STATCOM 和同步調(diào)相機(jī)響應(yīng)時(shí)間的仿真分析和比較

戴朝波，于弘洋，趙國(guó)亮，段方維，楊瀅璇

（1.先進(jìn)輸電技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司），北京 102209；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110003）

0 引言

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題一直是困擾世界電力學(xué)術(shù)界的難題之一［1-2］。在特高壓直流換相失敗、閉鎖等故障及其恢復(fù)過程中，除有功功率大幅波動(dòng)之外，直流會(huì)從交流電網(wǎng)吞吐大量無(wú)功功率，導(dǎo)致直流送、受端近區(qū)交流電壓大幅快速波動(dòng)，存在新能源機(jī)組大規(guī)模無(wú)序脫網(wǎng)等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。

眾所周知，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有SVC［4］、STATCOM［5-7］和同步調(diào)相機(jī)［8-9］等。關(guān)于這三者的比較已有不少［3，9-22］，但都沒有事先約定裝置響應(yīng)時(shí)間的定義和相應(yīng)的計(jì)算方法，也就沒法實(shí)質(zhì)性比較STATCOM 和同步調(diào)相機(jī)裝置本身的響應(yīng)時(shí)間。

通過各種控制，同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出勵(lì)磁電壓Ef，在轉(zhuǎn)子上得到勵(lì)磁電流If，再通過磁鏈耦合，最終在定子側(cè)得到期望的內(nèi)電勢(shì)E0［11］。從電路機(jī)理上講，同步調(diào)相機(jī)輸出的無(wú)功功率及其響應(yīng)時(shí)間由同步調(diào)相機(jī)的內(nèi)電勢(shì)、機(jī)端電壓和等值電抗共同決定。STATCOM 補(bǔ)償無(wú)功功率的機(jī)理與同步調(diào)相機(jī)相似，不同之處在于：STATCOM 通過控制和脈寬調(diào)制等技術(shù)使換流器輸出期望的交流電壓，相當(dāng)于同步調(diào)相機(jī)的內(nèi)電勢(shì)；同時(shí)，等值電抗通常為STATCOM 連接電抗L，與同步調(diào)相機(jī)不同，其電感值通常是固定的。

文獻(xiàn)［22］對(duì)西北新甘青750 kV 送端電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償措施進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明：調(diào)相機(jī)對(duì)電網(wǎng)輸電能力的提升效果最好，STATCOM 次之，SVC最差，并歸因于調(diào)相機(jī)輸出的無(wú)功功率最大，即和裝置響應(yīng)時(shí)間關(guān)系不大?，F(xiàn)階段，鑒于調(diào)相機(jī)價(jià)格遠(yuǎn)高于STATCOM，而 SVC 價(jià)格略低于STATCOM［12］，并且同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行維護(hù)成本和有功功率損耗是三者中最高的，SVC 是最低的，因此，宜對(duì)電網(wǎng)有相似電壓支撐效果的方案進(jìn)行比較，而不是對(duì)裝置相同額定容量的方案比較。

早期，普遍認(rèn)為STATCOM 響應(yīng)速度比同步調(diào)相機(jī)快［20-22］，或同樣快［11］。文獻(xiàn)［3］基于定子繞組磁鏈不能突變，認(rèn)為同步調(diào)相機(jī)能無(wú)延時(shí)地輸出超出其額定容量的無(wú)功功率。工程現(xiàn)場(chǎng)單相短路故障試驗(yàn)結(jié)果卻表明［23］：同步調(diào)相機(jī)在10～30 ms 內(nèi)可提供1.2～1.3 倍額定容量的無(wú)功功率，即響應(yīng)時(shí)間不為0。這一顯著差異應(yīng)是對(duì)響應(yīng)時(shí)間的不同理解造成的。文獻(xiàn)［10］通過機(jī)電暫態(tài)仿真發(fā)現(xiàn)SVC 和STATCOM 呈現(xiàn)無(wú)功電壓“反調(diào)”特性，并歸因于這兩者響應(yīng)速度不夠快，同時(shí)同步調(diào)相機(jī)能快速發(fā)出或吸收無(wú)功功率，沒有無(wú)功電壓“反調(diào)”現(xiàn)象而被推薦，可見響應(yīng)速度至少是一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)［24］研究了同步調(diào)相機(jī)接入等值電網(wǎng)后電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生突變時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)特性，但沒有探討響應(yīng)時(shí)間。沒有涉及響應(yīng)時(shí)間的原因在于裝置的響應(yīng)特性受電網(wǎng)條件等諸多因素影響，也在于電網(wǎng)條件發(fā)生突變后，仿真得到的無(wú)功功率存在幅值較大的高頻振蕩［3，24］。畢竟在沒有約定相關(guān)定義和計(jì)算方法前提下很難給出有說服力的結(jié)果。

