STATCOM动态无功储备及其影响因素分析

辛拓，王延纬，孙吉波

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600)



STATCOM动态无功储备及其影响因素分析

辛拓，王延纬，孙吉波

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600)

摘要：结合广东电网±200 Mvar大容量STATCOM运行实例，从STATCOM动态无功储备的有效性、方向性、延续性三个角度出发，提出STATCOM动态无功储备的三维有效性概念，分析了大电网暂态扰动下制约STATCOM动态无功储备释放的因素。最后，结合实际工程应用经验以及EMTDC仿真验证，提出提升装置的动态无功储备能力的措施。

关键词：静止同步补偿器；动态无功储备；制约因素；广东电网

广东电网是一个典型的多直流集中馈入受端系统，2015年度夏期间馈入广东电网直流多达8回，最大输送能力为33 GW。由于直流输电系统的正常运行高度依赖换流站交流母线的电压水平，随着广东内、外环网架逐步完善，各直流落点间电气距离进一步缩短，交流故障导致多回直流同时换相失败，甚至闭锁的概率增大，成为电网运行的瓶颈[1-2]。因此，受端电网的动态无功需求水平和暂态电压支撑能力受到了理论界和工程界的广泛关注。

为提高广东电网的动态无功支撑能力，在500 kV东莞变电站、水乡变电站、北郊变电站、木棉变电站分别加装了±200 Mvar的链式静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)(其暂态过负荷能力为300 Mvar)。其中，水乡变电站STATCOM是我国目前容量最大、直挂电压等级最高、串联级数最多(27个阀单元)的STATCOM。

STATCOM是一种连续可调的动态无功补偿装置，相比其他无功补偿设备其响应速度更快(小于20 ms)，调节范围更宽(可发出容性和感性无功)，是目前世界上最先进的动态无功补偿设备[3]。具有快速响应特性的STATCOM通过检测电网电压瞬时变化情况，迅速调出无功，从而达到及时控制系统电压的目的，为受端电网提供快速动态无功支撑，改变了广东电网多回直流换相失败后的电压恢复特性[4]。目前动态无功储备的定义与评估仍有模糊和分歧，且多针对发电机等传统动态无功源，并未考虑STATCOM等新兴装置的暂态动作特性[5-6]。面对复杂多变的电网运行状态，如何评估STATCOM的动态无功储备，并确保其储备容量在暂态过程中按需释放，给予系统最大程度的动态无功支撑，让新技术在大电网运行中“水土相符”，是当前电网运行面临的新课题。

本文考虑了STATCOM动态无功补偿的有效性、方向性和延续性，提出了STATCOM动态无功储备的概念；从装置级、系统级两个层面分析了制约STATCOM动态无功储备释放的因素。最后，结合广东电网STATCOM运行经验，提出了优化STATCOM动态无功储备能力的措施。

1STATCOM系统级控制策略

1.1STATCOM稳态控制策略

广东电网STATCOM采用定电压控制模式，分为暂态电压控制模式和稳态电压控制模式两种。正常运行时为稳态电压控制模式，装置根据系统电压变化幅度自动进行比例调节。从预留动态无功储备的角度出发，增加了稳态整体输出无功限幅-40 Mvar(感性)至40 Mvar(容性)，即稳态电压控制模式下的可用容量为±40 Mvar。

1.2STATCOM暂态控制策略

暂态情况下，通过对三相电压有效值的大小和变化速度来识别故障远近，并根据故障的严重程度来实现相应的控制策略[3]。具体为：

a) 当母线电压变化率高于1.4 MV/s或任一相电压有效值低于0.9(标幺值，下同)或高于1.1时，暂态过程判断逻辑认为系统发生故障，进入暂态电压控制模式；STATCOM 装置启动，将输出容量的上下限变为容性300 Mvar 至感性300 Mvar(1.5倍过负荷)。

b) 当三相电压有效值低于0.5持续100 ms，暂态控制模式认为装置近端发生严重故障，为保护设备同时降低容性短路电流，装置闭锁定电压控制，同时启动零无功控制，输出无功保持为零，直到零无功控制取消。

c) 当三相电压高于0.5，装置取消零无功控制，重启暂态定电压控制，控制器根据电压参考值对母线电压进行控制，输出容量上下限恢复容性300 Mvar 至感性300 Mvar(1.5倍过负荷)。

2STATCOM有效动态无功储备

2.1STATCOM动态无功储备的概念

动态无功储备的目的是保证系统有足够无功储备以支撑故障过程中及故障切除后的系统电压，维持系统电压稳定。不同故障下，系统对应的无功储备释放能力不同[5]。

传统上，将STATCOM装置的最大无功出力与当前稳态无功出力的差值定义为STATCOM装置的动态无功储备[6]，即

(1)

