大型互联电网快速动态无功支撑面临暂态电压稳定威胁

大型互联电网快速动态无功支撑面临暂态电压稳定威胁

1动态无功补偿装置需求分析flac-fs-gasz系统基于大型能源电子的柔性交换装置（fac），在促进能源系统运行的稳定性和安全性、提高供电能力和能源消耗方面发挥着越来越重要的作用。改善节能和能源消耗的质量。STATCOM作为一种典型的FACTS装置,具有以下作用:(1)当系统发生故障或突增负荷时,动态地提供电压支撑,确保母线电压的稳定性,提高电力系统暂态稳定水平,减少低压释放负荷数量,并防止因暂态电压崩溃导致的大面积恶性停电事故;(2)动态地维持输电线路端电压,提高输电线路稳态传输功率极限(每kvar的输出约能提高0.5～0.7kW的暂态稳定极限值),提高交直流远距离输电能力;(3)抑制系统过电压,改善系统电压稳定性;(4)阻尼电力系统功率振荡;(5)在负荷侧,抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数、改善电能质量。大城市负荷中心由于抗暂态电压稳定的条件恶化,对动态无功补偿装置有广泛的需求,主要体现在:(1)由于资源与环境等因素的限制,远方区外供电比例加大,负荷区内缺乏足够的动态电压支撑和动态无功储备;(2)空调比例增加,负荷变化随机性加大,负荷事故时的调节特性变坏;(3)手动投切的补偿电容比例过大,恶化严重故障时的电压支撑能力;(4)电力电子技术的广泛应用,很多负荷对电压的灵敏度降低,不利于电压的恢复。在用户侧,如冶金、铁路牵引、化工/农药、风力发电以及有剧烈波动负荷的各个行业都需要加装动态无功补偿装置来保证对用户供电的稳定性和可靠性。2动态无功补偿设备的结构及损耗特性无功补偿装置的发展主要经过以下三个阶段:机械式开关投切电容器、晶闸管控制的静止无功补偿器(SVC)及基于电压源逆变器的STATCOM装置。机械式开关投切电容器或电抗器为固定补偿,它不是动态补偿装置,需要与其他静止补偿设备配合使用。晶闸管控制的补偿设备即静止无功补偿器(SVC),包括晶闸管控制电抗器TCR和晶闸管投切电容器TSC,它们都属于动态补偿装置,其技术已经发展的较为成熟了,应用也非常广泛,但它也存在一些无法克服的缺点:如自身产生较大谐波,需与无源滤波器配合使用,装置占地面积大等。静止同步补偿器STATCOM是新一代的动态无功补偿设备,它由电压源型逆变器及连接电抗器组成,原理上等效于静止的同步调相机,通过控制电压源逆变器输出交流电压的相位、频率和幅值,就可以控制输送给系统的无功的大小和方向,主要具有以下特点:(1)输出谐波电流小,不需无源滤波器,占地面积较小;(2)可输出双向连续无功,配合同容量固定电容器可构成0～2倍容量的动态容性无功补偿器,性价比更高;(3)响应时间可以达到20ms以内,对提高系统电压稳定性及快速的冲击负荷补偿效果好;(4)输出无功电流与系统电压无关(而SVC输出无功电流与系统电压成比例下降),取得同等补偿效果只需SVC容量的70%～80%。而与多重化/多电平结构STATCOM相比,链式STATCOM具有以下优点:(1)链式STATCOM可以独立分相控制,有利于解决系统的相间平衡问题,在系统受到扰动时,能更好地提供电压支撑;(2)所有链节的结构完全相同,可以实现模块化设计,便于扩展装置容量及维护;(3)每相电路中可设置1～2个冗余链节,提高了装置的可靠性;(4)省去了连接变压器,减小了占地面积(不到SVC的一半),降低了装置成本和损耗,效率可达99.2%及以上;(5)由于无大型变压器及电抗器,可制造成移动式设备,大大提高设备的使用率。图1给出了0～100Mvar容性动态无功补偿设备SVC和混合链式STATCOM的典型构成图,图2给出了其典型损耗曲线。