本文首先明確階躍響應(yīng)時(shí)間的定義，并約定相應(yīng)的計(jì)算方法，統(tǒng)一了比較基準(zhǔn)。接著分別搭建了簡(jiǎn)化的、便于驗(yàn)證的同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 等值系統(tǒng)，降低了諸多因素交叉影響的錯(cuò)綜復(fù)雜性。采用電磁暫態(tài)仿真分析方法分別從參考值階躍、電網(wǎng)等值電壓幅值階躍、相角階躍這3 個(gè)維度試圖得到裝置本身的響應(yīng)特性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，上述3 個(gè)量肯定會(huì)同時(shí)變化，本文的研究結(jié)果將為分析和理解更為復(fù)雜的實(shí)際工況下的響應(yīng)時(shí)間提供有益參考。

1 仿真比較的約定

1.1 階躍響應(yīng)時(shí)間

圖1 給出階躍響應(yīng)時(shí)間的示意，約定動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置階躍響應(yīng)時(shí)間為從階躍發(fā)生時(shí)刻開始，到輸出達(dá)到實(shí)際變化值90%為止，且期間沒有過沖。這里的實(shí)際變化值指圖1的穩(wěn)態(tài)值與初始值的差。

圖1 階躍響應(yīng)時(shí)間示意圖Fig.1 Schematic diagram of step response time

實(shí)際應(yīng)用時(shí)有采用無(wú)功功率Q或輸出電流I來表征階躍響應(yīng)時(shí)間的，本文采用無(wú)功功率Q來表征。

如圖1 所示，階躍響應(yīng)時(shí)間包括檢測(cè)時(shí)間和動(dòng)作時(shí)間這兩部分。對(duì)于STATCOM 等電力電子裝置，檢測(cè)時(shí)間和動(dòng)作時(shí)間通常都不為0。

考慮到同步調(diào)相機(jī)的特殊性，如圖1 所示，本文引入瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，相應(yīng)的實(shí)際變化值為局部最大值和初始值的差。

在此約定系統(tǒng)頻率不變，并采用快速傅里葉變換、遞推離散傅里葉變換（recursive discrete Fourier transform［25］）等措施減少諧波分量、有功分量的影響。本文采用一個(gè)工頻周波128 點(diǎn)的傅里葉變換計(jì)算相應(yīng)的有功功率、無(wú)功功率和基波分量等。

1.2 等值系統(tǒng)

圖2 給出STATCOM 和同步調(diào)相機(jī)響應(yīng)時(shí)間比較時(shí)用到的、在PSCAD 軟件中搭建的仿真等值系統(tǒng)。P、Q和i分別為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的有功功率、無(wú)功功率和電流，正方向如箭頭所示，并約定動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等效為電容時(shí)的無(wú)功功率Q為正，等效為電感時(shí)Q為負(fù)。

圖2 比較時(shí)采用的等值系統(tǒng)Fig.2 Equivalent system for comparison

以動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置額定值為標(biāo)幺化基準(zhǔn)值，在參數(shù)設(shè)置時(shí)，確保變壓器和等值阻抗ZS的參數(shù)標(biāo)幺值在同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 算例中的對(duì)應(yīng)值都是相等的。這樣一來，即使同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 額定容量不同，仿真計(jì)算結(jié)果也同樣具有可比性。

按照工程現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)較弱的交流系統(tǒng)，通過約定的短路比來設(shè)置圖2 的等值阻抗，這樣處理的目的在于：在適當(dāng)考慮電網(wǎng)特性的前提下，盡可能地聚焦于裝置本身，使比較結(jié)果更能體現(xiàn)裝置自身的性能。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的參考值階躍、等值電源的幅值階躍、等值電源的相角階躍是本文比較裝置階躍響應(yīng)時(shí)間的3 個(gè)維度。其中，參考值階躍時(shí)的特性屬于裝置的主動(dòng)響應(yīng)特性，等值電源的幅值和相角階躍時(shí)的特性則屬于裝置的被動(dòng)響應(yīng)特性。

