大型互聯(lián)電網(wǎng)快速動(dòng)態(tài)無功支撐面臨暫態(tài)電壓穩(wěn)定威脅

1動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置需求分析flac-fs-gasz系統(tǒng)基于大型能源電子的柔性交換裝置（fac），在促進(jìn)能源系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性、提高供電能力和能源消耗方面發(fā)揮著越來越重要的作用。改善節(jié)能和能源消耗的質(zhì)量。STATCOM作為一種典型的FACTS裝置,具有以下作用:(1)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或突增負(fù)荷時(shí),動(dòng)態(tài)地提供電壓支撐,確保母線電壓的穩(wěn)定性,提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平,減少低壓釋放負(fù)荷數(shù)量,并防止因暫態(tài)電壓崩潰導(dǎo)致的大面積惡性停電事故;(2)動(dòng)態(tài)地維持輸電線路端電壓,提高輸電線路穩(wěn)態(tài)傳輸功率極限(每kvar的輸出約能提高0.5～0.7kW的暫態(tài)穩(wěn)定極限值),提高交直流遠(yuǎn)距離輸電能力;(3)抑制系統(tǒng)過電壓,改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性;(4)阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩;(5)在負(fù)荷側(cè),抑制電壓閃變、補(bǔ)償負(fù)荷不平衡、提高功率因數(shù)、改善電能質(zhì)量。大城市負(fù)荷中心由于抗暫態(tài)電壓穩(wěn)定的條件惡化,對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置有廣泛的需求,主要體現(xiàn)在:(1)由于資源與環(huán)境等因素的限制,遠(yuǎn)方區(qū)外供電比例加大,負(fù)荷區(qū)內(nèi)缺乏足夠的動(dòng)態(tài)電壓支撐和動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備;(2)空調(diào)比例增加,負(fù)荷變化隨機(jī)性加大,負(fù)荷事故時(shí)的調(diào)節(jié)特性變壞;(3)手動(dòng)投切的補(bǔ)償電容比例過大,惡化嚴(yán)重故障時(shí)的電壓支撐能力;(4)電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,很多負(fù)荷對(duì)電壓的靈敏度降低,不利于電壓的恢復(fù)。在用戶側(cè),如冶金、鐵路牽引、化工/農(nóng)藥、風(fēng)力發(fā)電以及有劇烈波動(dòng)負(fù)荷的各個(gè)行業(yè)都需要加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置來保證對(duì)用戶供電的穩(wěn)定性和可靠性。2動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的結(jié)構(gòu)及損耗特性無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展主要經(jīng)過以下三個(gè)階段:機(jī)械式開關(guān)投切電容器、晶閘管控制的靜止無功補(bǔ)償器(SVC)及基于電壓源逆變器的STATCOM裝置。機(jī)械式開關(guān)投切電容器或電抗器為固定補(bǔ)償,它不是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,需要與其他靜止補(bǔ)償設(shè)備配合使用。晶閘管控制的補(bǔ)償設(shè)備即靜止無功補(bǔ)償器(SVC),包括晶閘管控制電抗器TCR和晶閘管投切電容器TSC,它們都屬于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟了,應(yīng)用也非常廣泛,但它也存在一些無法克服的缺點(diǎn):如自身產(chǎn)生較大諧波,需與無源濾波器配合使用,裝置占地面積大等。