从图中可看出,0～100Mvar容性SVC装置由100Mvar固定容性滤波器和0～100Mvar感性TCR构成,其输出零无功时100Mvar的电抗器需全部投入,使其损耗达到最大(一般大于1%)。而0～100Mvar容性混合链式STATCOM由50Mvar固定电容器和±50Mvar链式STATCOM组成,由于±50Mvar链式STATCOM在输出-50Mvar和+50Mvar无功时损耗最大(最大达50Mvar的0.65%),因此混合后输出零无功时,总损耗小于0.3%,而输出50Mvar无功时损耗接近0。由于动态无功补偿设备绝大多数时间运行在0～50%无功输出,因此0～100Mvar容性混合链式STATCOM等效运行耗电量将远小于0～100Mvar容性SVC。从价格上看,产业化后的0～100Mvar容性混合链式STATCOM售价可达180元/kvar甚至更低,且随着功率半导体器件价格的下降,其价格下降空间较大;另外,还需考虑到同容量STATCOM与SVC补偿效果比为1.2～1.3∶1,因此综合考虑来看,混合链式STATCOM性价比更高。3链式单元变压器图3为50MVASTATCOM的系统接线图。逆变器采用链式逆变结构,三相链式逆变器LinkA、LinkB、LinkC的输出各连接两个连接电抗器后接成三角形联结,额定输出线电压为10kV,连接电抗每个为7.5%,每相为15%。图4为每个链式单元逆变器主电路图。图中逆变开关器件采用4500V/4000AIGCT—5SHY35L4510,反并联二极管采用5SDF16L4503,直流电容电压为8000µF。LA、VDA、RA和CCL构成阳极钳位电路,S和R构成直流电容放电电路。每相逆变器由10个链式单元逆变器串联而成,其中1个为冗余运行单元。每相IGCT阀两端连接一台氧化锌避雷器,用于对IGCT阀进行瞬态过电压保护。图5给出了装置的现场安装图片。3.11各链节电压的不平衡文献提出了采用阶梯波形状的50Hz优化PWM方法。虽然这种方法可以以较小的开关损耗得到较低的谐波畸变率(THD)。但是由于每个链节的方波宽度不同,其基波电压也不相同,各链节与电网交换的功率也不相同,导致直流电容电压纹波幅值大,还将导致各链节的直流电容电压的不平衡。由于IGCT器件具有较低的开关损耗,这使得采用150Hz优化PWM控制成为可能。其优点是不仅总的谐波畸变率得到了抑制,且所有链节输出的基波电压被控制为完全相同,各链节与系统之间交换的功率也完全相同,十分有利于直流电容电压的平衡。3.2循环交换脉冲调制脉冲文献(ALSTOM的75MVA链式STATCOM)提出了基于交流母线能量交换的直流电压平衡控制方法,这种方法等效于调节电容并联损耗,但能量并没有损耗掉,而是在各个单元逆变器间交换,但大量双向变换的辅助逆变器的存在使装置成本增加,整体可靠性下降。在±50MvarSTATCOM装置中,采用循环交换各链节间PWM调制脉冲的方法来使得一个循环周期内各链节等效的基波调制比和开关损耗相同,从而使得在一个循环周期内各链节直流电压分配基本相等,如图6所示。结合直流电容放电电阻的PWM辅助调节,可以保证稳态和动态过程中直流电压的平衡。循环交换脉冲不影响每相总的输出电压波形。PWM控制脉宽限制在很小的范围内,使其损耗可忽略。3.3pi调节管路控制根据链式STATCOM的数学模型及反馈线性化控制理论,提出了链式STATCOM的反馈精确线性化方法。同时,增加三个独立的分别对三相电流的有效值进行反馈控制PI调节支路,从而得到使装置可以输出三相平衡无功电流的链式STATCOM自平衡反馈线性化控制策略,如图7所示。在±50MvarSTATCOM装置控制器的实际实现中,取消了直流电压控制环节,使装置直流电压可以运行在较低的电压状态,更有利于装置的安全。