現(xiàn)有電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［26］規(guī)定STATCOM 正常運(yùn)行最低工作電壓應(yīng)為0.4 p.u.，在韓國(guó)投運(yùn)的400 Mvar STATCOM 最低工作電壓為0.3 p.u.［5］。實(shí)際電網(wǎng)不一定都要求這樣嚴(yán)格，有時(shí)0.6 p.u.最低工作電壓也是可以接受的［6］。本文選用0.5 p.u.最低工作電壓較為適中的要求進(jìn)行比較。如電壓跌落幅度太小，同步調(diào)相機(jī)需要高壓側(cè)電壓附加勵(lì)磁控制［22］等輔助調(diào)節(jié)來優(yōu)化響應(yīng)特性。當(dāng)然，電壓跌落速度慢會(huì)增加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間。本文選用階躍響應(yīng)，即瞬時(shí)改變以確保同步調(diào)相機(jī)能呈現(xiàn)出盡可能小的響應(yīng)時(shí)間。

已有研究結(jié)果表明［27］，在電網(wǎng)發(fā)生故障的整個(gè)過程中，電壓有可能發(fā)生大到90 °的相角躍變。同時(shí)考慮到，如分布式調(diào)相機(jī)一樣，STATCOM 也應(yīng)能應(yīng)用到新能源基地等場(chǎng)景，所以，本文也選用90 °相角躍變進(jìn)行比較。

2 同步調(diào)相機(jī)的仿真和分析

2.1 仿真條件的說明

圖3 給出了仿真分析時(shí)同步調(diào)相機(jī)的等值系統(tǒng)，其中Vref為同步調(diào)相機(jī)端電壓參考值，Ef為勵(lì)磁電壓，If為勵(lì)磁電流。盡管有研究結(jié)果表明同步調(diào)相機(jī)在頻率為5.0 Hz以上區(qū)間的響應(yīng)特性基本上與勵(lì)磁控制策略無(wú)關(guān)［9］，在仿真等值系統(tǒng)搭建時(shí)還是考慮了勵(lì)磁系統(tǒng)及其參數(shù)的影響。

圖3 同步調(diào)相機(jī)的等值系統(tǒng)Fig.3 Equivalent system with a synchronous condenser

仿真時(shí)用到的同步調(diào)相機(jī)參數(shù)按上海電氣額定容量為50 MVA 的空冷調(diào)相機(jī)進(jìn)行設(shè)置，其中，額定定子線電壓為10.5 kV，額定定子電流為2 749 A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

當(dāng)同步調(diào)相機(jī)并網(wǎng)以后，通常采用調(diào)節(jié)速度快、可控性強(qiáng)的自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)［8］。本仿真采用IEEE的ST5靜止勵(lì)磁系統(tǒng)模型及其參數(shù)值［28-29］。

變壓器額定容量為75 MVA，采用△/Y0接線，變比為10.5 kV/500.0 kV，基波正序漏抗為0.12 p.u.。電網(wǎng)的等值阻抗為一電感，按調(diào)相機(jī)額定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)幺化，對(duì)應(yīng)值約為0.0261 p.u.。

2.2 仿真分析

2.2.1 機(jī)端電壓參考值的階躍

圖4給出了同步調(diào)相機(jī)端電壓參考值Vref的階躍響應(yīng)曲線。無(wú)功功率Q從0 p.u.上升到1.0 p.u.時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為0.854 s。顯然，勵(lì)磁電壓Ef上升速度相對(duì)較快，但勵(lì)磁電流If變化速度要慢許多，最終導(dǎo)致端電壓參考值的階躍響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，這和文獻(xiàn)［3］中相關(guān)論述相符。盡管通過優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)及其參數(shù)可以縮短階躍響應(yīng)時(shí)間，但很難改變階躍響應(yīng)時(shí)間至少為數(shù)百毫秒的這一判斷。

