静止同步补偿器STATCOM的应用现状和趋势

静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）的应用：现状和趋势
袁志昌
刘文华 宋强
（清华大学，北京１０００８４）
ห้องสมุดไป่ตู้
匝摘要月本文通过国内外几个典型的应用案例，介绍静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）的应用现状，从性能、 占地、投资、损耗等方面比较ＳＴＡＴＣＯＭ和ＳＶＣ两种主要动态无功补偿技术的特点和发展趋势。 匠关键词卫并联无功补偿静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ） 静止无功补偿器（ＳＶＣ）
——电压源逆变器采用了新型的链式结构，获得了一系列优异的性能，包括造价低（省去了多重化变压器 的投资）、占地少（主体部分占地面积少于４００ｍ２）、冗余运行可靠性高、模块化设计扩展性好，等等。
２．５
２００３年美国康涅狄格州±１５０ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭＥｌ６］ Ｇｌｅｎｂｒｏｏｋ变电站位于康涅狄格州西南部，属于东北电力公司（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｕｔｉｌｉｔｙ）下辖的诺沃克一
（ａ）ＳＴＡＴＣＯＭ装置外观；（ｂ）并联无功补偿系统构成
障属于Ｎ一２导则之内的扰动，不允许出现如此严重的电压跌落，因此必须对电网进行有效改造，增强电
网应对事故的能力。 为此，东北电力公司考察了三种可行的解决方案。第一种是加装固定电容器组，经计算约需要
３００Ｍｖａｒ，这些电容全部投入后将使正常运行时系统电压过高。第二种是线路改造，将系统中几条１１５ｋＶ 输电线路改造成２３０ｋＶ线路将有可能满足Ｎ一２导则，然而其中部分线路刚从６９ｋＶ改造成１１５ｋＶ，绝缘 水平不能满足２３０ｋＶ电压。另外，技术、经济和时间等方面的因素也限制了架空线路的重建。第三个方
案是安装１５０Ｍｖａｒ固定电容器组和±１５０ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ。正常运行时，由ＳＴＡＴＣＯＭ吸收电容器组的 无功，防止出现过电压；故障时，ＳＴＡＴＣＯＭ和固定电容器组发出３００Ｍｖａｒ无功将电压支撑到容许范围 内。仿真表明，安装ＳＴＡＴＣＯＭ后，系统发生双回线路倒塔故障时，系统电压可以在故障切除后的２ｓ内 恢复到０．９５ｐ．Ｕ．以上。
４００ｋＶ或２７５ｋＶ，在６个月内可以从一个安装点整体移动至另一安装点，系统可用率高于９８％等。 ＡＬＳＴＯＭ公司根据上述性能指标，率先提出了一种链式结构的ＳＴＡＴＣＯＭ，其系统构成如图３（ｂ）
所示，由２３Ｍｖａｒ滤波器、１２７ＭｖａｒＴＳＣ及一台±７５Ｍｖａｒ链式ＳＴＡＴＣＯＭ组成。由于装置的核心部分
２０世纪９０年代中期，英国国家电网计划在北方地区新建一座低成本燃气电厂，分析表明电厂投运后 将增加流向南方负荷中心的潮流，使得南方地区无功不足的问题凸现。在增加南方受端地区无功补偿的整
体计划中，位于伦敦北部的Ｅａｓｔ Ｃｌａｙｔｏｎ变电站加装２２５Ｍｖａｒ的无功补偿装置是一个重要内容。出于节 省用地和发展新技术的目的，英国国家电网选择了基于ＳＴＡＴＣＯＭ的动态无功系统。 英国国家电网对动态无功系统的要求为：容量为０～２２５Ｍｖａｒ，输出连续可调，接人电压等级为
２．３
１９９７年丹麦某风电厂士８ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ［９１
该ＳＴＡＴＣＯＭ的主要目的是研究ＳＴＡＴＣＯＭ应用于风电厂提高接人电网系统的电能质量并防止风
电厂形成“孤岛”后的灾难性后果。 风电厂接入电网系统时一般面临两个主要问题：①异步发电机吸收的无功功率随输出有功功率的变化 而变化，受风力的影响变化比较频繁；②形成孤岛后，若并联补偿无功功率高于异步发电机吸收的无功功
１动态无功补偿技术 随着电力工作者对电力系统动态特性尤其是电压稳定问题认识的深入，动态无功补偿技术受到越来越 多的关注。同步调相机、机械投切式并联补偿、静止无功补偿器（ＳＶＣ）和静止同步补偿器（ＳＴＡＴ— ＣＯＭ）等现有的并联无功补偿技术都在一定程度上具有动态无功调节的能力，如：改变同步调相机的励 磁电流，可以快速调节其输出无功的大小和方向；机械开关可以控制并联电容器组或电抗器的投入／切除； 静止无功补偿器和静止同步补偿器利用电力电子开关器件实现无功的连续、快速调节。然而，由于存在造 价高、运行维护困难、环境污染等问题，同步调相机已逐渐被淘汰；机械投切式的并联补偿响应时间在几 秒至ｌｍｉｎ范围内，难以满足快速调节的要求。