Open Journal of Circuits and Systems
Vol.05 No.04(2016), Article ID:19307,8 pages
10.12677/OJCS.2016.54008

Application of STATCOM in 500 kV Beijiao Substation

Qiu Hong1, Yang Zhang2, Yuting Chen1, Tao Huang3, Shilan Shen1

1Guangzhou Power Supply Bureau, Guangzhou Guangdong

2China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing

3CSG Power Dispatching Control Center, Guangzhou Guangdong

Received: Nov. 28th, 2016; accepted: Dec. 17th, 2016; published: Dec. 20th, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

With the development of power electronic technology, STATCOM has been playing an important role in improving the power quality of the power system with a smooth voltage regulation curve and a precise adjustment ability. This article takes the STATCOM application of 500kV Beijiao substation for example, analyzes the operation mode and voltage regulating principle, and describes the advantage and importance of STATCOM in power grid operation through the actual operation situation.

Keywords:STATCOM, Voltage Regulation, Power Quality, Power Grid Operation

STATCOM在500 kV北郊变电站的应用

洪秋1,张杨2,陈玉婷1,黄韬3,沈石兰1

1广州供电局有限公司,广东 广州

2中国核工程有限公司,北京

3中国南方电网公司电力调度控制中心,广东 广州

收稿日期:2016年11月28日;录用日期:2016年12月17日;发布日期:2016年12月20日

摘 要

随着电力电子技术的进步,STATCOM凭借着平滑的电压调节曲线和精确的调节能力,为电力系统电能质量的提高起到了重要的作用。本文以500 kV北郊变电站的STATCOM应用为例,对其运行模式和电压调节原理进行分析,通过实际运行情况,说明了STATCOM在电网运行中发挥的重要性和优越性。

关键词 :STATCOM,电压调节,电能质量,电网运行

1. 引言

电力系统中电能的传输传统的采用三相输电的方式 [1] ,近年来,直流输电技术越来越成熟,由于珠三角地区的经济发展迅猛,电力供应需求很大,但是区域的供电能力不足,我国的西部地区水力、煤炭资源丰富,水力发电、利用当地的坑口电厂发电较多,且大有盈余,通过“西电东送”的方式将电能送入负荷密集的区域。随着天广直流、楚穗直流、牛从直流等投入运行,中国南方电网已经形成了“八交八直”的高压输电网络,呈现出“强直弱交”特性,交直流的相互影响突出。当500 kV北郊变电站发生单相短路故障或三相短路故障,将导致八回直流同时换相失败。若交流系统故障不能快速切除,则多回直流持续换相失败或持续换相失败导致直流闭锁,系统将可能失去稳定。

当系统发生故障,导致系统电压下降,在严重的情况下可能导致系统崩溃。传统的调压方式包括发电机机端电压调节、变压器分接头调节、投入无功补偿装置调节,这些方式的响应时间较长。静止同步补偿器(STATCOM: Static Synchronous compensator)与传统的补偿装置相比,能够迅速补偿无功而提高功率因数和稳定接入点电压的电能质量,具有响应速度快,占地面积小等优点 [2] [3] [4] [5] 。

静止无功补偿装置能够快速、动态、持续的进行无功输出并可以提供阻尼低频功率振荡控制功能,在系统发生故障后的一两个周期内通过瞬发的无功补偿,来维持系统电压水平,其无功调节能力平滑,成为故障状态下系统无功电压支撑的重要方式之一 [6] [7] [8] [9] [10] 。本文通过分析STATCOM的控制原理和北郊站200 MVA容量的STATCOM的实际应用情况,验证了大容量STATCOM已经成为提供无功补偿、调整电压,改善系统电压水平,改善电力系统的动态和暂态稳定性的重要手段。

2. STATCOM原理介绍

STATCOM的原理就是将逆变电路通过电抗器或是直接并联接入电网,通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,或是直接控制其交流侧输出的电流,使该电路吸收或发出计算所需要的无功电流,实现动态无功补偿的目的。

设电网电压和STATCOM输出的交流电压分别用相量表示,则连接电抗X上的电压即为的相量差,而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是STATCOM从电网吸收的电流。未计及连接电抗器和逆变器的损耗,STATCOM的工作原理可以用图1所示的单相等效电路图来说明。在这种情况下,只需使同相,仅改变幅值大小即可以控制STATCOM从电网吸收的电流是超前还是滞后90˚,并且能控制该电流的大小。

3. STATCOM的主电路拓扑

北郊变电站的STATCOM有两套,单套STATCOM的容量大小为±100 Mvar,为35 kV电压等级的。其接线方式如图2所示。

STATCOM采用三角形连接,通过串联连接电抗器,经过断路器接入到35 kV母线。35 kV系统与220 kV系统是通过专用变压器连接,接入到北郊站的220 kV电压的母线。正常运行时,STATCOM与站内的电容器组、电抗器组一起作用,调节母线电压水平。在系统中发生接地故障的时候,作为无功储备,能够瞬时提供1.5倍额定功率的输出,对系统提供无功支撑,保证大电网运行的稳定性。