圖4 電壓參考值的階躍響應(yīng)曲線Fig.4 Step response waveforms of voltage reference

2.2.2 等值電源電壓幅值的躍變

圖5 給出圖3 中等值電源幅值Vs的階躍響應(yīng)曲線。在18.0 s 時(shí)刻，幅值Vs由1.0 p.u.瞬間跌到0.5 p.u.，相應(yīng)地，VH由1.0 p.u.跌到0.56 p.u.，V由1.0 p.u.跌到0.75 p.u.，VH和V的下降幅度都有所減少，這是由于受到等值阻抗Zs和變壓器漏抗的影響。由于同步調(diào)相機(jī)無(wú)功功率Q緩慢增加，VH和V也都隨之增加一些，且V增加的幅度更為顯著。

圖5 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Step response waveforms of voltage amplitude

如圖5 所示，采用Q穩(wěn)態(tài)值時(shí)，電壓幅值的階躍響應(yīng)時(shí)間約為3.540 s，比較大，這主要是因?yàn)闊o(wú)功功率Q的增速在后期比較緩慢。通過增加高壓側(cè)電壓附加勵(lì)磁控制［22］、優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)及其參數(shù)值等措施，應(yīng)能縮短響應(yīng)時(shí)間，但很難改變階躍響應(yīng)時(shí)間在1.0 s 以上的這一判斷。文獻(xiàn)［24］給出了系統(tǒng)電壓突然跌落到0.6 p.u.時(shí)的無(wú)功功率響應(yīng)曲線，其階躍響應(yīng)時(shí)間大約為2.0 s，大于1.0 s。

如圖5 所示，等值電源幅值Vs階躍時(shí)，勵(lì)磁電壓Ef和勵(lì)磁電流If都有幅值較大的躍變，不同的是勵(lì)磁電流If有頻率相對(duì)較高的振蕩分量，同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁繞組的等值電阻不大是該振蕩分量持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的主要原因。同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ω峰峰值變化范圍僅為額定轉(zhuǎn)速的0.3%左右，可忽略。

如圖6 所示，對(duì)于瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，從等值電源幅值VS階躍發(fā)生時(shí)刻到無(wú)功功率Q達(dá)到局部最大值的0.9 大致需要14 ms，階躍響應(yīng)速度非?？臁ｏ@然，電流i幾乎是無(wú)延時(shí)地突增，并含有數(shù)值較大、緩慢衰減的直流分量。如此大的直流分量至少對(duì)升壓變壓器是不利的。如電流i幅值不變且沒有直流分量的話，達(dá)到局部最大值的0.9 最快也需要18 ms。I1ave是電流i三相基波分量的平均值，其值在快速上升到最大值后略有下降，其實(shí)，電流i幅值是一直在變化的，在等值電源電壓幅值Vs階躍時(shí)，其大小通常由同步機(jī)超瞬態(tài)參數(shù)所主導(dǎo)，之后逐漸過渡到由瞬態(tài)參數(shù)所主導(dǎo)，因此電流i幅值應(yīng)該是衰減的，這是瞬態(tài)階躍響應(yīng)時(shí)間能小于18 ms 的原因之一。另外一個(gè)原因是電流中含有衰減的直流分量。

圖6 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Step response waveforms of voltage amplitude

與文獻(xiàn)［3］、［24］不同，由于采用了1.1 節(jié)中約定的計(jì)算方法，圖5 和圖6 中Q才沒有高頻振蕩的分量，也就能相對(duì)容易地確定階躍響應(yīng)時(shí)間。

如圖6 所示，無(wú)功功率Q達(dá)到1.2 p.u.的時(shí)間約為10.6 ms，達(dá)到1.3 p.u.的時(shí)間約為11.06 ms，確實(shí)讓同步調(diào)相機(jī)呈現(xiàn)出較快的響應(yīng)特性。這和文獻(xiàn)［23］中“同步調(diào)相機(jī)在10～30 ms 內(nèi)可提供1.2～1.3 倍額定容量的無(wú)功功率”的結(jié)論是相符的。50 MVA 同步調(diào)相機(jī)的仿真分析結(jié)果能和300 MVA 同步調(diào)相機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)論相符，從一個(gè)側(cè)面反映出本文所采用的仿真模型及其仿真結(jié)果是能反映實(shí)際設(shè)備的響應(yīng)特性，具有一定的代表性。

