ABBSTATCOM技术
StaffanRudinRogerGustafsson黄华欧支正轩
(ABB(中国)有限公司，北京100016)
【摘要】本文阐述了两种不同用途的STATCOM@装置，它们基于ABB相同的技术但具有不同的工作目标。
最近在中国建造的一套STATCOM装置用于将电弧炉产生的闪变抑制到可接受的水平，并保证高而且恒定的功
率因数，同时也用于治理电弧炉产生的谐波和负序。另外一套在美国德克萨斯州AustinEnergy安装的STAT—
CoM，则用于提供快速可靠的动态无功功率以保证其系统电压的稳定性。本文详细介绍了STATCOM的应用，
提出了STATCOM的一些突出的设计特点，同时也强调了一些关键性的结果。
【关键词1 FACTS电力传输电能质量 STATCOMSVCSVCLight电压稳定性
1概述
1．1工业用STATCOM实例
在中国刚刚试运行的一家炼钢厂安装了一台很大的电弧炉(EAF)，该炉以铁屑为原料进行不锈钢生
产。由于220kV供电电网的故障率水平不足，如果没有矫正措施保证运行中的电弧炉电能质量达标，炼
钢厂就不允许开始生产。为了保证电弧炉运行中达到足够好的电能质量，该厂配备了一套STATCOM装
置并将其与电弧炉并联运行m。这套STATCOM装置的主要任务是将电压闪变抑制到可以接受的水平，
并保证高而且恒定的功率因数，同时治理电弧炉产生的
谐波失真和负序成分。最初方案考虑采用传统的SVC
(如TCR型SVC)解决这个问题。然而，研究发现，
SVC装置对于闪变的抑制能力不足，于是改为采用
STATCOM这种能够更为有效地达到目标的装置。
电弧炉额定电压35kV，容量140MVA，在世界上
同类装置中相比非常庞大。STATCOM额定电压35kV，
容量0～164Mvar(容性)、连续可控，也属大型装置。
STATCOM装置(见图1)基于一个电压源逆变器
(VSC)，该逆变器由若干IGBT(绝缘栅双极晶体管)组
成。由于仅采用了单个逆变器，从而避免了多个装置的
并联。该逆变器直接连接至35kV电弧炉母线，而不需
要采用降压变压器或其他复杂的电磁链路；其直流部分
采用干式高压直流电容器储能。上述设计保证了STAT一
图1 工业用sTATCOM和电弧炉的系统单线图
COM结构简单而且紧凑。STATCOM控制原理是基于脉宽调制技术(PWM)，使其对于谐波器的需求减
为最小。如图1所示的2次和3次滤波器仅用于治理电弧炉产生的谐波。
1．2电力系统STATCOM实例
美国德克萨斯州Austin能源公司设在其市中心附近的一个燃油、燃气发电厂需要报废。该电厂建
于20世纪60年代，除提供发电量外，该电厂保持运行的一个重要原因是用于稳定输电系统的网压。
发电厂退出运行导致可靠的动态无功源缺失，将对输电系统的电压稳定性造成负面影响。柔性交流输
OABB的STATCOM解决方案的注册商标为SVCLighp，与ABB的HVDCLight@有着密切关系，因为两者都是基于电压源逆变
器(VSC)技术。
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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
CF2I,CF22+M／-v9ar5
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图2电力系统盯ATCOM的系统单线图
电系统(FACTS)被认为是解决该问题的一种可能的方
法。这个案例的一个特殊要求是，当输电系统电压跌落
时，在低电压情形下补偿装置需要进行快速响应，同时
网压正常后能够自恢复。另外，现场处于市区内，受到
的物理限制包括低电磁辐射和低噪声发射，这些均作为
对装置的特殊要求加以规定。初步研究表明，一套小型
的STATCOM装置可以满足上述要求。通过与其他供应
厂商竞争，ABB最终中标。STATCOM特别适合在非常
低的交流电网电压下提供完整补偿电流，并补偿电网的
三相不平衡。STATCOM的设计特点还包括最小化的占
地面积和有效的电磁屏蔽，这些特性都是在这个案例中
所要求的[2]。HollySTATCOM将一套95Mvar的逆变器
与无源滤波器以及并联电容器结合在一起，提供从
一80Mvar(感性)到+200Mvar(容性)的额定补偿范围，见图2。
2 ABBSTATCOM设计特点
2．1电压源逆变器
ABBSTATCOM的核心设备是基于IGBT的电压源逆变器。ABB业已开发出一种真正的高功率IG—
BT逆变器，能够在一台装置中同时处理高电压和强电流。为处理高电压，ABB的半导体器件被串联起
来，达到足够的电压额定值。每个IGBT和二极管组件都装配在一个包含许多子模块的机架中，而每个子
模块又包含多个半导体芯片。其中，子模块的数目取决于相应的额定电流。为了实现串联连接结构上的坚
