上海西郊变电站STATCOM的性能测试及试运行情况

2007年7月 第8卷 第7期 电 力 设 备 Electrical Equipment Ju1．2OO7 VOI．8 NO．7 上海西郊变电站 STATCOM 的性能测试 及试运行情况 高 凯 ，黄 华 ，邹 彬 ，郑斌毅 (1．华东电力试验研究院，上海市 200437；2．上海市电力公司，上海市200122；3．上海超高压输变电公司，上海市200063) 摘 要：上海西郊变电站静止同步补偿装置(STATC0M)由链式逆变阀、开关柜、静发变、就地控制／监测／保护／电源柜、 水冷系统、控制台等组成。它采用集成门极换向晶闸管(IGCT)功率器件，以三相大功率电压逆变器为核心，具有恒无功 和恒电压2种运行方式，具备快速的电压动态支撑能力。文章介绍了阀相关设备的单体调试、分系统调试、系统调试和 性能测试。测试表明，STATCOM响应时间小于40 ms，无功输出为一36～+50 Mvar并可连续调节。西郊变电站 STAT- C0M经过半年的试运行 ，主要指标基本达到 了设计要求。 关键词 ：sTATC0M；调试 ；性能测试 ；试运行 中图分类号：TM714．3 随着供 电可靠性要 求 的不断 提高 ，电 网动态 稳 定 性问题 日益 重要 。常规 投切 电容 器能控 制 电压 ，但 如 果系统 电压 降低 ，则将会 恶化 动 态 电压稳 定性 。大容 量静止 同步补 偿装 置 (STATCOM)可 有效 地 解决 此类 问题。 目前 国际上 用 于 电力 系统 的大容 量 STATCOM 装置只有 9套 ，容 量在 4-1～4-160 Mvar之 间 ，其 中 6 套 的容量为 ±20～ 4-100 Mvar。我 国 1999年 自主研 发 的 4-20 Mvar STATCOM，采用 两 电平 三单 相 桥 四重 化结 构 。由于装置 结构复杂 ，运行 的可 靠性不 高 。 上 海 电网是 负荷 高 度集 中的 受 端 电 网 ，随 着 徐 行 、顾 路等 500 kV变 电站相继投 运 ，220 kV电 网分 层 分 区运 行 ，分 区 间联 系减 弱 ，给 电能 质 量 和 电压 稳 定 性带来 不利影 响。在西郊变 电站原有 的 2台 50 Mvar 调相机退 役后 ，该 分 区动态 无 功 便不 足 。 因此 ，上 海 实施 了西郊 变 电站 4-50 Mvar STATCOM 项 目，以期 达 到“在 电网发生 瞬 时故 障或 突 增负 荷 时 ，减少 电压 波 动 ；在故 障后 电压恢 复 过 程 中 ，减 少 低 压释 放 负 荷 的 数量 ；控制 35 kV母 线 4组 电容器 的投切 ，保证 35 kV 母线 电压稳定 ”的效果 。 STATCOM 成套装置 于 2006年 2月成功并 网并进 行了性能测试 ，3—5月 ，对一 、二 次系统和 辅助 系统进 行了进一步 的测试 和调 整 ，6月开 始为 期 半 年 的试运 行。本文将对 西郊 变 电 站 STATCOM 的现 场 调试 、性 能测 试和试运行 等情 况作一 介绍 。 1 STATCOM系统简介 1．1 原理和特点 上海 西郊变 电站 STATCOM 由清华 大学 和许 继 公 司设计 和制造 ，它 以三 相 大 功率 电压逆 变 器 为 核 心 ， 通过连接 电抗 器 接 人 系 统 ，与 系统 电压 保 持 同频 同 相 ，简化 的等 效 电路如 图 1所 示 。它相 当 于一个 电压 幅值 和相位均 可调 的三相交流 电源 ，当其输 出 电压幅 值 大于系统侧 电压 幅值 时 ，输 出容性 无 功 ，反之 则 输 出感 性无功 。 vc ． 1 jxlic ，c．1 一 系统电压； ． 1和，c．1一sTATcOM基波输 出电压和电流； ．一连接电抗 图 1 STATCOM简化等效电路 西郊变 电站 STATCOM 为他 励 启 动 ，采 用 水 冷 系 统 ；主电路为链式串联结构，1个链节冗余 ；功率器件 为集 成 门极换 向 晶 闸管 (IGCT)，它 与 可关 断 晶 闸管 (GTO)相 比具 有 门极 驱 动可 靠 、关 断 特性 好 、通态 及 开关 损耗 小 、外 围 电路 简 单 等 优 点 。STATCOM 关 键 器件 的进 口、设 计 、开发 、调试 完全 由国 内 自主进 行。 1．