因此，当前技术条件下的动态无功补偿技术通常指由电力 电子开关器件控制的ＳＶＣ和ＳＴＡＴＣＯＭ。 动态无功补偿的两种主要形式即静止无功补偿器和静止同步补偿器，虽然两者的名称近似，但原理却 有较大的差别。ＳＶＣ是以晶闸管作为开关器件，通过晶闸管将电容器组或电抗器快速投入／切除，实现动 态无功补偿，它要求电容器组和电抗器的容量与补偿容量相当，并且动态响应较慢。ＳＴＡＴＣＯＭ则是以 更先进的全控型器件（ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等）构成的电压源逆变器为核心，通过电子回路模拟出电抗 或电容的作用，不需要大型的电力设备，体积减小了，同时性能得到提升。 与ＳＶＣ相比，ＳＴＡＴＣＯＭ具有以下一些优点： １）ＳＴＡＴＣＯＭ的动态无功响应更快。在实际工程应用中，ＳＴＡＴＣＯＭ的响应时间通常为１～２个周， 而ＳＶＣ则需要２～３个周。 ２）ＳＴＡＴＣＯＭ对电网的谐波污染小于ＳＶＣ，通过简单的多重化，ＳＴＡＴＣＯＭ的输出电压总谐波畸 变率可小于５％。 ３）输出特性方面，ＳＴＡＴＣＯＭ通过输出电流调节无功，受系统电压影响较小，而ＳＶＣ输出的电压 与系统电压成平方关系，在系统电压下降时输出无功能力大大受限。 ４）完成相同的控制目标，ＳＴＡＴＣＯＭ和ＳＶＣ需要的无功容量约为１：１．３。 ５）ＳＴＡＴＣＯＭ占地面积较小，相同容量的ＳＴＡＴＣＯＭ占地为ＳＶＣ的１／５～１／３。 自从１９８０年世界上第一台基于ＧＴＯ器件的ＳＴＡＴＣＯＭ装置在日本投运以来，ＳＴＡＴＣＯＭ作为柔性 交流输电系统（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ｐｏｗｅｒ）系统间存在功率振荡问题。
经论证，要彻底解决这些问题，必须通过电网改造的手段，但是增加一台１２００Ｍｖａｒ变压器或者新建 一条１６０ｋＶ输电线路，投资都很大，最后ＴＶＡ选择了柔性交流输电技术，决定在Ｓｕｌｌｉｖａｎ变电站安装一 台±１００ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ。
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二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
率，异步发电机容易激发自激振荡。基于上述两个原因，固定并联电容补偿在风电厂中的应用受到限制，
而ＳＴＡＴＣＯＭ动态无功响应快速的优点可得到充分发挥。 随着风力发电的蓬勃发展，ＳＴＡＴＣＯＭ越来越多地应用于风电入网的场合，发挥静态电压调节和暂 态电压支撑的作用［２０，２１］。
２．４
１９９９年英国国家电网土７５ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭＥｌ２１
２．２ 图１
ＭＷ
日本关西电力－－４－８０Ｍｖａｒ
１９９６年美国ＴＶＡ±１００ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭＬ８０ Ｓｕｌｌｉｖａｎ变电站位于美国田纳西州东北部，属于ＴＶＡ（Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ
ＳＴＡＴＣＯＭ系统接线图
Ｖａｌｌｅｙ
Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ）管辖，其接线
简图如图２（ｂ）所示。该变电站由５００ｋＶ输电网和４条１６０ｋＶ线路供电，冬季负荷高峰期，该地区负荷 可达９００ＭＷ，其中５５％由Ｓｕｌｌｉｖａｎ变电站提供。 Ｓｕｌｌｉｖａｎ变电站在运行中存在以下几个问题： （１）负荷水平低、输电线路轻载时５００ｋＶ线路电压过高，以前是通过８０Ｍｖａｒ可投切电抗器吸收过剩 的充电功率，由于高压电抗器存在发热严重的问题，使用效果不好。 （２）负荷高峰期，线路重载时１６０ｋＶ线路电压过低，通常是由有载调压变压器调节。抽头动作频繁， 降低变压器寿命。据统计，该变电站变压器的故障率为１％，其中一半的故障是由抽头引起的，每次变压 器故障的损失在１００万美元左右。 （３）变电站与５００ｋＶ电网间联系较弱，仅通过一台１２００ＭＶＡ变压器连接。在冬季大负荷方式下， 失去该变压器后１６０ｋＶ母线电压跌落１０％～１５％。 （４）与临近的ＡＥＰ（Ａｍｅｒｉｃａｎ
据东北电力协调委员会（ＮＰＣＣ）和新英格兰电力区（ＮＥＰＯＯＬ）的安全稳定运行导则，双回线路倒塔故
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二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
＋２３Ｍｗａｒ
＋１２７Ｍｖａｔ
ＴＳＣ
滤波器 （星接）
