元的電壓的一致性，從而反映直流電容的情況。

2）進行觸發試驗，測試換流鏈輸出電壓與電網電壓的相位是否一致，可以驗證控制系統以及功率器件是否正常觸發。

3） 測試三角形內部換流驗證STATCOM三相輸出電壓的對稱性。

4）采用他勵方式對電容進行充電，充電電壓額定電壓或略小于額定電壓，并進行觸發試驗，驗證相關設備的耐壓情況。

5）采用封鎖脈沖方式并網，觀察功率單元直流電壓，測試功率單元靜態均壓效果。

經過以上步驟后，STATCOM 的功率單元主要組成部分均經過試驗考核，為STATCOM的運行提供了保證。

“百MVA級鏈式靜止補償器STATCOM研究及應用”科技項目在 500kV東莞站試點安裝的±200MVA STATCOM 的起動方式正是采用上述方式，在STATCOM的低壓調試和系統調試中起動過程平穩，性能安全可靠。

3 結論

根據鏈式 STATCOM 的結構和原理，分析了STATCOM 幾種起動方式，比較了它們的優缺點，從提高設備的可靠性和STATCOM運行維護的便利性等角度提出了適合高壓大容量STATCOM起動運行的方案，并在500kV東莞站STATCOM調試中得到充分驗證，極大的提高了設備可靠率，減小了設備對電網的風險。

[1]劉文華,宋強,滕樂天.無暫態電壓穩定與新型動態無功補償裝置[J].電工技術學報,22(7),2007.

[2]鄭紅平.鏈式STATCOM系統與控制及診斷保護的研究[D].鎮江:江蘇大學,2005.

[3]劉文華,宋強,滕樂天.基于鏈式逆變器的50MVA靜止同步補償器的直流電壓平衡控制[J].中國電機工程學報, 2004,24(4).

[4]劉書銘,郭春林,徐永海.并聯型電能質量調節裝置的起動充能策略研究[J].電力系統保護與控制, 2009,37(22).