2 系统构成 西郊变 电站 STATCOM 构成 如图 2所 示。链 式逆 变阀是关键设备 ，由 3个单相逆变器和 6台连接电抗 器 以三角形 接法构 成 。每相 逆 变器 由 10个 逆 变链节 串联。室外设备有 110 kV静发变 、连接电抗器 、水冷 系统散热装置；室内设备有 链 式 逆 变阀、控制／监控／ 电源柜 、10 kV开关柜 、水处理 和控制装置 。整套装置 维普资讯 http://www.cqvip.com 28 电 力 设 备 第8卷 第7期 图2 西郊变电站 STATCOM成套系统结构图 的平面 布置紧凑 ，室 内总 占地面积为 19 m X 18 m。 西郊变 电站 STATCOM 主 要设 计 参数 为 ：额定 电 压 10 kV，额定 电流 1 670 A，额定 容量 ±50 Mvar，无功 输 出 一50～ +50 Mvar连续 变 化 ，响应 时 间 <40 IllS， 电压不对称度 <2％ ，冗 余链 节 1个 ，120％ 过 载 30 S， 110％过 载 60 S，效 率 ≥98．7％ ，输 出电压总 谐波 畸变 率 <5％(并 网前 )／<3％ (并 网后 )，输 出电流总谐波畸 变率 <3％。 2 STATCOM调试和性能测试 2．1 单体调试 对各 设备 单体 (启 动 电源 屏 、控 制屏 、监 测屏 、阀 避雷器、接地系统 、逆变链节、水冷系统等 )进行调整 和测试 。项 目有 接地 测 量 、主 电路检 查 、辅 助 电路 检 查 、水冷管路 检查 、启 动 电源 屏 检查 、控 制 柜检 查 、监 测柜 检查 、避雷 器试 验等 。 2．2 分系统调试 对 各功能 系统 进 行调 整 和 测试 。项 目包 括 阀绝 缘系统试验、阀冷却系统试验 、控制和监测系统试验、 交 流场设 备试 验 、空 载 电压发 生试 验 、阀升压 试 验 及 10 kV断路 器开合试 验等。 通过单体 和分 系统 调试 ，及 时发 现并 消除 了表 计 问题、安装不 良、制造缺陷、设备缺陷等 问题，使 系统 调试和性能测试具备了条件。 2．3 系统调试和性能测试 依据《链式无 功补偿器技术 》和《上海 西郊变 电站 ±50 Mvar成 套链 式 STATCOM 装 置 系统 调试 方 案》进 行 试 验 ，试 验 包 括 ：110 kV静 发 变 充 电 、STAT— COM空 载启动 、并 网试验 、保护带 负荷校 验 、开环 控制 调节 、恒功率 控制 调节 、恒 电压 控制 调节 、 运行发热 测量 、最 大无 功发生 能力 短时 间 考核 、谐 波测 试 、噪 声及 干扰 测 量 、35 kV 电容器联 动投切和 72 h试运行试 验⋯。 2．3．1 静发变充电／空载启动／并网试验 (1)从 西 郊 变 电~$22o kV侧 主变 压 器向静发 变 充 电 3次 ，每 次 10～20 min。 静发 变在 全 电 压 冲击 和工 频 电压 耐受 过 程 中未见 异 常 ，避 雷 器 无 动 作 ，二 次 保 护 无误 动 。 (2) 保 持 10 kV 断 路 器 断 开 ，使 STATCOM 空载 ，由启 动 电源 屏 向 阀体 充 电 ，阀侧 电压 自动 从零 升压 。输 出 电压 和 不对称 度列于表 1。 (3)实时监测系统侧和阀侧 的电压 差 ，当小 于规 定 值后 ，控 制 10 kV断 路 器 合闸 ，将 STATCOM并 网 ，未见对 电 网的明 显 冲击 。 表 1 STATCOM 空载输出电压及不对称度 2．3．2 保护校 开环调节 (1)保护带 负荷校 验 ：STATCOM发 感性 无功 ，检 查 主变压器差 动保护 ，静 发变 差动 保护 、差动 速 断 、差 流越 限和后 备保护 ，STATCOM 阀过 电流 保护 、阀过 电 压保护和阀欠 电压保护。保护动作均正常。 (2)开环 调节试验 ：以开环控制 方式从 一33 Mvar 至 43 Mvar调节 无 功输 出，链 节 电流 ≤1 400 A，验 证 了 STATCOM 具备连续无 功发生能 力。无功输 出有轻 微波 动现象 ，但 未 见 因投入 STATCOM 而 产 生 的特殊 方式 的振荡 。 2．3．3 恒无功控制调节 (1)无功发生能力。感性为 一36．55 Mvar，阀电流、 电压为 l 700 A和7．82 kV，额定值为 1 670 A和 lO kV。 容 I生为 46．