STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備及其影響因素分析

辛拓，王延緯，孫吉波

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600)

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STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備及其影響因素分析

辛拓，王延緯，孫吉波

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600)

摘要：結(jié)合廣東電網(wǎng)±200 Mvar大容量STATCOM運(yùn)行實(shí)例，從STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的有效性、方向性、延續(xù)性三個(gè)角度出發(fā)，提出STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的三維有效性概念，分析了大電網(wǎng)暫態(tài)擾動(dòng)下制約STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備釋放的因素。最后，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及EMTDC仿真驗(yàn)證，提出提升裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備能力的措施。

關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備；制約因素；廣東電網(wǎng)

廣東電網(wǎng)是一個(gè)典型的多直流集中饋入受端系統(tǒng)，2015年度夏期間饋入廣東電網(wǎng)直流多達(dá)8回，最大輸送能力為33 GW。由于直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行高度依賴換流站交流母線的電壓水平，隨著廣東內(nèi)、外環(huán)網(wǎng)架逐步完善，各直流落點(diǎn)間電氣距離進(jìn)一步縮短，交流故障導(dǎo)致多回直流同時(shí)換相失敗，甚至閉鎖的概率增大，成為電網(wǎng)運(yùn)行的瓶頸[1-2]。因此，受端電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功需求水平和暫態(tài)電壓支撐能力受到了理論界和工程界的廣泛關(guān)注。

為提高廣東電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力，在500 kV東莞變電站、水鄉(xiāng)變電站、北郊變電站、木棉變電站分別加裝了±200 Mvar的鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)(其暫態(tài)過(guò)負(fù)荷能力為300 Mvar)。其中，水鄉(xiāng)變電站STATCOM是我國(guó)目前容量最大、直掛電壓等級(jí)最高、串聯(lián)級(jí)數(shù)最多(27個(gè)閥單元)的STATCOM。

STATCOM是一種連續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，相比其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備其響應(yīng)速度更快(小于20 ms)，調(diào)節(jié)范圍更寬(可發(fā)出容性和感性無(wú)功)，是目前世界上最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備[3]。具有快速響應(yīng)特性的STATCOM通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)變化情況，迅速調(diào)出無(wú)功，從而達(dá)到及時(shí)控制系統(tǒng)電壓的目的，為受端電網(wǎng)提供快速動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，改變了廣東電網(wǎng)多回直流換相失敗后的電壓恢復(fù)特性[4]。目前動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的定義與評(píng)估仍有模糊和分歧，且多針對(duì)發(fā)電機(jī)等傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功源，并未考慮STATCOM等新興裝置的暫態(tài)動(dòng)作特性[5-6]。面對(duì)復(fù)雜多變的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，如何評(píng)估STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，并確保其儲(chǔ)備容量在暫態(tài)過(guò)程中按需釋放，給予系統(tǒng)最大程度的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，讓新技術(shù)在大電網(wǎng)運(yùn)行中“水土相符”，是當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行面臨的新課題。

本文考慮了STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠行浴⒎较蛐院脱永m(xù)性，提出了STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的概念；從裝置級(jí)、系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層面分析了制約STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備釋放的因素。最后，結(jié)合廣東電網(wǎng)STATCOM運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了優(yōu)化STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備能力的措施。

1STATCOM系統(tǒng)級(jí)控制策略

1.1STATCOM穩(wěn)態(tài)控制策略

廣東電網(wǎng)STATCOM采用定電壓控制模式，分為暫態(tài)電壓控制模式和穩(wěn)態(tài)電壓控制模式兩種。正常運(yùn)行時(shí)為穩(wěn)態(tài)電壓控制模式，裝置根據(jù)系統(tǒng)電壓變化幅度自動(dòng)進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。從預(yù)留動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的角度出發(fā)，增加了穩(wěn)態(tài)整體輸出無(wú)功限幅-40 Mvar(感性)至40 Mvar(容性)，即穩(wěn)態(tài)電壓控制模式下的可用容量為±40 Mvar。

