±200MVA鏈式靜止補償器STATCOM的主電路聯接型式分析

楊 程 李 曠 張海濤 何 師 侯小平

（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）

中國南方電網是我國目前惟一的交直流并聯運行的超高壓、遠距離、大容量互聯電網，根據南方電網的實際情況，高壓大功率變流器及靜止補償器STATCOM直掛電壓等級為35kV，容量為±200MVar。

STATCOM（Static Synchronous Compensator），即靜止同步補償器，又稱SVG（Static Var Generator），即靜止無功發生器，專指由自換相的電力半導體橋式變流器進行動態無功補償的裝置。

對南方電網35kV/±200MVA的鏈式STATCOM而言，整個系統的可靠性是建立在主電路（閥組）的可靠性之上的。也就是說，沒有可靠工作的閥組這一堅實基礎，整個系統的可靠性也就變成了空中樓閣而無從談起了。

因此，在南方電網35kV/±200MVA鏈式STATCOM的主電路方案設計過程中，系統可靠性是我們重點關注的核心問題之一。

1 聯接型式

從電路拓撲來講，對三相鏈式STATCOM而言，系統有兩種聯接型式，即“Y型”聯接和“Δ型”聯接。

對確定的電壓等級和容量等級而言，“Y型”聯接和“Δ型”聯接的主要區別是閥組承受的電壓等級和電流等級不同。因此，對閥組的半導體開關器件的數量、電流等級的選擇等方面就存在一些區別，且在工程實施時的難度和占地面積的略有不同。通常，“Y型”聯接的占地面積往往略小。此外，兩種聯接方式的成本也可能略有差別。

1.1 “Y型”聯接

對±200MVA的鏈式STATCOM，當系統電壓為35kV時，STATCOM的最大線電流為

根據目前可關斷半導體開關器件的工藝水平和制造條件，單管的工作電流還無法達到3300A的水平。因此，必須靠開關器件或閥組的并聯來實現較大的工作電流。

如果采用開關器件并聯，一套±200MVA的鏈式STATCOM總共由3相鏈式閥組構成。即使采用冗余性設計，從理論上講，當1相閥組發生故障時，整套STATCOM必須從系統退出運行。

如果采用鏈式閥組并聯，一套±200MVA的鏈式STATCOM總共由6套鏈式閥組構成。當1相閥組發生故障時，至少還有3套鏈式閥組構成的系統還能正常運行，整套STATCOM不必全部退出運行，雖然此時系統容量會減半。

因此，采用鏈式閥組并聯的方案比采用開關器件簡單并聯的方式更可靠。

所以，對一套±200MVA的鏈式STATCOM，采用6套鏈式閥組的主電路方案，其閥組的電流為

根據目前可關斷半導體開關器件的工藝水平和制造條件，如果我們選用電流和電壓等級較高且應用成熟的一款 IEGT，耐壓等級和電流等級為4500V/2100A，其長期承受的直流耐壓水平為2800V，長期可靠工作的電流水平為2100A。

為了運行的安全可靠性，必須使 IEGT的安全運行區域有足夠大的裕量。所以將每個閥組單元的交流輸入電壓定為 1500V，每個 IEGT的最大工作電流有效值為2100A。

這樣，對35kV的鏈式STATCOM而言，如果采用“Y型”聯接，每相需串聯的閥組單元個數為

考慮到系統冗余等因素，每相由16個閥組單元串聯而成，每相由2個變流鏈并聯。輸出側通過電抗器直接和35kV系統相聯。

因此，±200MVA的鏈式STATCOM需要96個功率單元。

1.2 “Δ 型”聯接

對±200MVA的鏈式STATCOM，當系統電壓為35kV時，STATCOM的最大線電流為

根據目前可關斷半導體開關器件的工藝水平和制造條件，單管的長期穩定工作電流要達到 1900A的水平，同時考慮到過流運行系數，單個器件也是很難實現的。因此，必須靠開關器件或閥組的并聯來實現較大的工作電流。

與“Y型”聯接的方式類似，從系統可靠性的角度考慮，采用鏈式閥組并聯的方案比采用開關器件簡單并聯的方式更可靠。

所以，對一套±200MVA的鏈式 STATCOM 而言，如果采用6套鏈式閥組的主電路方案，其閥組的電流為

根據目前可關斷半導體開關器件的工藝水平和制造條件，如果我們選用電流和電壓等級較高且應用成熟的一款 IEGT，耐壓等級和電流等級為4500V/1500A，其長期承受的直流耐壓水平為2800V，長期可靠工作的電流水平為1500A。

為了運行的安全可靠性，必須使 IEGT的安全運行區域有足夠大的裕量。所以，我們將每個閥組單元的交流輸入電壓定位1500V。

這樣，對35kV的鏈式STATCOM而言，如果采用“Δ型”聯接，每相需串聯的閥組單元個數為

考慮到系統冗余等因素，每相由26個閥組單元串聯而成，每相由2個變流鏈并聯。輸出側通過電抗器直接和35kV系統相聯。

因此，±200MVA的鏈式 STATCOM 需要 156個功率單元。

該方案是一套真正的±200MVA 的鏈式STATCOM。其特點是，±200MVA的鏈式STATCOM長時間作為一個整體運行，出現局部故障時采取降容運行的方式（±100M）。