8 Mvar，阀 电流、电压 为 1 542 A和 11．29 kV。 在 2个工况 下 持续 2 min，均 正 常 。容 性 无 功最 大 到 52．2 Mvar，阀 电流 、电压为 1 700 A和 11．4 kV，持 续 30 S。试验结果 表 明 ，在恒 无功控 制方式 下 STATCOM 能输 出额 定 电流 1 670 A，无 功 输 出范 围 为 一36～ 50 Mvar，短时 过 负 荷 能 力满 足 要 求 。 由于 在 感 性 时 IO kV电压显著降低，感性输出范围小于容性。 (2)动 态特 性 。人工 设 定 STATCOM 输 出阶跃 ， 典型工况的主要动态指标测量值列于表 2。 STATCOM通 常运行在感性 工况 ，电网故障时 快速 输出容 性 无 功 ，以 支 撑 电 压。 以 一20 Mvar突 变 至 维普资讯 http://www.cqvip.com 新成果与技术应用 高 凯等：上海西郊变电站 STATCOM的性能测试及试运行情况 29 +20 MvarT_况模拟此类情况 ，无功响应 曲线如图 3所示 。 表2 STATCOM 动态指标 20 1O o 一 1O — 2O ， 峰值 ，稳态值 ／ 二』二二 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一 ⋯ 葱 一 __ I_ I_．一_ 一．一 ．．．．．．．．．． 10 3O 5O 7O 90 110 130150170 190 210 230 250 27(3 ‘一一一一一一一一一一一一 一7一一一 于 7而 一一一一一一一一一 l 』 一 — — ～ 一 、 — 稳态值1 图3 —20 Mvar突变至20 Mvar的无功响应曲线 总体而 言 ，无功 响应 时 间 <40 ms，容 性 阶跃 超 调 3～8 Mvar，感性 阶跃 超 调 3～5 Mvar，容性 阶跃 静 差 一 3 Mvar，感性 阶跃 静差 一0．2～0．5 Mvar。 2．3．4 恒电压控制调节试验 (1) 电压 一无 功 调 整 曲 线 (如 图 4所 示 )。 以 230 kV为 电压稳 定 控 制 的基 值 ，在 恒 电压 控 制 方 式 下 ，参考 电压设定值从 230 kV至 248 kV变 化 ，无功从 一 12．3 Mvar至 33．2 Mvar变化 ，二 者 基 本 呈线 性 关 系 ，斜率 为 2．53 Mvar／kV。 ：：： I 薹委 ≥ L／ 一‘： ： 一 15 10 5 0 5 10 15 2O 25 30 35 40 无功功率／Mvar 图4 电压 一无功调整曲线 (2)对 电压暂降的动态响应 。参考 电压为230 kV， 当出现电压突降需要满发无功时 ，STATCOM 可在4JD ins 内从感性 一12．3 Mvar增至容性 +46．6 Mvar，使 220 kV 侧 电压 由 229 kV上升到 231 kV，35 kV电压 由35．5 kV 上升到 37．1 kV，对 系统 电压起到快 速支撑作 用。当 电 压恢 复后 ，STATCOM可在 20 ms内 由 +46．6 Mvar降为 一 9 Mvar，以稳定 系统 电压 。220 kV侧 电压 由 231 kV 下降到 230 kV，35 kV电压 由37．1 kV下 降到 35．9 kV。 2．3．5 72 h试运行 以恒无功 控制方 式进 行 72 h连 续 运行 试验 。考 虑到 220 kV电 网 日间 和 夜 间 的 电压 波 动情 况 ，设 定 日问发 容性无 功 、夜 间发 感 性 无 功 ，无 功 曲线 如 图 5 所示 。水 冷系统 的供 水和 回水 温度 曲线 见图 6。 ％ 30 lO 露 餐 一1O — 3O ’一 ’l ’l 1 ． J ． I． ． ． ．．． ．f． ． ) 4 l8 12 16 I20 24 28I 32 36 40／44 48 52 56 60 64／68 7 1 ．．．I ． f J 累计时Ih]／h 图5 72 h试运行的无功功率 图6 水冷系统的冷却水温度 72 h试运 行顺利通过 ，最大 无功 功率 为 30 Mvar， 链 节环 内电流 最 大为 1 000 A。其 间水 冷 系统 、链 节 主电路 、控制 与保护系统 、监 测 和诊断 系统 、辅助 系统 运行 均正常 。 2．3．