1.2STATCOM暫態(tài)控制策略

暫態(tài)情況下，通過(guò)對(duì)三相電壓有效值的大小和變化速度來(lái)識(shí)別故障遠(yuǎn)近，并根據(jù)故障的嚴(yán)重程度來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略[3]。具體為：

a) 當(dāng)母線電壓變化率高于1.4 MV/s或任一相電壓有效值低于0.9(標(biāo)幺值，下同)或高于1.1時(shí)，暫態(tài)過(guò)程判斷邏輯認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)入暫態(tài)電壓控制模式；STATCOM 裝置啟動(dòng)，將輸出容量的上下限變?yōu)槿菪?00 Mvar 至感性300 Mvar(1.5倍過(guò)負(fù)荷)。

b) 當(dāng)三相電壓有效值低于0.5持續(xù)100 ms，暫態(tài)控制模式認(rèn)為裝置近端發(fā)生嚴(yán)重故障，為保護(hù)設(shè)備同時(shí)降低容性短路電流，裝置閉鎖定電壓控制，同時(shí)啟動(dòng)零無(wú)功控制，輸出無(wú)功保持為零，直到零無(wú)功控制取消。

c) 當(dāng)三相電壓高于0.5，裝置取消零無(wú)功控制，重啟暫態(tài)定電壓控制，控制器根據(jù)電壓參考值對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，輸出容量上下限恢復(fù)容性300 Mvar 至感性300 Mvar(1.5倍過(guò)負(fù)荷)。

2STATCOM有效動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備

2.1STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的概念

動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的目的是保證系統(tǒng)有足夠無(wú)功儲(chǔ)備以支撐故障過(guò)程中及故障切除后的系統(tǒng)電壓，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。不同故障下，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的無(wú)功儲(chǔ)備釋放能力不同[5]。

傳統(tǒng)上，將STATCOM裝置的最大無(wú)功出力與當(dāng)前穩(wěn)態(tài)無(wú)功出力的差值定義為STATCOM裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備[6]，即

(1)

式中：Q0和Qmax分別為STATCOM的穩(wěn)態(tài)無(wú)功出力和最大無(wú)功出力；Qres為傳統(tǒng)觀念下的STATCOM無(wú)功儲(chǔ)備。

實(shí)際運(yùn)行中，受STATCOM裝置能力、故障類型、短路點(diǎn)遠(yuǎn)近等因素制約，即使STATCOM裝置擁有足量無(wú)功儲(chǔ)備，也存在部分容量無(wú)法完全釋放的現(xiàn)象。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)STATCOM無(wú)功儲(chǔ)備的方法已不適用。圖1為STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的三維有效性概念示意圖。受裝置級(jí)、系統(tǒng)級(jí)因素的影響，電網(wǎng)遭受擾動(dòng)時(shí)，需要格外關(guān)注STATCOM暫態(tài)響應(yīng)的有效性、方向性和延續(xù)性。

圖1　STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的三維有效性

STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備有效性的概念為在各種故障形式下，STATCOM能發(fā)揮作用的無(wú)功儲(chǔ)備。與之相對(duì)的是無(wú)效動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，即系統(tǒng)在遭受擾動(dòng)時(shí)，STATCOM沒(méi)有調(diào)用的無(wú)功儲(chǔ)備。進(jìn)一步，當(dāng)STATCOM在暫態(tài)響應(yīng)期間發(fā)出容性無(wú)功則為正向有效動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，反之為負(fù)向有效動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備。延續(xù)性的概念是指在故障過(guò)程中及切除后，STATCOM裝置均保持無(wú)功輸出，而不是保護(hù)動(dòng)作閉鎖無(wú)功輸出。

由此，可將式(1)修正為：

(2)