2.2.3 等值電源電壓相角的躍變

圖7 給出了圖3 中等值電源相角θ的階躍響應(yīng)曲線。在18.0 s 時(shí)刻，VS相角瞬間躍變90 °，由于同步調(diào)相機(jī)具有機(jī)械慣性，再加上勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使得同步調(diào)相機(jī)輸出呈現(xiàn)幅值較大的振蕩，這些振蕩對(duì)電網(wǎng)電壓暫態(tài)控制顯然是不利的。a 相電壓有效值VHa、Va和勵(lì)磁電壓Ef都有比較明顯的大幅振蕩，VHa振蕩的最大峰峰值為0.235 p.u.，Va振蕩幅度比VHa的還要略大些，這是因?yàn)殡妷旱恼袷幨怯赏秸{(diào)相機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)整引起的；有功功率P也出現(xiàn)幅值較大的振蕩，振蕩的峰峰值最高達(dá)8.12 p.u.，相應(yīng)的振蕩持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.5 s；無(wú)功功率Q振蕩的最大幅值達(dá)3.0 p.u.，相應(yīng)的振蕩持續(xù)時(shí)間大約為20 ms；轉(zhuǎn)子角速度ω的振蕩頻率有兩個(gè)，頻率較低的和有功功率P的振蕩頻率相近，頻率較高的和勵(lì)磁電壓Ef、勵(lì)磁電流If中高頻振蕩的振蕩頻率相近。

圖7 電壓相角的階躍響應(yīng)曲線Fig.7 Step response waveforms of voltage phase angle

有功功率的振蕩體現(xiàn)出同步調(diào)相機(jī)具有正的整步功率系數(shù)特性，但這一特性也帶來電壓幅值的振蕩，對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定來說，這應(yīng)該是不利的。

3 STATCOM的仿真和分析

3.1 仿真條件的說明

圖8 給出了仿真分析時(shí)STATCOM 的等值系統(tǒng)。按閩粵聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程來設(shè)置相應(yīng)的等值阻抗、變壓器、STATCOM 主電路及其參數(shù)。

圖8 STATCOM 的等值系統(tǒng)Fig.8 Equivalent system of STATCOM

STATCOM 三相額定容量為± 120 Mvar，每相換流鏈由16 個(gè)H 橋功率模塊串聯(lián)而成，其中，1 個(gè)功率模塊是冗余的。換流鏈采用星形接法，中性點(diǎn)直接接地，并通過升壓變壓器接入500 kV 電網(wǎng)。功率模塊直流電壓的期望值為2.1 kV，功率模塊直流電容額定容值為10 mF。功率模塊的開關(guān)頻率為275 Hz，采用單極倍頻PWM 調(diào)制方式，通過載波移相使整個(gè)換流鏈等效的開關(guān)頻率為8.8 kHz。升壓變壓器采用Y0/Y0接法，變比為500 kV/ 35 kV，額定容量為180 MVA，基波正序漏抗為12.0 %。連接電抗L額定電感值為2.0 mH。按直流輸電額定容量的短路比為2.3 來設(shè)置電網(wǎng)的等值阻抗，即按照相對(duì)較弱的交流系統(tǒng)來設(shè)置。

STATCOM 確實(shí)可以采用類似電網(wǎng)構(gòu)造（grid forming）型［30］的控制策略，從而獲得不一樣的階躍響應(yīng)時(shí)間，但是，現(xiàn)有工程中應(yīng)用的STATCOM 幾乎都是采用電網(wǎng)跟隨（grid following）型的。鑒于此，本文也選用電網(wǎng)跟隨型策略。

當(dāng)電網(wǎng)電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，STATCOM 通常采用無(wú)功控制和電壓控制這兩種模式；當(dāng)超出約定范圍時(shí)，STATCOM 通常采用電流控制模式，即輸出允許的最大容性或感性電流［6］。STATCOM 采用分相控制策略，從而具有較強(qiáng)的電網(wǎng)不對(duì)稱運(yùn)行能力。分相瞬時(shí)電流控制由單相鎖相環(huán)、無(wú)功電流參考值、有功電流參考值、瞬時(shí)電流控制等4 個(gè)部分組成，并采用準(zhǔn)比例諧振（quasi-proportional resonant，QPR）控制實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)電流參考值的無(wú)靜差跟蹤，詳見文獻(xiàn)［6］。