靜止同步補(bǔ)償器STATCOM是新一代的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備,它由電壓源型逆變器及連接電抗器組成,原理上等效于靜止的同步調(diào)相機(jī),通過控制電壓源逆變器輸出交流電壓的相位、頻率和幅值,就可以控制輸送給系統(tǒng)的無功的大小和方向,主要具有以下特點(diǎn):(1)輸出諧波電流小,不需無源濾波器,占地面積較小;(2)可輸出雙向連續(xù)無功,配合同容量固定電容器可構(gòu)成0～2倍容量的動(dòng)態(tài)容性無功補(bǔ)償器,性價(jià)比更高;(3)響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到20ms以內(nèi),對(duì)提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及快速的沖擊負(fù)荷補(bǔ)償效果好;(4)輸出無功電流與系統(tǒng)電壓無關(guān)(而SVC輸出無功電流與系統(tǒng)電壓成比例下降),取得同等補(bǔ)償效果只需SVC容量的70%～80%。而與多重化/多電平結(jié)構(gòu)STATCOM相比,鏈?zhǔn)絊TATCOM具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)鏈?zhǔn)絊TATCOM可以獨(dú)立分相控制,有利于解決系統(tǒng)的相間平衡問題,在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí),能更好地提供電壓支撐;(2)所有鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同,可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),便于擴(kuò)展裝置容量及維護(hù);(3)每相電路中可設(shè)置1～2個(gè)冗余鏈節(jié),提高了裝置的可靠性;(4)省去了連接變壓器,減小了占地面積(不到SVC的一半),降低了裝置成本和損耗,效率可達(dá)99.2%及以上;(5)由于無大型變壓器及電抗器,可制造成移動(dòng)式設(shè)備,大大提高設(shè)備的使用率。圖1給出了0～100Mvar容性動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備SVC和混合鏈?zhǔn)絊TATCOM的典型構(gòu)成圖,圖2給出了其典型損耗曲線。從圖中可看出,0～100Mvar容性SVC裝置由100Mvar固定容性濾波器和0～100Mvar感性TCR構(gòu)成,其輸出零無功時(shí)100Mvar的電抗器需全部投入,使其損耗達(dá)到最大(一般大于1%)。而0～100Mvar容性混合鏈?zhǔn)絊TATCOM由50Mvar固定電容器和±50Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM組成,由于±50Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM在輸出-50Mvar和+50Mvar無功時(shí)損耗最大(最大達(dá)50Mvar的0.65%),因此混合后輸出零無功時(shí),總損耗小于0.3%,而輸出50Mvar無功時(shí)損耗接近0。由于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備絕大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在0～50%無功輸出,因此0～100Mvar容性混合鏈?zhǔn)絊TATCOM等效運(yùn)行耗電量將遠(yuǎn)小于0～100Mvar容性SVC。從價(jià)格上看,產(chǎn)業(yè)化后的0～100Mvar容性混合鏈?zhǔn)絊TATCOM售價(jià)可達(dá)180元/kvar甚至更低,且隨著功率半導(dǎo)體器件價(jià)格的下降,其價(jià)格下降空間較大;另外,還需考慮到同容量STATCOM與SVC補(bǔ)償效果比為1.2～1.3∶1,因此綜合考慮來看,混合鏈?zhǔn)絊TATCOM性價(jià)比更高。3鏈?zhǔn)絾卧儔浩鲌D3為50MVASTATCOM的系統(tǒng)接線圖。逆變器采用鏈?zhǔn)侥孀兘Y(jié)構(gòu),三相鏈?zhǔn)侥孀兤鱈inkA、LinkB、LinkC的輸出各連接兩個(gè)連接電抗器后接成三角形聯(lián)結(jié),額定輸出線電壓為10kV,連接電抗每個(gè)為7.5%,每相為15%。圖4為每個(gè)鏈?zhǔn)絾卧孀兤髦麟娐穲D。圖中逆變開關(guān)器件采用4500V/4000AIGCT—5SHY35L4510,反并聯(lián)二極管采用5SDF16L4503,直流電容電壓為8000μF。LA、VDA、RA和CCL構(gòu)成陽極鉗位電路,S和R構(gòu)成直流電容放電電路。每相逆變器由10個(gè)鏈?zhǔn)絾卧孀兤鞔?lián)而成,其中1個(gè)為冗余運(yùn)行單元。