固性并满足平面公差的要求，每个子模块都配备了弹簧系统用于各单独芯片的装配。IGBT阀组的水冷系
统采用了去离子水，实现了紧凑的结构设计和高强度电流处理能力，此外，紧凑设计还减小了阀组和直流
电容器间的环路电感，有助于降低损耗(见图3)。如今，IGBT阀组已经能够处理将近2000A的电流，
利用这项技术，使得单台100MVA的逆变器能够直接接人35kV母线。
2．2直流电容器
直流电容器是STATCOM逆变器的重要部件，其中储存的电荷使得IGBT逆变器能够变换产生电压，
即具备电压源逆变器功能。ABB直流电容器采用紧凑的、高电压、干式设计，特别适于此项应用(见图
4)。电容器设计上采用聚合物而非浸渍材料对金属化薄膜进行绝缘处理，实现了干式结构，使产品非常环
保；而在制造上，该产品既不需要填充剂也不需要可溶性涂料。这些电容器具有很高的能量密度，加之圆
柱体的外形，能够在逆变器电容的布置方案中实现紧凑的布局。
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图3逆变器阀组 图4用于SVCLight的直流电容器
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
3现场实景
ABBSTATCOM解决方案的一个普遍特点是布局紧凑，只需通过单个高功率逆变器就能吸收或发出
无功功率，从而节省了大量宝贵的空间。
图5展示了工业用STATCOM解决方案，离镜头最近的混凝土建筑容纳了包括IGBT阀组、冷却系
统、直流电容器以及控制系统在内的整个电压源逆变器。照片中后面的高层建筑物是熔制车间。
图6展示了一套完整的电力系统STATCOM装置。值得注意的是，装置的整个二次回路(32kV)都
设在室内。诚然，逆变器总是如此设计，但在该装置中，相电抗器和无源滤波器也封闭在了室内，这主要
是为了满足非常严格的噪声要求，因为该装置靠近私人住宅。此外，围栏的设计还考虑了防盗要求。
图5工业用STATCOM实景图
4运行经历
图6电力系统STATCOM实景图
4．1 工业用SIA’I℃oM
本项目在2006年秋季调试完成后，进行了测试以验证其是否满足性能要求，如电压和电流谐波、功
率因数、电压不平衡度、电压波动和闪变等指标均按照各自的标准予以评估。结果表明，本装置在所有方
面均满足要求。
整个负荷的功率因数(即电弧炉和SVCLight)连续保持在0．995甚至接近1．0，这表明快速波动负
荷几乎得到了100％的完全无功补偿，大大超出了0．95的合同要求。这展示了快速响应补偿器的优点。
关于闪变，现场采样了三种工况下的运行数据：有S、亿Light补偿时电弧炉的运行数据、无SVC
Light补偿时电弧炉的运行数据以及电网背景闪变的数据。从上述数据分析来看，在背景闪变的水平上，
有STATCOM补偿时甚至检测不到由于电弧炉生产而引起的闪变增大。图7显示了从整个测量周期中提
取的P。数据：最初，电弧炉和STATCOM均在运行；中间部分，电弧炉单独运行，因此闪变增大；图中
最后一部分是电网的背景闪变。测量数据显示，闪变抑制系数(95％参考值)在5．3～5．5之间，这与以
前ABBSVCLight装置的数据完全吻合[3]，与典型SVC装置相比，该系数提高了2倍以上。
4．2电力系统sTATCOM
HollySTATCOM装置于2004年秋季调试，通电前的设计和施工工作进展顺利，以致使项目提前投
入运行。装置有一项试验是阶跃响应试验，这项试验将装置实测结果与仿真进行比较，以确保在电网受到
干扰时逆变器和控制器具有足够响应速度和鲁棒性。图8显示了在现场测试的阶跃响应曲线，在此情况
下，STATCOM开环运行，发出恒定的无功功率。最初，STATCOM装置的工作点在15Mvar左右，即
只有谐波滤波器产生无功功率。然后，试验将幅度为0．5P．u．的阶跃函数作用于无功电流参考值。图8
显示了在现场测得的结果，可见从电流参考值改变到逆变器电流改变的响应时间只有几毫秒。
另一项记录显示了sTATCOM对于临近变电站的一次实际故障的反应。图9展示了发生在大约1．0s
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图7整个测试周期中提取的P。：闪变值
图8现场实测的无功电流阶跃响应(以0．5P．u．为步长)
(a)电压源逆变器的无功电流参考值；(b)电压源逆变器的无功电流瞬时值
(c)～(e)电压源逆变器的三相电流和32kV母线电压
时的一次故障记录，从图中底部的曲线可以清楚看出138kV母线上的B相电压跌落，STATCOM通过输
出最大化的容性无功对此作出响应。尽管故障处网压有很明显的不对称性(这种不对称性也反映到了逆变
器直流侧)，逆变器电流仍是对称的，这是只能通过脉宽调制才能得以实现的特性。故障排除后，电流在