3.2 仿真分析

如無(wú)特殊說明，僅給出a 相波形。vdcMax、vdcMin、vdcAve分別為STATCOM 的a 相16 個(gè)級(jí)聯(lián)H 橋功率模塊直流電壓中的最大值、最小值和平均值。

3.2.1 無(wú)功電流參考值的階躍

圖9 給出了STATCOM 無(wú)功電流參考值Iqref在1.0 s 時(shí)刻從0 p.u.階躍到1.0 p.u.容性的仿真波形。仿真結(jié)果顯示階躍響應(yīng)時(shí)間約為19.2 ms，比理想值18 ms 僅慢了1.2 ms，這是因?yàn)椋篴）STATCOM 輸出電流跟蹤參考電流大約需要1.0～2.0 ms 時(shí)間［3］，這可以從電流i波形曲線可以看出；b）由于電流的快速跟蹤需要換流器輸出電壓的劇烈變化，從而導(dǎo)致電壓v波形產(chǎn)生畸變，使無(wú)功功率值變小，即階躍響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。毫無(wú)疑問，與圖4仿真結(jié)果相比較，STATCOM 參考值階躍響應(yīng)時(shí)間要小許多。

圖9 無(wú)功電流參考值的階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Step response waveforms of reactive current reference

此外，vdcMax、vdcMin和vdcAve波形都沒有出現(xiàn)振蕩發(fā)散和越過限值等現(xiàn)象，說明H 橋直流電壓的均壓和穩(wěn)壓控制都能正常工作。

3.2.2 等值電源電壓幅值躍變

圖10給出圖8中等值電源幅值Vs的階躍響應(yīng)曲線。在1.0 s 時(shí)刻，幅值Vs由1.0 p.u.瞬間跌到0.5 p.u.，相應(yīng)地，VH由1.0 p.u.跌到0.534 p.u.。與圖5 的同步調(diào)相機(jī)結(jié)果相比，下跌得更多，這是由于STATCOM 過載能力相對(duì)較弱，所提供的無(wú)功功率較小造成的。電壓幅值的階躍響應(yīng)時(shí)間約為22.6 ms，比同步調(diào)相機(jī)圖5 的3.540 s（穩(wěn)態(tài)值的對(duì)應(yīng)值）要小許多，但比同步調(diào)相機(jī)圖6 的14 ms（瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)值）略大些。除在3.2.1 中提到的輸出電流跟蹤參考電流需要1.0 ms～2.0 ms 時(shí)間之外，參考電流Iqref本身也有相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間，即圖10 中所示的4.7 ms。這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，通常采用電網(wǎng)電壓有效值進(jìn)行判斷［6］，盡管VH能瞬時(shí)突降，有效值VH變化則要慢不少。

圖10 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.10 Step response waveforms of voltage amplitude

在此需要補(bǔ)充的是，與同步調(diào)相機(jī)圖6 結(jié)果相比，可以認(rèn)為圖10 輸出電流ia是沒有直流分量的，這對(duì)升壓變壓器是有利的。

文獻(xiàn)［31］采用電流來表征STATCOM 響應(yīng)時(shí)間，大小為15.8 ms，換算成用無(wú)功功率來表征響應(yīng)時(shí)間，大小約為31.7 ms。比本文前面的22.6 ms還要大些的原因有兩個(gè)，一是文獻(xiàn)［31］中STATCOM 對(duì)電流指令的上升率做了限制，二是控制器的延時(shí)略大。文獻(xiàn)［31］代表了2012 年STATCOM 的技術(shù)水平。當(dāng)前，數(shù)字信號(hào)處理器的處理能力和處理速度比2012 年都有大幅提升，控制器延時(shí)能大幅減小。正如本仿真算例所示，控制策略改進(jìn)讓STATCOM 不再需要對(duì)電流指令上升率等進(jìn)行限制?？傊?，按照現(xiàn)有技術(shù)水平，STATCOM 應(yīng)能達(dá)到本仿真算例的響應(yīng)時(shí)間。

如采用電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值進(jìn)行判斷，且約定相應(yīng)的判斷延時(shí)為0.5 ms 時(shí)，圖11 給出對(duì)應(yīng)的等值電源電壓幅值階躍響應(yīng)曲線。無(wú)功電流參考值Iqref上升時(shí)間顯著減少，從而使電壓幅值的階躍響應(yīng)時(shí)間由之前的22.6 ms 減小到20.2 ms，不過，仍然比同步調(diào)相機(jī)圖6 的14 ms（瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)值）要略大些。同樣，電流的快速變化也帶來電壓vHa和va波形畸變的問題。