6 其他性能测试 (1)运行发热测量 。在母线 、连接点 、电阻器 、辅 助 变压器 、器件构架 、控制 元件及 辅助 电源的表 面贴示 温 蜡片 ，未发现热熔 现象 ，说 明贴 片部位 温度小 于 70℃。 红外测温发现脉冲驱动板 电阻和 隔离变压器输 出 电源 板功率模块超过 60 oC，其 他器件一般小 于 30℃。 (2)谐波 测试 。220 kV谐波 电压 和 电流成 分 主 要为 3、5、11次 ，总 谐 波 电 压 畸 变 率 为 1．48％～ 1．78％ ，总谐 波 电流 畸 变 率 为 1．8～6．4 A(1．6％～ 4．9％ )。随着输 出无 功 的增 加 ，谐 波 电压特 征几 乎没 变化 ，但谐 波电流有 明显增加 ，当输出容性无功 40 Mvar 时 ，注 ^220 kV系统 的总谐波 电流达 5．72 A(4．68％)； 输出感性无功 时谐 波 电流 小于输入容性 无功 时的 情况 。 (3)噪声 及 干扰 测 量 。用 声 强 计 测量 静 发 变运 行噪声 为 86 dB，偏 大 ，但 不 影 响 设 备 安 全 。控 制 室 内，无线电干扰值与工频磁场值均不超过人体暴露极 限值 ，但对 CRT显示 器有影 响。 (4)35 kV电容 器联 动投 切 试 验 。 自动 投 切 、手 动投 切 、协调 控制投切 功能均正 常。 3 STATCOM半年试运行 在半年试 运行期 间(2006年 6— 11月 )，西郊 变 电 站运 行值班人 员详细记 录了每 日的 STATCOM输 出无 功功率 、气温 、静 发变 油 温 、设 备 缺 陷和 异 常情 况 、检 修和消缺处理情况。运行记 录表 明，STATCOM成套 装置运行基 本正 常 ，无功输 出范 围等 性能 指标 基本满 足设计要求 。 > 出 维普资讯 http://www.cqvip.com 30 电 力 设 备 第 8卷 第 7期 3．1 试运行工况 在试运行期 间 ，STATCOM 采用恒无功控制方式 ，通 常设置运行在感性工况(一10、一20、一30 Mvar)，有 时设 定为容性工况 (+20、+40 Mvar)。5月 30 日至 8月 14 日，设置为 一10 Mvar状态 ；8月 15日至 9月 15日，日 间(9：00～16：30)设 置 为 +20 Mvar状态 ，夜 间 (16：30 至次 日 9：00)设 置 为 一10 Mvar状 态 ；9月 16 日至 10月19 日，设 置 为 一10 Mvar状态 ；10月 20 日至 11 月 30日，设 置为 一20 Mvar~态 。 受 到输 出无 功功 率 静 差 、系统 电压 、系统 负 荷 、 STATCOM本体状况等因素的综合影响，实际输出无 功功率在一定 范 围内波 动。半 年试 运 行期 间 ，日负荷 变化情况如 图 7所 示 。 {寻 锝 ／高峰负荷 fllrlrlnllJl l 1 ． ～]nr一] T一一九1啊lr1mr ff I—I r ’ 一 l 。 低谷负荷 —野 1 06--o1 O6—29 07-27 08-24 日期 图7 2006年 l1月半年试运行中STATCOM 日负荷曲线 半年 试 运 行 期 间 ，STATCOM 感 性 无 功 最 高 为 +40．54 Mvar、容性无 功最高 为 一36．46 Mvar，日负荷 变化最高为 76．46 Mvar。STATCOM 的无功输 出容 量 、无 功控制 和监 测性 能 经受 了实 际运行 的考 验 ，性 能 良好 。STATCOM 进 出水 温 度稳 定 ，静 发 变 油 温 与 气温变化 一致 ，受输 出无 功功率 的影 响不 大。 3．2 可靠性统计 西郊变电站 STATCOM的装置年可用率设计要求为 大于 92％。在试运行期间 ，STATCOM 运行总天数为 183 天 ，其 中 19天停运。每月的停运小时数 统计列于表 3。 表3 STATCOM 每月停运小时数 按 可用率定义(1一停运小时数与 总小时数之 比)，西 郊变电站 STATCOM 在试运行期 间 的可用率 为 89．4％ ， 计划停运率 为 0．8％ ，非计划停运率 为 9．7％ 。 统计表 明 ，STATCOM 在试 运 行 期 间 的可 用率 略 低于设计 要求 (要求 >92％ )。这主 要是 受 到试 运 行 期间 出现 的 控 制 和保 护 系 统 问 题 的 影 响 ，STATCOM 阀本体并 未出现 因故 障而 导致 的停 运。 