STATCOM采用级联的方式进行连接,其单相的换流链组成结构如图3所示。

单相换流链由27个换流单元组成,换流单元采用背靠背H桥的拓扑结构,通过PWM整流电路给储能电容进行充电(见图4)。通过控制系统驱动开关元件(IGBT)的通断,得到输出。

4. STATCOM控制电路分析

STATCOM控制系统,主要由检测电路、控制器、脉冲发生器/分配器、监控器等几部分及其监控后台系统组成。

STATCOM控制系统主要完成的功能包括STATCOM的逻辑操作,控制策略,保护功能,监测功能等内容。控制系统的工作过程是:通过电压互感器和电流互感器采集电网的电压和电流,通过IO电路、A\D转换电路,经采样处理后,传送到控制器中;控制器通过计算,产生PWM驱动信号,通过驱动电路加到变流器的门极,触发变流器的导通和截止,从而完成对STATCOM的控制。根据CPLD单元检测回路的反馈信号和功率模块的状态信息进行逻辑判断,实现保护功能。其系统控制流程如图5所示。

系统监控柜主要是监控后台的人机交互界面,对装置进行操作命令的下达,已经装置的运行状态监测,作为装置内部通信和与外界通信。

系统控制柜,则通过采集一次装置的采样,并且接受监控主机下发的操作命令,形成装置的控制策略。例如:STATCOM的无功输出,STATCOM本体的保护。装置控制柜的指令来自于系统控制柜。

装置控制柜形成控制策略,而脉冲控制柜则是接收命令。形成驱动IGBT通断的PWM信号,通过光纤传输到每个换流单元的CPLD控制板上,并接收每个功率单元返回的数据和状态。

(a) 单相等效电路(b) 相量图

Figure 1. The equivalent circuit and working principle of STATCOM

图1. STATCOM等效电路及工作原理

Figure 2. The system access method of the STATCOM

图2. 北郊站STATCOM的系统接入方式

Figure 3. The composition of single phase flow chain

图3. 单相换流链的组成形式

Figure 4. Structure of the inverter unit

图4. 换流单元的结构

Figure 5. Block diagram of control system

图5. 系统控制框图

5. 控制策略

北郊站STATCOM的主要作用是提高暂态电压稳定性,防止电压崩溃的发生;并且提供动态无功支撑,加速故障后电压恢复,减少低压释放负荷。在调度的控制下,可以参与站内的无功容量参与日常运行的稳态调压。

5.1. 控制模式

针对广州电网运行特点,STATCOM的控制方式有如下五种模式:

1) 人工干预模式

2) 暂态电压控制模式

3) 远方控制模式

4) 稳态调压模式

5) 稳态定无功控制模式

在现场应用中,STATCOM正常运行在稳态调压模式,根据系统的电压变化而进行自动调节,STATCOM装置的目标电压为220 kV的5 M、6 M母线电压。为保证装置留有足够的动态无功储备,装置输出容量选取标准为:容性上限略小于一组电容器,感性上限略小于一组电抗器,其取值为40 Mvar。

在暂态模式下,当三相电压有效值低于闭锁电压阈值80.3 kV (0.4 p.u.),STATCOM控制系统判定为近区短路故障,为避免装置进入暂态增大系统短路电流,暂态控制模式闭锁定电压控制,同时启动零无功控制,装置输出无功保持为零,直到零无功控制退出。其暂态控制模式的逻辑如图6所示。

当STATCOM在暂态控制模式下且不满足进入零无功条件时,STATCOM电压调整器结合了非线性增益功能,启动增益优化,有助于尽快实现无功功率满发,进入暂态后发出1.5倍额定容量的无功功率。

5.2. 输出方式

STATCOM可以分为两种运行方式:等容量运行方式和不等容量运行方式。

1) 等容量运行方式

每套阀组输出的无功为计算补偿无功的一半,两套STATCOM的阀组输出相等的无功,将无功输出指令值通过参考电流计算将各自脉冲信号发送给装置级控制器。

2) 不等容量运行方式

事先将两套阀组进行主和副分配。当目标补偿无功小于100 Mar时,由STATCOM主阀组进行调节输出给定无功,副阀组输出零。当目标补偿无功大于100 Mvar时,STATCOM主阀组输出100 Mvar,剩余部分由副阀组输出。