其中

式中：Qres,out為考慮三性(有效性、方向性、延續(xù)性)的STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備；±Qout為STATCOM暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程中實(shí)際調(diào)用無(wú)功，正負(fù)號(hào)分別代表容性和感性；α為延續(xù)因子；t為STATCOM裝置暫態(tài)過(guò)程中運(yùn)行時(shí)間；T為系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程時(shí)間，考慮系統(tǒng)擾動(dòng)全過(guò)程為秒級(jí)，而STATCOM裝置保護(hù)閉鎖時(shí)間為毫秒級(jí)，故α取0(裝置閉鎖)或1(持續(xù)輸出)。

2.2案例分析

以實(shí)際運(yùn)行案例說(shuō)明上述概念。

案例一，圖2為某一遠(yuǎn)端直流閉鎖故障下，STATCOM的同步相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit，PMU)響應(yīng)曲線。由圖2可知，STATCOM控制的500 kV母線電壓由事前531 kV跌至526 kV，未達(dá)到進(jìn)入暫態(tài)判據(jù)，STATCOM無(wú)功出力由事前-38 Mvar階躍至23 Mvar。

一般認(rèn)為，暫態(tài)最大無(wú)功出力300 Mvar的STATCOM，事前無(wú)功出力為-38 Mvar，則其傳統(tǒng)概念的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備應(yīng)為Qres=300 Mvar-(-38 Mvar)=338 Mvar。而本例故障期間STATCOM的實(shí)際最大無(wú)功出力為23 Mvar，其考慮三性的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備應(yīng)為

Qres,out=1×[23 Mvar-(-38 Mvar)]=61 Mvar。

圖2　遠(yuǎn)端故障時(shí)STATCOM響應(yīng)PMU曲線

案例二，圖3為某一近端交流500 kV線路發(fā)生單相接地不對(duì)稱故障時(shí)STATCOM的PMU響應(yīng)曲線。故障開(kāi)始瞬間，500 kV母線電壓迅速跌落至421 kV，STATCOM啟動(dòng)進(jìn)入暫態(tài)電壓控制模式，并于20 ms內(nèi)調(diào)出300 Mvar容性無(wú)功。故障發(fā)生后56 ms，線路開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作切除故障線路，系統(tǒng)電壓恢復(fù)。5 ms后STATCOM環(huán)內(nèi)閥組過(guò)流閉鎖，即整個(gè)過(guò)程STATCOM約運(yùn)行41 ms。

圖3　近端故障時(shí)STATCOM的響應(yīng)PMU曲線

針對(duì)案例二的STATCOM近端交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障，裝置無(wú)功迅速調(diào)用到最大能力。但是在系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)刻，裝置與系統(tǒng)間的控制壓差迅速拉大，導(dǎo)致閥組過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，裝置閉鎖，沒(méi)有為后續(xù)系統(tǒng)電壓恢復(fù)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。針對(duì)本次故障，STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備Qres,out=0×[300 Mvar-(-20 Mvar)]=0 Mvar。

STATCOM能否在系統(tǒng)故障和恢復(fù)的過(guò)程中持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并提供容性無(wú)功，是考核裝置運(yùn)行能力的重要技術(shù)指標(biāo)。所以，STATCOM裝置動(dòng)作響應(yīng)的延續(xù)性是不可忽略的因素。

顯然，區(qū)分STATCOM無(wú)功儲(chǔ)備的有效性、方向性、延續(xù)性，從三個(gè)維度分析其作用，將有助于STATCOM運(yùn)行效果評(píng)估、控制策略制定以及后續(xù)動(dòng)態(tài)無(wú)功規(guī)劃，對(duì)受端電網(wǎng)中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定研究也具有一定參考意義。

3STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備影響因素

3.1系統(tǒng)級(jí)影響因素

實(shí)際運(yùn)行中，受裝置暫態(tài)控制策略、網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開(kāi)機(jī)方式、負(fù)荷水平、容抗器投入、故障類型等因素的影響，STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備是動(dòng)態(tài)變化的。一般地，系統(tǒng)故障后，電壓下降、負(fù)荷無(wú)功驟增、充電功率及離散無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功驟降，故STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備方向多為容性。圖4為STATCOM輸出最大容量隨控制母線電壓變化曲線。