每相IGCT閥兩端連接一臺(tái)氧化鋅避雷器,用于對(duì)IGCT閥進(jìn)行瞬態(tài)過電壓保護(hù)。圖5給出了裝置的現(xiàn)場安裝圖片。3.11各鏈節(jié)電壓的不平衡文獻(xiàn)提出了采用階梯波形狀的50Hz優(yōu)化PWM方法。雖然這種方法可以以較小的開關(guān)損耗得到較低的諧波畸變率(THD)。但是由于每個(gè)鏈節(jié)的方波寬度不同,其基波電壓也不相同,各鏈節(jié)與電網(wǎng)交換的功率也不相同,導(dǎo)致直流電容電壓紋波幅值大,還將導(dǎo)致各鏈節(jié)的直流電容電壓的不平衡。由于IGCT器件具有較低的開關(guān)損耗,這使得采用150Hz優(yōu)化PWM控制成為可能。其優(yōu)點(diǎn)是不僅總的諧波畸變率得到了抑制,且所有鏈節(jié)輸出的基波電壓被控制為完全相同,各鏈節(jié)與系統(tǒng)之間交換的功率也完全相同,十分有利于直流電容電壓的平衡。3.2循環(huán)交換脈沖調(diào)制脈沖文獻(xiàn)(ALSTOM的75MVA鏈?zhǔn)絊TATCOM)提出了基于交流母線能量交換的直流電壓平衡控制方法,這種方法等效于調(diào)節(jié)電容并聯(lián)損耗,但能量并沒有損耗掉,而是在各個(gè)單元逆變器間交換,但大量雙向變換的輔助逆變器的存在使裝置成本增加,整體可靠性下降。在±50MvarSTATCOM裝置中,采用循環(huán)交換各鏈節(jié)間PWM調(diào)制脈沖的方法來使得一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)各鏈節(jié)等效的基波調(diào)制比和開關(guān)損耗相同,從而使得在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)各鏈節(jié)直流電壓分配基本相等,如圖6所示。結(jié)合直流電容放電電阻的PWM輔助調(diào)節(jié),可以保證穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中直流電壓的平衡。循環(huán)交換脈沖不影響每相總的輸出電壓波形。PWM控制脈寬限制在很小的范圍內(nèi),使其損耗可忽略。3.3pi調(diào)節(jié)管路控制根據(jù)鏈?zhǔn)絊TATCOM的數(shù)學(xué)模型及反饋線性化控制理論,提出了鏈?zhǔn)絊TATCOM的反饋精確線性化方法。同時(shí),增加三個(gè)獨(dú)立的分別對(duì)三相電流的有效值進(jìn)行反饋控制PI調(diào)節(jié)支路,從而得到使裝置可以輸出三相平衡無功電流的鏈?zhǔn)絊TATCOM自平衡反饋線性化控制策略,如圖7所示。在±50MvarSTATCOM裝置控制器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中,取消了直流電壓控制環(huán)節(jié),使裝置直流電壓可以運(yùn)行在較低的電壓狀態(tài),更有利于裝置的安全。4上海西漢變電站并網(wǎng)投運(yùn)裝置在通過了各項(xiàng)出廠試驗(yàn)后,于2006年2月28日在上海西郊變電站并網(wǎng)投入運(yùn)行。裝置并網(wǎng)后進(jìn)行了開環(huán)、閉環(huán)恒無功、閉環(huán)恒電壓等運(yùn)行工況的性能測試,各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。4.1kv容性無功相電流波形圖8給出了裝置輸出額定感性無功電流時(shí)鏈節(jié)直流電壓、直流電容電流及鏈節(jié)輸出電壓的波形;圖9給出了裝置10kV母線線電壓波形。圖10給出了裝置輸出的10kV額定容性無功相電流波形。額定運(yùn)行工況下10kV線電流的總諧波畸變率小于5%。4.2鏈節(jié)直流電壓統(tǒng)計(jì)表1給出了容性50Mvar無功工況(閥無功電流為1530A,10kV母線電壓為11.23kV)時(shí)各鏈節(jié)的直流電壓平均值,A相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1621.4V,B相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1637.7V,C相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1612.0V,最大不平衡度為3.87%。