由于北郊站的STATCOM在平时参与站内无功调节的无功限额为40 Mvar,采用的了等容量的运行方式。

6. STATCOM运行

6.1. 正常运行模式

STATCOM正常工作时参与系统电压调节,是按照省调下发的电压调节曲线进行调压的。当母线实际电压低于目标电压时,STATCOM装置发出容性无功功率以提高母线电压,反之当母线实际电压高于目标电压时,STATCOM装置发出感性无功功率以降低母线电压。其补偿的无功功率值为[−40, 40] Mvar。装置运行界面如图7所示。

从监控后台的主界面可以看出,其输出无功功率为−40 Mvar (正为容性,负为感性),每台STATCOM

Figure 6. Logic of STATCOM in the transient control mode

图6. STATCOM暂态控制模式逻辑

Figure 7. The operation control interface of the STATCOM

图7. STATCOM运行控制界面

的出力为20 Mvar,处于等容量运行模式。此时220 kV的母线电压为230 kV,而省调下发的目标控制值为220 kV,STATCOM发出为感性无功。

6.2. 进入暂态运行模式

控制系统通过对220 kV三相电压有效值的大小和变化速度来识别故障,并根据故障的严重程度来实现相应的控制策略。当大电网中发生故障的时候,STATCOM检测到系统电压有波动,进入暂态模式。

以500 kV花都变电站500 kV母线发生单相接地故障为例,北郊站与花都站通过双回500 kV北花甲乙线连接,北郊站STATCOM检测到异常,进入暂态工作模式。故障时候220 kV母线电压波形、STATCOM的输出电流波形、功率输出波形如图8~图10所示所示。

通过分析,STATCOM在实际运行中,可以准确的检测到系统的故障,并且进入暂态模式,动态响应时间为9 ms左右,响应迅速,发出的无功容量为237.48 Mvar。有力的对大系统的无功进行了补充。

7. 结论

本文根据STATCOM的主电路拓扑,分析了STATCOM的接入电网方式和控制模式。依据北郊站中

Figure 8. The voltage waves of 220 kV bus when fault

图8. 故障时220 kV母线电压波形

Figure 9. The output current waves of STATCOM during failure

图9. 故障时STATCOM输出电流波形

Figure 10. The transient power curve of the STATCOM

图10. STATCOM暂态期间功率曲线

200 MVar容量的STATCOM的实际应用情况,分别探讨了其在稳态和暂态的运行方式,稳态时根据省调下发的母线目标电压与实际母线电压的偏差调整STATCOM的无功输出,达到减小电压偏差的目的;暂态时,以单相接地故障为例,检测到系统电压大幅下降时,快速响应,向系统输出大量无功功率,达到稳定系统电压的目的。本文为STATCOM在电网中的应用实践,做了一定的探究作用。

文章引用

洪 秋,张 杨,陈玉婷,黄 韬,沈石兰. STATCOM在500 kV北郊变电站的应用
Application of STATCOM in 500 kV Beijiao Substation[J]. 电路与系统, 2016, 05(04): 60-67. http://dx.doi.org/10.12677/OJCS.2016.54008

参考文献 (References)

  1. 1. 肖湘宁, 徐永海, 刘连光. 供电系统电能质量[M]. 北京: 华北电力大学, 2000.

  2. 2. 邸亚静, 等. 级联多电平电压质量调节装置的多目标控制[J]. 电力系统自动化. 2009, 33(12): 80-84

  3. 3. 梅永振, 王海云, 常鹏, 等. STATCOM对输电系统及受端电能质量的影响[J]. 电网与清洁能源, 2016(8): 1-6.

  4. 4. 胡伟, 孙建军, 姜一鸣, 等. 含STATCOM的孤岛微电网低频稳定性分析[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(10): 2454-2462.

  5. 5. 徐榕, 于泳, 杨荣峰, 等. 基于无源性理论的H桥级联STATCOM非线性控制策略[J]. 电力自动化设备, 2015, 35(1): 50-57.

  6. 6. 许树楷, 陈名, 傅闯. 南方电网±200 Mvar静止同步补偿装置系统调试[J]. 南方电网技术, 2012, 6(2): 21-25.

  7. 7. 黄剑. 南方电网±200 Mvar静止同步补偿装置工程实践[J]. 南方电网技术, 2012, 6(2):14-20.

  8. 8. 芦兴, 洪秋, 张文远. 基于FPGA控制的多电平电压质量调节装置研究[J]. 电网技术, 2012, 36(5): 150-155.

  9. 9. 李春华, 黄伟雄, 袁志昌, 等. 南方电网±200 Mvar链式STATCOM系统控制策略[J]. 电力系统自动化. 2013, 37(3): 116-121.

  10. 10. Lee, T.L., Hu, S.H. and Chan, Y.H. (2013) D-STATCOM with Positive-Sequence Admittance and Negative-Sequence Conductance to Mitigate Voltage Fluctuations in High-Level Penetration of Distributed Gen-eration Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60, 1417-1428. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2166233

期刊菜单