X軸表示STATCOM控制母線電壓(標(biāo)幺值)；Y軸表示STATCOM輸出最大容量，Mvar。圖4　STATCOM容量-電壓釋放特性

由圖4可以看出：

a) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生近端故障時(shí)(電網(wǎng)電壓小于0.5)，STATCOM由電壓控制變?yōu)榱銦o(wú)功控制；當(dāng)電網(wǎng)電壓大于0.5時(shí)(認(rèn)為故障切除，電壓開(kāi)始恢復(fù))，立即恢復(fù)電壓控制，加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

b) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生遠(yuǎn)端故障時(shí)(電網(wǎng)電壓大于0.5小于0.9 )，STATCOM放開(kāi)±300 Mvar暫態(tài)無(wú)功輸出限幅，最大能力地釋放動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備。

c) 當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)到0.9～1.1，并持續(xù)100 ms，STATCOM無(wú)功限幅逐漸減小至±40 Mvar穩(wěn)態(tài)輸出限幅，開(kāi)始進(jìn)行無(wú)功儲(chǔ)備。

可見(jiàn)，故障點(diǎn)距離STATCOM電氣距離遠(yuǎn)，且故障類型不接地，受控母線電壓跌落幅度小、速率慢，STATCOM不易進(jìn)入暫態(tài)模式。針對(duì)此類“遠(yuǎn)端不接地”故障集的STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備有限， ±300 Mvar的裝置最大容量不易釋放。相反地，若STATCOM近區(qū)發(fā)生故障，受控母線電壓跌落幅度大、速率快，STATCOM易進(jìn)入暫態(tài)模式，瞬間調(diào)出±300 Mvar最大無(wú)功儲(chǔ)備。

由上述分析可知，系統(tǒng)遭受擾動(dòng)下的受控母線電壓跌落特性是決定STATCOM有效動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備的關(guān)鍵因素。但是，大電網(wǎng)的故障形式多樣，不同故障集對(duì)應(yīng)的電壓跌落特性也各有不同，故認(rèn)為這部分影響因素為不可控部分。

3.2裝置級(jí)影響因素

STATCOM裝置在異常工況尤其是三相電壓不平衡時(shí)的運(yùn)行區(qū)域是決定STATCOM穩(wěn)定運(yùn)行的根本性因素。受控母線電壓嚴(yán)重突降或電壓三相不平衡都有可能導(dǎo)致STATCOM裝置本體直流側(cè)電容過(guò)壓或環(huán)內(nèi)閥組過(guò)流，進(jìn)而裝置閉鎖，退出運(yùn)行。STATCOM在穩(wěn)、暫態(tài)模式切換過(guò)程中發(fā)生的過(guò)流和超調(diào)是在裝置控制器參數(shù)設(shè)定過(guò)程中需要格外注意的問(wèn)題[7]。制約STATCOM有效動(dòng)態(tài)無(wú)功因素歸納結(jié)果如圖5所示。

圖5　STATCOM無(wú)功釋放制約因素

4STATCOM控制器參數(shù)優(yōu)化

4.1仿真模型簡(jiǎn)介

以某變電站STATCOM為例，進(jìn)行仿真分析。500 kV系統(tǒng)短路容量為55 kA，500 kV系統(tǒng)經(jīng)過(guò)漏抗標(biāo)么值為0.01的變壓器變至220 kV，220 kV母線短路容量約為40 kA。220 kV母線負(fù)荷為400 MW+50 Mvar。裝置通過(guò)35 kV/231 kV升壓變接入220 kV系統(tǒng)。STATCOM模型為恒壓運(yùn)行模式(額定容量100 Mvar，暫態(tài)能力150 Mvar)，初始電流環(huán)比例系數(shù)Kp=0.6，前饋環(huán)節(jié)采用鎖相電壓，速斷過(guò)流保護(hù)定值為2 805 A(環(huán)外有效值)。