4上海西汉变电站并网投运装置在通过了各项出厂试验后,于2006年2月28日在上海西郊变电站并网投入运行。装置并网后进行了开环、闭环恒无功、闭环恒电压等运行工况的性能测试,各项指标都达到了设计目标。4.1kv容性无功相电流波形图8给出了装置输出额定感性无功电流时链节直流电压、直流电容电流及链节输出电压的波形;图9给出了装置10kV母线线电压波形。图10给出了装置输出的10kV额定容性无功相电流波形。额定运行工况下10kV线电流的总谐波畸变率小于5%。4.2链节直流电压统计表1给出了容性50Mvar无功工况(阀无功电流为1530A,10kV母线电压为11.23kV)时各链节的直流电压平均值,A相各链节总平均直流电压为1621.4V,B相各链节总平均直流电压为1637.7V,C相各链节总平均直流电压为1612.0V,最大不平衡度为3.87%。表2给出了感性36Mvar无功工况(阀无功电流为1670A,10kV母线电压为7.86kV)时各链节的直流电压平均值,A相各链节总平均直流电压为1007.6V,B相各链节总平均直流电压为1014.3V,C相各链节总平均直流电压为1008.3V,链节间最大不平衡度为8.79%。表1和表2中的数值都来自监测系统采集的链节直流电压每20ms的平均值。由于各链节间脉冲在循环交换(每20ms交换一次),因此直流电压的波动部分也在每20ms变化一次(与脉冲波形有关),导致不平衡度较大。4.3无功功率响应时间图11给出了装置输出无功从0突变到额定容性无功时的相电流、10kV母线电压及三相瞬时无功功率波形。从图11c可看出无功功率响应时间约25ms。响应时间较长是因为控制器相位角输出时增加了一个10ms时间常数的一阶惯性环节,以减小相位角的变化速度,防止IGCT在一个基波周期内出现三次以上的开关,确保装置的安全,因为相位角的快速变化可能导致触发存储的PWM波形时出现多次开关。5dq系统控制方式对于STATCOM的动态无功控制策略,目前在国内外的研究和应用中多是采用基于瞬时无功理论和反馈线性化的方法,±50MvarSTATCOM当前所采用的控制策略也是属于这一类。这种方法将三相旋转坐标系下的交流电压电流量转换为两相旋转dq坐标系下的直流量,并通过反馈线性化将原系统转为线性系统进行控制,其对无功电流的控制是通过控制量δ(相位角)进行的间接控制。但是,当系统电压不平衡时,dq坐标系下的各变量都可能存在交流分量,并且由于对电流的控制是间接的,容易发生过电流。所以,近年来也有趋势将STATCOM装置先转换为三个单相系统,然后基于单相模型下瞬时交流电流进行控制计算,得到瞬时参考电压,实现对输出电流的直接控制。例如,将STATCOM装置转为三个单相的系统后,得到如下的电流动态模型(以A相为例)式中L——连接电抗uta——逆变器输出电压经离散化后,通过跟踪下一点的目标参考电流,可以得到逆变器所需输出的电压(也就是参考电压)如下式中A=(1-2LTsR)(1+2LTsR)-1Ts——控制采样周期实际上,这就是一种无差拍的控制策略。图12和图13为采用分相瞬时电流控制策略对实际物理控制器进行硬件在线闭环测试(HIL)的实时数字仿真结果。图12为从零无功阶跃到满发无功的电流波形和瞬时无功波形,可以看到这种控制策略具有更快的响应速度和更好的稳定性。图13为系统电压发生不对称短路故障时STATCOM的输出电流响应波形,可以看到即使处于不对称运行状态,直接电流控制策略仍能够很好地控制住输出电流的波形。采用分相瞬时电流控制策略时,为了能够瞬时输出相应的参考电压波形,一般需要采用载波移相的SPWM策略,所以开关频率会略有提高。6基于0vmarstatcom装置的研制(1)基于IGCT链式逆变器的STATCOM装置具有可分相运行能力、可冗余运行、占地面积小、无功输出响应速度快、损耗及运行耗电量