采用IGT链式逆变器的50MVA STATOM_电工文摘

采用IGT链式逆变器的50MVA STATOM

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郑东润1，乔卫东1，刘文华2，宋强2
（1. 上海市超高压公司，上海市 200063； 2. 清华大学，北京市 100084）摘要：基于链式逆变器的静止无功发生器（STATCOM）具有比基于变压器多重化逆变器的STATCOM更多的优点。文中介绍了50MVA STATCOM的主要作用及技术指标，给出了基于集成门木及换相晶闸管（IGCT）链式逆变器的主电路50MVA STATCOM的构成、基于谐波优化的脉宽调制（PWM）控制策略。装置的满载出厂试验采用等价额定工况运行试验，文中给出了等价额定工况运行试验的原理以及试验结果。试验结果表明，链节设计达到了链式STATCOM技术标准的要求。关键词：静止无功发生器（STATCOM）；链式逆变器；脉宽调制（PWM）控制；电力系统　　　　静止无功发生器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）是新一代并联型无功补偿装置，它具有传统的固定容量的电容器以及静止无功补偿装置（SVC）等无功补偿装置无法比拟的优点［1］。1999年3月，由河南省电力局和清华大学共同研制成功±20Mvar
STATCOM后，上海电网公司也决定研制1台±50Mvar STATCOM安装在黄渡分区西郊变电站投运，以提高系统暂态电压的稳定水平。±50Mvar
STATCOM是一种采用基于集成门极换相晶闸管（IGCT）器件的链式多电平电压型逆变器，它与采用变压器多重化逆变器的STATCOM相比较，具有显著的优点［2～4］：①采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压器，减小了占地面积，降低了装置成本；②在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用；③采用模块化结构，便于扩展装置容量；④采用冗余功率模块，提高了装置的可靠性；⑤避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性所导致的过电压和过电流问题。英国的ALSTOM公司于2000年研制了首台基于链式结构的±75Mvar　STATCOM，从工程实践角度证明了链式结构STATCOM的可行性，同时充分展现了链式结构STATCOM的优点［4］。

　　本文给出了基于IGCT链式逆变器的50MVA STATCOM的构成、基于谐波优化的脉宽调制（PWM）控制策略，并给出了等价额定工况运行试验的原理以及试验结果。

1 装置的作用及主要技术指标

　　50MVA STATCOM的主要作用是：①当系统发生故障时能迅速提供动态电压支撑，减少低压释放负荷数量。②当系统发生故障或突增负荷时，动态地提供电压支撑，以防止发生暂态电压崩溃。③结合35kV母线4组电容器的综合投切控制，可确保35kV母线电压的稳定性。

　　由数字仿真研究结果表明：①STATCOM的快速动态特性对减少释放负荷，支撑电压水平有显著的作用，装置的响应时间越短，作用效果越好。装置的无功输出响应时间为30ms时的效益比响应时间为80ms时提高了58％。②STATCOM具有恒流源特性，在工作特性上与SVC相比具有一定的优势。同样的容量（50Mvar）和响应时间（30ms）的STATCOM，比SVC的作用效果更好，达到同样作用效果的容量比是1/1.28。

　　为达到以上目标，50MVA STATCOM设计技术指标如下：①额定工作电压10kV；②额定容量50MVA；③输出无功可在-50～+50Mvar范围连续变化；④无功功率响应的时间
小于20ms；⑤输出电压（并网前）的总谐波畸变率小于5%；⑥输出电压（并网后）的总谐波畸变率小于3%；⑦输出电流总谐波畸变率小于3%；⑧30s过载能力120%；⑨效率求小于98.7%；⑩环境温度-10～45℃；装置年可用率大于92%。

2 50MVA STATCOM主电路结构

　　50MVA STATCOM的系统接线见图1。逆变器采用链式逆变结构，三相链式逆变器LINK A、LINK B、LINK C的输出各连接2个连接电抗器后接成三角形连接，额定输出线电压为10kV，每个连接电抗为5％，每相为15％。每个链式单元逆变器的主电路见图2。