±７５Ｍｖａｒ ＳＴＡＴＣＯＭ
（角接） （ｂ）
（角接）
图３英国国家电网土７５Ｍｖａｒ链式ｓｒＡＴＣＯＭ
±２０ ±１ ±８０ ±５０×２ ±１０×２ ±１００ 士８ ±１６０ ±２０ ±７５ ＋１３３／一４１ ±１００ 士８０ ±１５０ ±ｉ００ 土５０
投运时间（年）
１９８０ １９８６ １９９１ １９９２ １９９３ １９９６ １９９７ １９９７ １９９９ １９９９ ２００１ ２００２ ２００３ ２００３ ２００４ ２００６
斯坦福地区电网。该地区为人口密集区，以居民用电和商业用电为主，最高负荷可达１２００ＭＷ。
２０００年夏天，发生了一起双回输电线路倒塔故障（Ｄｏｕｂｌｅ－－Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｔｏｗｅｒ），致使该地区电压跌落至
３０
０／４～４０％（故障中），故障后经历８～１０ｓ才恢复至９０％（在这个过程中大量空调负荷停转或闭锁）。根
表１ 序号
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １５ １６
世界上用于输电系统的大容量ＳＴＡＴＣＯＭ装置
研制者 三菱电机、关西电力［３］ 西屋公司、美国电科院［４］ 三菱电机、关西电力［５］ 东芝、日立、东京电力［６］ 东芝、Ｈｏｋｋａｉｄｏ电力［７］ 西屋公司、美国电科院、田纳西电力［８］ 西门子［９］９ 西屋、ＥＰＲＩ、美国电力［”］ 清华大学、河南省电力公司［“］ ＡＬＳＴＯＭ、英国国家电网（ＮＧＣ）［１２］ 三菱［１３］ 三菱，圣迭戈天然气和电力公司［１４］ 韩国电科院、韩国电力公司Ｏｓ］ ＡＬＳＴＯＭ，美国东北电力０６］ ＡＢＢ，奥斯汀能源［１７］ 清华大学、许继，上海电力公司［１８．１９］ 安装地点 日本 美国 日本 日本 日本 美国 丹麦 美国 中国 英国 美国 美国 韩国 美国 美国 中国 容量（ＭＶＡ）
ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍ，ＦＡＣＴＳ）的一种典型装置，吸引了各国学者和研究人
员的广泛关注。２０世纪９０年代中期以后，ＳＴＡＴＣＯＭ技术逐步进入工业化应用的推广期，统计至２００７ 年，世界上已安装投运的用于输电网的ＳＴＡＴＣＯＭ约有１６台，另外还有大量用于配电网负荷侧的 ＤＳＴＡＴＣＯＭ投人运行。本文将结合国内外主要应用案例介绍ＳＴＡＴＣＯＭ技术的发展现状及趋势。
２．１
１９９１年日本关西电力±８０ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ［５］ １９９１年，１３本关西电力公司发起，由三菱公司研制的±８０Ｍｖａｒ ＳＴＡＴＣＯＭ在Ｉｎｕｙａｍａ开关站投运，
其电网接线如图１所示，ＳＴＡＴＣＯＭ位于水电厂群至负荷中 心长距离输电线路的中段，安装了这台ＳＴＡＴＣＯＭ之后，输 电通道输送功率极限由５３０ＭＷ提高到６２０ＭＷ，提升了 约１７％。 另据统计，１３本在２０世纪９０年代共安装了４台用于输电 网的ＳＴＡＴＣＯＭ，到２００２年，这４台装置的可用率均在９９％ 以上，具有非常高的可靠性［７］。
图２美国ＴＶＡ±１００ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ系统
（ａ）ＳＴＡＴＣＯＭ装置外观；（ｂ）Ｓｕｌｌｉｖａｎ变电站接线简图
该装置由西屋公司研制，是美国第一台实际用于电网运行的大容量ＳＴＡＴＣＯＭ。装置投运后，Ｓｕｌｌｉ—
ｖａｎ变电站的上述几个问题都得到不同程度的解决：日常调压的工作由ＳＴＡＴＣＯＭ完成，高压电抗器可 完全切除，有载调压变压器的动作频度也大大降低（由２５０次／月降低到２～５次／月）。大负荷方式失去连 接变压器后，ＳＴＡＴＣＯＭ快速发出无功功率，调节１６０ｋＶ母线电压维持在容许范围，等待附近变电站的 补偿电容投入。此外，还有助于研究ＳＴＡＴＣＯＭ在抑制功率振荡方面的应用。
２
ＳＴＡＫＯＭ的应用现状
表１列出的是世界上已安装投运的用于输电网的ＳＴＡＴＣＯＭ，其中１９８０年日本±２０Ｍｖａｒ、１９８６年
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二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
美国１１Ｍｖａｒ、１９９７年西门子±８Ｍｖａｒ、１９９９年中国±２０Ｍｖａｒ ＳＴＡＴＣＯＭ都是试验性质的装置，验证 了ＳＴＡＴＣＯＭ原理的可行性。１９９７年美国４－２０Ｍｖａｒ、２００３年韩国±８０Ｍｖａｒ ＳＴＡＴＣＯＭ分别是工程的 第一期，二期工程可将其扩展成统一潮流控制器（ＵＰＦＣ）。表中其余装置则都是用于提高电网的安全稳 定性和输电效率。以下根据文献报道介绍其中的几个典型案例。