圖11 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.11 Step response waveforms of voltage amplitude

3.2.3 等值電源電壓相角躍變

圖12 給出圖8 中等值電源vs相角θ的階躍響應(yīng)曲線。在1.0 s 時(shí)刻，VS相角θ瞬間躍變90 °，a相電壓vHa和va波形有明顯突變，a相電壓有效值VHa也有明顯波動(dòng)，相應(yīng)波動(dòng)的峰峰值達(dá)0.161 p.u.，但比圖7同步調(diào)相機(jī)VHa的0.235 p.u.還是要小些。與圖7 結(jié)果相比較，STATCOM 有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)完全可以忽略不計(jì)。圖12中ω是STATCOM鎖相環(huán)估計(jì)出的角速度，最大值達(dá)1.243 p.u.，比圖7 同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的最大值1.045 p.u.要大不少?？梢?，盡管STATCOM 鎖相環(huán)估計(jì)的頻率也是劇烈變化的，但由于STATCOM 無(wú)功電流參考值Iqref沒有隨之劇烈變化，輸出的有功功率和無(wú)功功率也就沒有劇烈變化。從無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)慕嵌?，這是有利電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的。

圖12 電壓相角的階躍響應(yīng)曲線Fig.12 Step response waveforms of voltage phase angle

4 同步調(diào)相機(jī)和STATCOM的比較和分析

表1 總結(jié)同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 的比較結(jié)果。

表1 同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 的比較Tab.1 Comparison between the synchronous condenser and the STATCOM

對(duì)于參考值階躍，同步調(diào)相機(jī)端電壓參考值Vref階躍響應(yīng)時(shí)間至少為數(shù)百毫秒。STATCOM 無(wú)功電流參考值階躍響應(yīng)時(shí)間僅為19.2 ms，明顯優(yōu)于同步調(diào)相機(jī)。

對(duì)于電網(wǎng)電壓幅值由1.0 p.u.瞬時(shí)跌到0.5 p.u.這一工況，按穩(wěn)態(tài)值計(jì)算時(shí)，受勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的不利影響，同步調(diào)相機(jī)階躍時(shí)間要大許多，基本上都在1.0 s 以上，引入瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間這一新概念后，同步調(diào)相機(jī)瞬態(tài)階躍響應(yīng)時(shí)間約為14 ms，確實(shí)比較小。采用有效值進(jìn)行電網(wǎng)電壓躍變判斷時(shí)，STATCOM 響應(yīng)時(shí)間大致為22.6 ms，改為電壓瞬時(shí)值進(jìn)行判斷時(shí)，響應(yīng)時(shí)間大致能做到20 ms 左右，仍比同步調(diào)相機(jī)瞬態(tài)階躍時(shí)間要大6.0 ms 左右。如再充分利用裝置的過載能力，讓STATCOM 輸出電流在電壓瞬時(shí)跌落后的半個(gè)工頻周波內(nèi)略大些，計(jì)算得到的響應(yīng)時(shí)間還能再小些。

對(duì)于電網(wǎng)電壓相角階躍，同步調(diào)相機(jī)出現(xiàn)幅度較大的振蕩，對(duì)電網(wǎng)電壓暫態(tài)控制應(yīng)該是不利的，與之相反，STATCOM 有功功率、無(wú)功功率等幾乎沒有變化，有利于電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文約定階躍響應(yīng)時(shí)間的定義及其計(jì)算方法，統(tǒng)一了比較基準(zhǔn)并消除了高頻振蕩等不利影響。通過簡(jiǎn)化的、便于驗(yàn)證的等值系統(tǒng)降低實(shí)際應(yīng)用中諸多因素交叉影響的錯(cuò)綜復(fù)雜性，并從參考值階躍、等值電源的幅值階躍和相角階躍這3 個(gè)維度較為詳細(xì)地比較了同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 裝置自身的階躍響應(yīng)特性。結(jié)果表明：同步調(diào)相機(jī)僅在電網(wǎng)電壓幅值階躍時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間才略優(yōu)于STATCOM。