　　图2中，逆变开关器件采用4500V/4000A IGCT-5SHY35L4510，反并联二极管采用5SDF16L4502，直流电容为8000μF。LA、DA、RA和CCL构成阳极箝位电路，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连而成，其中1个为冗余运行单元。

　　为了兼顾装置效率和输出电流谐波的双重目标，逆变器采用基频（50Hz）的优化谐波PWM控制，即采用特定谐波消除（SHE）的PWM控制。这种PWM控制的特点是每个单元逆变器的输出电压的基波相位相同但脉宽不同。

图1 50MVA STATCOM的系统接线图

图2 一个基于IGCT的链式单元逆变器主电路图

　　主电路的主要运行参数及元件参数：①STATCOM额定输出电压为10.0kV。②STATCOM额定输出相电流为1670A。③最高直流电压为2500V。④开关频率为50Hz。⑤开关器件IGCT：5SHY35L4510，120只；箝位二极管：5SDF10H4502，30只；反并联二极管：5SDF16L4502，120只。⑥直流电容2700V/8000μF，30组。⑦连接空心电抗为15%。⑧输出电流的谐波小于3%。⑨损耗及效率。50Hz调制时，装置总损耗为600kW，效率为98.8%。⑩散热采用封闭式循环纯水冷却系统。冷却方式为纯水冷却；循环流量为45t/h；冷却发热量为310kW；水电阻率不小于5MΩ·cm(不带温度补偿)；工作介质为60%高纯水加40%乙二醇，凝结温度为-15℃。

3 谐波优化PWM控制策略

　　由于输出电压谐波、效率及电容电压平衡控制的要求，链式STATCOM只能采用谐波优化的PWM控制方法。

　　在这种PWM控制策略中，每个单相桥都工作在基频开关频率下，通过控制各单相桥的导通角来控制逆变器输出的基波电压，同时消除或优化输出电压的低次谐波。基频优化PWM时各单相桥的电压波形如图3所示。每个逆变器都工作在基波频率，且正负半周的波形分别以90°和270°对称。各单相桥输出电压的脉宽各不相同，经它们叠加后得到最后的输出电压。

图3 基频优化PWM时各单相桥的电压波形

　　根据STATCOM的控制要求，基频优化PWM的控制目标为：①使总输出电压的基波幅值为控制目标值；②使总输出电压的低次谐波性能达到最优。

　　根据以上控制目标，可以将其表示为一数学上的最优化问题，并对该优化问题进行求解，得到各个单元逆变桥的优化开关角度。由于每个单相桥只工作在基频开关角度，所以基频优化PWM方法更适用于容量较大（几十Mvar）和单相桥串联数目较大的情况，这样可以在保证低开关损耗的同时取得较好的谐波性能。

　　图4为N=10, M=1.0时所求解的开关角度，通过仿真后得到的电压波形。

　　另外，本文还对基波优化PWM控制的谐波性能进行了分析。在N=10的条件下，各种不同调制比时的输出相电压的总谐波畸变率（THD）如图5所示。

图4 基频优化PWM的输出相电压波形

图5 不同调制比下输出相电压的THD

　　由图5可知，在调制系数较高时，THD可以达到较为理想的范围(<5%)。

4 等价额定工况运行试验

4.1 试验原理

　　等价额定工况运行试验的目的是：①验证链节在周期开通和关断过程中，耐受电压和电流的极限强度；②检验链节控制板在额定工况运行下的抗干扰能力；③检验各元件的水冷散热效果；④检测链节控制电源的消耗功率。