受控状态下均匀地降低到故障前的初始值，准备好应对新的干扰，为电网提供支持。
STATCOM控制器还有一个额外的特点是其互联网功能，可通过网络实现在线诊断和监控，参见图
10。当系统出现轻微干扰时，控制系统以电子邮件的方式向事先指定的技术支持人员发出通知；在出现严
重干扰时，则以语音信息的方式通知。MACH2控制器的通知信息帮助工程师们通过互联网进行在线分
析，这些信息包括STATCOM工作状态、系统事件、故障信息、电网扰动记录等。在线监控系统的优点
在于，远程技术支持工程师可以直接查阅STATCOM设备的诊断信息，如同经由设备本地的人机界面
一样。
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5结论
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(c)
(d)
图9邻近的69kV系统故障期间STATCOM的响应情况
Ca)电压源逆变器的三相电流；(b)直流侧电压；(c)控制系统计算出的逆变器
无功电流参考值；(d)138kV母线三相电压
图lo在网络浏览器中打开的FACTS在线监控界面
本文阐述了两套基于非常相似的技术但具有不同用途的STATCOM装置。
中国的一家炼钢厂，配备了一套STATCOM装置(亦称SVCLight@)用于减轻由于大功率电弧炉的
运行而产生的闪变，在220kV电网PCC点成功将闪变抑制到了规定水平以内，其闪变抑制系数优于5．0。
这表明，如今的电网运营商没有理由再接受很高的闪变水平，ABB已经准备好解决方案来应对更大的
困难。
美国德克萨斯州电网，安装了一套STATCOM装置用于提供动态无功支持，该装置在瞬态电压恢
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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
复、经济与环境效益、运行与维护成本等诸多方面均具有优势。这项技术已经发展成熟，能够提供强健而
稳定的装置，为减轻电网所受干扰作出贡献。
参考文献
[1]RGrunbaum，TGustafsson，J—PHasler，TLarsson，BAigner，D．CPark．STATCOMforgridcodecomplianceofa
steelplantconnection．CIRED，Vienna，Austria，2007．
1-23AOskoui，J-pHasler，MOliveira，TLarsson，APettersson，EJohn．HollySTATCOM-FACTStoreplacecriticalgen—
eration，operationalexperienceA，IEEE，2005．
E3]S．Eichereta1．4．5kVPressPakIGBTdesignedforruggednessandreliability．／AS，Seattle，USA．，2004．
E4]R．Grfinbaum，T．Gustafsson，J-pHasler，T．Larsson，M．Lahtinen．STATCOMforsafeguardingpowerqualitvin
feedinggridinconjunctionwithsteelplantexpansion．cxoRfcB4—306．，2004．
作者简介
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StaffanRudin，ABB(中国)柔性交流输Fg,_Itg-部，HVDCLighp&
FACTS首席工程师，瑞典隆德理工学院电气工程硕士，在输配电领域拥有包括
FACTS和HVDC系统设计在内的17年工作经验。
RogerGustafsson，ABB(中国)柔性交流输电业务部，电气工程硕士，在
输配电领域拥有近20年工作经验，现从事工业领域的动态无功补偿应用。
黄华欧，ABB(中国)电力系统总部柔性交流输电业务部，工学学士，曾长期参
与三峡送出直流输电工程的项目实施，现从事电网动态无功补偿的工程应用。
十 T·}1．
叉—止年f，ABB(中国)柔性交流输电业务部，工学硕士，从事工业领域的动态无
功补偿应用。
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ABB STATCOM技术
作者： Staffan Rudin， Roger Gustafsson， 黄华欧， 支正轩
作者单位： ABB(中国)有限公司,北京 100016
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下载时间：2010年1月24日