4.2算例分析

在電網(wǎng)暫態(tài)情況下，特別是電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)刻，由于STATCOM輸出無(wú)功電流較大，很容易造成STATCOM過(guò)流。選取單相接地故障形式(接地電阻0.5 Ω)，分別修改電流環(huán)比例系數(shù)Kp以及前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行STATCOM過(guò)流數(shù)值比較。計(jì)算結(jié)果分別如圖6、7、8、9所示。

圖中的U相均為故障電壓和過(guò)流峰值。圖6裝置初始情況，STATCOM過(guò)流峰值

圖7　裝置Kp修正為0.9，STATCOM過(guò)流峰值

圖8　裝置前饋環(huán)節(jié)修正為實(shí)際電壓，STATCOM過(guò)流峰值

圖9　2種修正疊加，STATCOM過(guò)流峰值

各種工況下STATCOM過(guò)流峰值見(jiàn)表1。

表1不同控制器參數(shù)下STATCOM過(guò)流峰值A(chǔ)

控制器參數(shù)過(guò)流峰值控制器參數(shù)過(guò)流峰值初始過(guò)流2508前饋采用瞬時(shí)電壓2227Kp=0.62339瞬時(shí)電壓結(jié)合Kp=0.62111

由此可見(jiàn)，在暫態(tài)情況下，調(diào)增電流環(huán)的比例系數(shù)，讓STATCOM電流跟蹤指令電流更加迅速；直接將電網(wǎng)實(shí)際電壓作為STATCOM控制的前饋電壓，可以有效抑制STATCOM在過(guò)渡過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)流問(wèn)題。

5結(jié)論

a) 由于電網(wǎng)發(fā)生電壓崩潰的主要原因是缺乏容性動(dòng)態(tài)無(wú)功、電壓跌落，因此大多數(shù)場(chǎng)合STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備方向應(yīng)為容性。

b) 為留出盡可能多的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，一般需要投入站內(nèi)并聯(lián)電容器組，該類設(shè)備在電壓跌落時(shí)輸出無(wú)功按平方關(guān)系遞減。因此，在有條件的場(chǎng)合，穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)盡可能把變電站母線電壓調(diào)到較高的水平。

c) 優(yōu)化控制器參數(shù)，減小穩(wěn)態(tài)模式切換到暫態(tài)模式時(shí)的過(guò)渡過(guò)程的過(guò)流和超調(diào)。

d) STATCOM應(yīng)針對(duì)非對(duì)稱工況設(shè)計(jì)合理的電流控制策略，防止由于電網(wǎng)電壓不平衡引起裝置過(guò)流及閉鎖。

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Analysis on STATCOM Dynamic Reactive Power Reservation and Its Influencing Factors

XIN Tuo, WANG Yanwei, SUN Jibo

(Electric Power Dispatching Control Center of Guangdong Power Grid, Guangzhou, Guangdong 510600, China)

Abstract：Combining with running example of ±200 Mvar large scale static synchronous compensator (STATCOM) of Guangdong power grid, 3D validity concept about STATCOM dynamic reactive power reservation is presented in three aspects of validity, directivity and continuity of STATCOM reactive power reservation. This paper analyzes factors restraining release of STATCOM reactive power reservation and proposes measures to improve capability of dynamic reactive power reservation of the device by combining application experience of actual engineering and EMTDC emulation proof.

Key words：static synchronous compensator (STATCOM); dynamic reactive power reservation; restraining factor; Guangdong power grid

收稿日期：2016-03-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技計(jì)劃支撐資助項(xiàng)目(2007BAA10B02)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.010

中圖分類號(hào)：TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0056-05

作者簡(jiǎn)介：

辛拓 (1985)，男，遼寧錦州人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、電網(wǎng)運(yùn)行策劃分析、動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置策略管理等工作。

王延緯(1987)，男，遼寧丹東人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)分析、電網(wǎng)運(yùn)行方式策劃等工作。

孫吉波(1984)，男，四川廣元人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)分析、電網(wǎng)運(yùn)行方式策劃等工作。

(編輯查黎)