1.装置介绍

1994年至1999年间，清华大学与河南省电力公司合作开发20Mvar工业化STATCOM装置。历经试验室样机（基于IGBT、10kvar）、工业样机（基于GTO、300kvar，曾安装于河南省孟砦变电站）后，1999年完成最终的工业化装置，安装于洛阳市郊朝阳变电站，并于同年3月并网投入试运行。

20MvarSTATCOM接入朝阳变电站的10kV母线，进而向220kV主干电网提供快速可调的无功功率，以改善河南电网北、中和西部向东南部送电的暂态稳定性和动态阻尼特性^[33]～[35]。

图5-27所示为STATCOM的总体构成，其中GTO逆变柜外形如图5-28所示。整个装置包括以下组成部分：

图5-27 系统设计图

图5-28 GTO逆变柜外形

1）主电路：电力电子电路是STATCOM的核心和主体部分，由直流电容器组、基于GTO的多脉波逆变器、多重化变压器组以及接入断路器等构成。

2）起动电路：主要由起动用升压变压器和起动整流器构成；保护与控制子系统：包括控制器、脉冲发生器及脉冲分配与保护器三个部分。

3）监测与诊断子系统：包括布置在本地、集控室和远程三处的监测与诊断硬软件；水冷子系统：采用全封闭式纯水冷却方式。

4）其他辅助设备：如提供从系统获取电力的电源变压器、开关电源设备、电池、各类开关柜等。

2.主电路结构

20Mvar-STATCOM的主电路结构如图5-29所示，主要包括：直流电容器组及其放电电路、4组基于GTO的多脉冲逆变器、四重化耦合变压器组、接入断路器以及相关的限流、保护电路（如CLC限流电路）等。直流电容C=15000μF，等值电抗X_L=0.91W脉冲逆变电路及其耦合变压器构成的四重化电压型逆变器是电力电子电路主体，忽略辅助和缓冲电路。

图5-29 主电路结构图(www.daowen.com)

3.控制器

图5-30为控制器框图。控制器采用双机热备用结构。当1台故障时，切换电路自动切换至备用机运行，从而提高系统的连续运行能力。2台控制器均可运行于恒无功方式和恒电压方式，其采样、控制计算及脉冲发生器均采用基于32位数字信号处理器（DSP）TMS320C31的高速数字控制方式。脉冲发生器的相位精度高达0.025°，使得无功控制的精度及稳定性得到保证。装置输出无功的大小通过调节装置输出电压与系统电压的相位差来调节，直流电压将随输出无功功率的大小而变化。控制器输出24路脉冲，这些脉冲经保护单元处理后，经过光纤输出至GTO门极驱动单元。当因系统不对称等原因引起过电流时，保护系统将迅速封锁GTO驱动脉冲，但主开关不跳闸。控制器在检测到系统恢复正常后，将解除脉冲封锁，使装置能尽快投入运行。解除脉冲封锁时，为防止因封锁脉冲后变压器剩磁产生过电流，解除封锁时刻与封锁时刻的时间差应保证为系统周期的整数倍。

装置的起动和运行过程为：在监测子系统监控下，如各子系统正常运行，则首先将控制器置于开环并网工作状态；其次投入起动电路，对直流电容器组充电；调节起动整流器输出，逐步提升直流电压，逆变器的输出电压幅值也随之增加；同时监视逆变器输出电压与系统电压之间的关系、计算并网条件，并网条件满足时合接入主开关，STATCOM并网运行；然后可将起动电路断开，将控制器切换为自动调节模式。运行过程中，控制器能根据用户设置工作于恒无功、恒电压和阻尼振荡控制模式。

图5-30 控制器结构图

4.试验介绍

稳态试验：在零无功工况下，输出电压为10.2kV，输出电流为1.13kA，直流电压为1.6kV；在额定滞后无功（-20Mvar）工况下，输出电压为9.6kV，输出电流为1.2kA，直流电压为1.3kV；在额定超前无功（+20Mvar）工况下，输出电压为10.8kV，输出电流为1.06kA，直流电压为1.87kV。

动态试验：图5-31、图5-32分别给出了装置在突加20Mvar超前及滞后无功指令下的输出线电压和电流响应。从图中可见，无功功率阶跃响应时间小于30ms。这一结果表明STATCOM具有极快速地输出无功功率的能力。

±20MvarSTATCOM已经成功地在朝阳变电站投入运行。试验结果表明，STATCOM可以在额定滞后工况和额定超前工况之间连续变化地运行，且输出无功响应时间小于30ms。装置各项性能指标达到了设计目标，从而验证了书中所给出的各种设计方法的正确性和可行性。该装置的研制成功为今后更大容量的FACTS装置研制打下了良好的技术基础。

图5-31 突加20Mvar超前无功时电压电流波形

图5-32 突加20Mvar滞后无功时电压电流波形