表2給出了感性36Mvar無功工況(閥無功電流為1670A,10kV母線電壓為7.86kV)時(shí)各鏈節(jié)的直流電壓平均值,A相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1007.6V,B相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1014.3V,C相各鏈節(jié)總平均直流電壓為1008.3V,鏈節(jié)間最大不平衡度為8.79%。表1和表2中的數(shù)值都來自監(jiān)測系統(tǒng)采集的鏈節(jié)直流電壓每20ms的平均值。由于各鏈節(jié)間脈沖在循環(huán)交換(每20ms交換一次),因此直流電壓的波動(dòng)部分也在每20ms變化一次(與脈沖波形有關(guān)),導(dǎo)致不平衡度較大。4.3無功功率響應(yīng)時(shí)間圖11給出了裝置輸出無功從0突變到額定容性無功時(shí)的相電流、10kV母線電壓及三相瞬時(shí)無功功率波形。從圖11c可看出無功功率響應(yīng)時(shí)間約25ms。響應(yīng)時(shí)間較長是因?yàn)榭刂破飨辔唤禽敵鰰r(shí)增加了一個(gè)10ms時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié),以減小相位角的變化速度,防止IGCT在一個(gè)基波周期內(nèi)出現(xiàn)三次以上的開關(guān),確保裝置的安全,因?yàn)橄辔唤堑目焖僮兓赡軐?dǎo)致觸發(fā)存儲(chǔ)的PWM波形時(shí)出現(xiàn)多次開關(guān)。5dq系統(tǒng)控制方式對(duì)于STATCOM的動(dòng)態(tài)無功控制策略,目前在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用中多是采用基于瞬時(shí)無功理論和反饋線性化的方法,±50MvarSTATCOM當(dāng)前所采用的控制策略也是屬于這一類。這種方法將三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交流電壓電流量轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的直流量,并通過反饋線性化將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)為線性系統(tǒng)進(jìn)行控制,其對(duì)無功電流的控制是通過控制量δ(相位角)進(jìn)行的間接控制。但是,當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時(shí),dq坐標(biāo)系下的各變量都可能存在交流分量,并且由于對(duì)電流的控制是間接的,容易發(fā)生過電流。所以,近年來也有趨勢將STATCOM裝置先轉(zhuǎn)換為三個(gè)單相系統(tǒng),然后基于單相模型下瞬時(shí)交流電流進(jìn)行控制計(jì)算,得到瞬時(shí)參考電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的直接控制。例如,將STATCOM裝置轉(zhuǎn)為三個(gè)單相的系統(tǒng)后,得到如下的電流動(dòng)態(tài)模型(以A相為例)式中L——連接電抗uta——逆變器輸出電壓經(jīng)離散化后,通過跟蹤下一點(diǎn)的目標(biāo)參考電流,可以得到逆變器所需輸出的電壓(也就是參考電壓)如下式中A=(1-2LTsR)(1+2LTsR)-1Ts——控制采樣周期實(shí)際上,這就是一種無差拍的控制策略。圖12和圖13為采用分相瞬時(shí)電流控制策略對(duì)實(shí)際物理控制器進(jìn)行硬件在線閉環(huán)測試(HIL)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真結(jié)果。圖12為從零無功階躍到滿發(fā)無功的電流波形和瞬時(shí)無功波形,可以看到這種控制策略具有更快的響應(yīng)速度和更好的穩(wěn)定性。圖13為系統(tǒng)電壓發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)STATCOM的輸出電流響應(yīng)波形,可以看到即使處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài),直接電流控制策略仍能夠很好地控制住輸出電流的波形。采用分相瞬時(shí)電流控制策略時(shí),為了能夠瞬時(shí)輸出相應(yīng)的參考電壓波形,一般需要采用載波移相的SPWM策略,所以開關(guān)頻率會(huì)略有提高。6基于0vmarstatcom裝置的研制(1)基于IGCT鏈?zhǔn)侥孀兤鞯腟TATCOM裝置具有可分相運(yùn)行能力、可冗余運(yùn)行、占地面積小、無功輸出響應(yīng)速度快、損耗及運(yùn)行耗電量