此外，“Δ型”聯接時，每個變流鏈的首尾兩端各需要串接一個電抗器，其目的為：

（1）STATCOM為有源補償方式，其輸出端的電壓受STATCOM控制，且與電網電壓存在一定區別，中間必須通過電抗器緩沖。

（2）當變流鏈的一端接地時，采用2個電抗器更能有效地保護閥組。

1.3 兩種聯接方式的技術性能比較

根據上述方案的分析可以發現，“Y型”聯接和“Δ型”聯接各有特點，見表1。

表1 “Y型”聯接和“Δ型”聯接的比較

這里需進一步說明的是，在系統對稱的條件下，“Y型”和“Δ型”聯接兩種方式STATCOM的補償特性完全一樣。

為更好的對比兩種聯接方式的異同從控制和可靠性角度進行更詳盡的分析比較。下圖為鏈式STATCOM的Y型連接示意圖和三角形連接示意圖。對于△型連接方式，每相換流鏈直接并聯于相應的兩線之間，所承受的電壓是確定的線電壓UL。

對于Y型連接方式，換流鏈的中點是懸浮的，所以每個換流鏈所承受的電壓并不是完全確定的。如果不施加額外控制措施，當在穩態情況且系統電壓對稱時，各換流鏈所承受的電壓基本是相電壓，即承受0.577×UL的電壓。但是當處于暫態過程或系統電壓不對稱的情況下，由于中點電位的不確定性，Y型連接方式的各相換流鏈所承受電壓也有很大不確定性。在這方面，△型連接和Y型連接的比較主要體現在兩個方面：

圖1 兩種不同的聯接形式

1） 換流鏈可能承受的最大電壓

如下圖所示，對于Y型連接方式，由于三相換流鏈中點是懸浮的，對于一組確定的三相線電壓（三角形相量），隨著 Y型中點的移動，各換流鏈電壓相量（內部Y型相量）可能是如圖中所示中的任意一組。

圖2 Y型連接方式的換流鏈電壓相量圖

一般來說絕大多數故障都是不對稱故障?？紤]到相間短路或相間短路對地故障，可能引起系統線電壓的不對稱隨著系統線電壓的不對稱，Y型方式換流鏈中點也將隨之移動。如果沒有額外的有效控制措施，換流鏈上可能出現的最大電壓需要按線電壓考慮，也就是每個換流鏈的電壓裕量需按倍設計。

對于△型連接，各換流鏈直接承受系統線電壓。若不考慮斷線等情況所引起的系統過壓，只考慮各種短路故障，在系統電壓不對稱期間△型連接時不需考慮額外電壓裕量。

所以從換流鏈可能承受的最大電壓來說，由于必須考慮系統故障期間的系統電壓不對稱的所帶來影響，對于Y型方式換流鏈的電壓裕量最大需按倍設計，而△型連接在這方面不需要考慮電壓裕量。如果 Y型方式換流鏈電壓按倍設計，實際上已經達到△型方式的換流鏈電壓，而所承受電流又是Y型方式的倍，在經濟上并不合算。

2） 裝置可控性的風險

換流鏈所承受的電壓實際上主要反映在換流鏈的直流電壓?？梢圆扇☆~外的措施控制換流鏈直流側電壓，一般情況下都是采用如下圖所示的PI控制環節實現換流鏈直流電壓控制，即通過給定的直流電壓和實際直流電壓（或、）等進行比較，得到各相換流鏈的有功電流分量、、等。

圖3 換流鏈直流電壓控制環節

但是，由于Y型方式和△型方式結構的不同，在實現換流鏈直流電壓控制時也面臨不同的難度。下圖所示分別為△型方式和Y型方式的等效系統模型圖。

可以看出，由于△型連接方式的特點，各換流鏈電流可獨立控制；三相電流可形成一個零序分量i0，即換流鏈的環內電流。

圖4 兩種聯接形式的等效系統模型圖

對于 Y型連接方式，由于必須滿足約束條件ia+ib+ic=0，也就意味著三相換流鏈中只有兩相換流鏈的電流是可以獨立控制的，也就意味著換流鏈直流電壓控制環節中同時只有兩個換流鏈的電壓可以控制，在系統不對稱的情況下此問題更加嚴重。這也意味著Y型方式下換流鏈的直流電壓控制面臨很大的困難和風險。

綜合換流鏈可能承受的最大電壓和裝置可控性的風險分析，由于三相換流鏈電流和必須為零的限制，Y型方式下換流鏈的直流電壓控制存在困難?？紤]到系統故障期間系統電壓不對稱的所帶來影響， Y型方式換流鏈的電壓裕量最大需按倍設計。這使Y型方式在應對不對稱故障的應用中存在技術風險，且經濟上也并不合算。

系統不對稱故障是電網中最常見的故障，“Y型”聯接的閥組相電壓必須按照線電壓來選取，而“Y型”的閥組電流是“Δ型”聯接的倍。所以，從技術和經濟性兩方面而言，“Y型”聯接不是一種好的選擇，“Δ型”聯接的方案更為適合。

采用“Δ型”聯接型式的南方電網±200MVA鏈式靜止補償器STATCOM現場布置圖見圖5。

圖5 南方電網±200MVA鏈式靜止補償器STATCOM現場布置圖

2 結論

在確定STATCOM變流鏈的聯接方式時，如何充分發揮STATCOM對系統的支撐作用是我們權衡的重點，尤其是在系統故障的條件下。其次，在相同的技術指標下，“Δ型”方案的成本并未增加。

因此，對南方電網35kV/±200MVA的鏈式STATCOM而言，推薦采用“Δ型”聯接的鏈式閥組方案。

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