　　等价额定工况运行试验采用单相无功发生器的原理实现。试验时2个被试验链节的输出通过1个连接电抗相连。

图6 背靠背试验接线原理

　　其中1个链节的直流电容由外接直流电源供电，另1个链节直流电容悬浮，通过控制2个链节输出电压的相位角来控制链节间交换的无功功率的方向和大小，如图6。由于2个链节间只交换无功功率，直流电源DC只提供2个链节的损耗，因此不需要大容量电源即可实现大功率负荷试验。这种试验又称为背靠背试验［5］。IGCT的触发脉冲频率为50Hz，用背靠背试验控制器进行控制，使得当1个链节发出额定无功时，另1个链节吸收额定无功。每个链节发出和吸收额定无功各进行1遍。

4.2 50Hz触发脉冲时的额定工况运行试验

　　50Hz触发脉冲时额定工况运行的试验结果见表1。

　　50Hz触发脉冲时容性工况的链节1输出的电压波形和电流波形如图7所示。试验时链节输出电压的脉宽为8.33ms，对应于150°；链节1输出的电压相位滞后链节2的相位角3.2°。输出电流的有效值为1700A，峰值为2500A。图7中，通道4为电压，纵坐标每格2kV；通道1和2为输出电流，实际输出电流为通道1和2之和，纵坐标每格1500A；横坐标为时间，每格4ms。

　　50Hz触发脉冲时感性工况的链节2输出的电压波形和电流波形如图8所示。输出电流有效值为1700A，峰值为2500A。图8中，通道4为电压，纵座标每格为2kV；通道1和2为输出电流，实际的输出电流为通道1和2之和，纵坐标每格为1500A；横坐标为时间，每格4ms。

图7 链节1（容性工况）输出电压及电流波形

图8 链节2（感性工况）输出电压及电流波形

表1 额定工况重复触发试验记录（50Hz，脉宽为150°，连接电抗1.44mH）

相角（链节1

领先链节2）
直流电压/V（平均值/峰值）
输出电流/A

（峰值／有效值）
IGCT驱动直流24V

电流/A（1RA管）
试验直流电源

链节1
链节2

直流电压/V
输出电流/A

-3.2°
2400／2800
1600／2000
2500/1700
1
2400
18

3.2°
1600／2000
2400／2800
2500/1700
小于1
1600
26

　　由表1数据可计算得：50Hz开关频率时额定工况运行试验总功耗为2400V×18.0A＝43.2kW；根据连接电抗器上电压、电流波形测算的其功耗为18kW；单个链节损耗估算(43.2-18.0)/2=12.6kW。

　　在进水温度为45°时，热稳定后最高温度为续流二极管外壳温度，达到72°。

5 结语

　　STATCOM具有快速响应及恒流源特性，在提供动态电压支撑，防止发生暂态电压崩溃方面优于SVC。50MVA STATCOM采用IGCT链式逆变器及谐波优化PWM控制策略，可以实现分相控制及故障时的冗余运行功能。装置的出厂试验采用等价额定工况运行试验，它可有效地模拟装置的满载运行情况，对提高装置的现场运行可靠性具有较大的意义。

6 参考文献

［1］刘文华，梁旭，姜齐荣，等.采用GTO逆变器的±20Mvar STATCOM.电力系统自动化，2000，24（23）：19~23.

［2］刘文华，宋强，滕乐天，等.基于链式逆变器的50MVA STATCOM的直流电压平衡控制.中国电机工程学报，2004，24（4）：　　145～150.

［3］ An T, Powell M T, Thanawala H L, et al. Assessment of Two Different
STATCOM Configurations for FACTS 　　　　　Application in Power Systems［C］.
Power System Technology, 1998. Proceedings. POWERCON98. 1998 International
　　Conference on, Vol 1, 1998: 307～312.

［4］ Hanson D J, Woodhouse M L, Horwill C, et al. STATCOM: a New Era
of Reactive Compensation ［J］. Power 　　　　Engineering Journal, 2002，16（3）:
151～160.

［5］ Woodhouse M L, Donoghue M W, Osborne M. Type Testing of the GTO
Valves for a Novel STATCOM Convertor. Proc. 　　2001 IEE AC － DC Power Transmission
Conf.: 84～90.
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