因此 ，相信 随 着控制和保护系统的不断完善 ，在现有问题得 以妥善 解决 后 ，STATCOM 的装置 年 可 用率 会逐 步 提 高并 达 到设计要求 。 4 结论 西郊变 电站 STATCOM 是 国内首个 自主知识 产权 的链 节 式 静 止 无 功 补偿 装 置。测 试 表 明 ，STATCOM 电压输 出不对称 度小 于 2％ ，能 够输 出 的额定 电流 为 1 670 A；由于系统接 入点 的连接 感抗 较 大 ，实 际输 出 无功为 一36～+50 Mvar。STATCOM具备 快速 的电压 动态支撑 能力 ，动态 响应 时 间小 于 40 ms。西郊 变 电 站 STATCOM 示 范 工 程 的 建 成 投 运 ，表 明 我 国 在 FACTS领域取得 了进步 ，标 志着我 国 已具 备生 产高 电 压 大容量成套 静止无功 补偿装置 的能力。 收稿 日期：2007—03。05 作者简介： 高 凯(1975一)，男，师，博士，从事电气设备在线监测 与诊断及柔性输电技术的研究工作。 (贡任编辑 赵杨) Performance Test and Trial Operation of STATCOM in W est Suburb Substation in Shanghai GAO Kai ，HUANG Hua ，ZOU Bin2，ZHENG Bin-yi (1．East China Hee~e Test&Research Institute，ShanL,h~i 200437，China；2．Shanghai Municipal Electric Pov~er Company, Shanghai 200122,China；3．Shanghai EHV Pov~er Transmission Comt~y，Shanghai 200063,China) Abstract：sTA] 0M in West Suburb Substation in Shanghai iS composed of chain-type inverters，cabinet breaker，step-up transforl／ler， local controllin~monitodng／proteeting／povcer cabinet，water·cooling systern，console，etc．，which uses IGC-~po、 r eleetrical devices and iS based onthree—phase high-po v~er inverters．It has two operational modes：constant reactive 13ovder mode and comtant voltage mode．and OWIIS rapiddyna／／lie voltage supporting ability． s paper introducedthe debugging ofequipment．subsystem．system andperformance test of S ()0M．STA 30M resD0rise time iS less than 40 ms，reactive po 、 r output range iS from ·36 Mvar to 50 Mvar and Can he continually adjmted．111e test results showthat the integral properties ofthis STA11：0M reach the international advanced leve1．After half year trial ooeration,the main performance indexes of STA1℃OM iS satisfied and basically fulfill the design demands． Keywords：Shank ；West Suburb Substation；STATCOM；debugging，performance test，trial operation ∞ 柏 ∞ 如m 0 ∞ ∞ 如 加 维普资讯 http://www.cqvip.com