式中：Q0和Qmax分别为STATCOM的稳态无功出力和最大无功出力；Qres为传统观念下的STATCOM无功储备。

实际运行中，受STATCOM装置能力、故障类型、短路点远近等因素制约，即使STATCOM装置拥有足量无功储备，也存在部分容量无法完全释放的现象。传统评价STATCOM无功储备的方法已不适用。图1为STATCOM动态无功储备的三维有效性概念示意图。受装置级、系统级因素的影响，电网遭受扰动时，需要格外关注STATCOM暂态响应的有效性、方向性和延续性。

图1　STATCOM动态无功储备的三维有效性

STATCOM动态无功储备有效性的概念为在各种故障形式下，STATCOM能发挥作用的无功储备。与之相对的是无效动态无功储备，即系统在遭受扰动时，STATCOM没有调用的无功储备。进一步，当STATCOM在暂态响应期间发出容性无功则为正向有效动态无功储备，反之为负向有效动态无功储备。延续性的概念是指在故障过程中及切除后，STATCOM装置均保持无功输出，而不是保护动作闭锁无功输出。

由此，可将式(1)修正为：

(2)

其中

式中：Qres,out为考虑三性(有效性、方向性、延续性)的STATCOM动态无功储备；±Qout为STATCOM暂态响应过程中实际调用无功，正负号分别代表容性和感性；α为延续因子；t为STATCOM装置暂态过程中运行时间；T为系统暂态过程时间，考虑系统扰动全过程为秒级，而STATCOM装置保护闭锁时间为毫秒级，故α取0(装置闭锁)或1(持续输出)。

2.2案例分析

以实际运行案例说明上述概念。

案例一，图2为某一远端直流闭锁故障下，STATCOM的同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)响应曲线。由图2可知，STATCOM控制的500 kV母线电压由事前531 kV跌至526 kV，未达到进入暂态判据，STATCOM无功出力由事前-38 Mvar阶跃至23 Mvar。

一般认为，暂态最大无功出力300 Mvar的STATCOM，事前无功出力为-38 Mvar，则其传统概念的动态无功储备应为Qres=300 Mvar-(-38 Mvar)=338 Mvar。而本例故障期间STATCOM的实际最大无功出力为23 Mvar，其考虑三性的动态无功储备应为

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

图2　远端故障时STATCOM响应PMU曲线

案例二，图3为某一近端交流500 kV线路发生单相接地不对称故障时STATCOM的PMU响应曲线。故障开始瞬间，500 kV母线电压迅速跌落至421 kV，STATCOM启动进入暂态电压控制模式，并于20 ms内调出300 Mvar容性无功。故障发生后56 ms，线路开关保护动作切除故障线路，系统电压恢复。5 ms后STATCOM环内阀组过流闭锁，即整个过程STATCOM约运行41 ms。

图3　近端故障时STATCOM的响应PMU曲线

针对案例二的STATCOM近端交流系统不对称故障，装置无功迅速调用到最大能力。但是在系统电压恢复时刻，装置与系统间的控制压差迅速拉大，导致阀组过流保护动作，装置闭锁，没有为后续系统电压恢复提供动态无功支撑。针对本次故障，STATCOM的动态无功储备Qres,out=0×[300 Mvar-(-20 Mvar)]=0 Mvar。

STATCOM能否在系统故障和恢复的过程中持续稳定运行并提供容性无功，是考核装置运行能力的重要技术指标。所以，STATCOM装置动作响应的延续性是不可忽略的因素。

显然，区分STATCOM无功储备的有效性、方向性、延续性，从三个维度分析其作用，将有助于STATCOM运行效果评估、控制策略制定以及后续动态无功规划，对受端电网中长期电压稳定、暂态电压稳定研究也具有一定参考意义。

3STATCOM动态无功储备影响因素

3.1系统级影响因素

实际运行中，受装置暂态控制策略、网架拓扑结构、开机方式、负荷水平、容抗器投入、故障类型等因素的影响，STATCOM的动态无功储备是动态变化的。一般地，系统故障后，电压下降、负荷无功骤增、充电功率及离散无功补偿无功骤降，故STATCOM动态无功储备方向多为容性。图4为STATCOM输出最大容量随控制母线电压变化曲线。

X轴表示STATCOM控制母线电压(标幺值)；Y轴表示STATCOM输出最大容量，Mvar。图4　STATCOM容量-电压释放特性

由图4可以看出：

a) 当系统发生近端故障时(电网电压小于0.5)，STATCOM由电压控制变为零无功控制；当电网电压大于0.5时(认为故障切除，电压开始恢复)，立即恢复电压控制，加速电网电压的恢复。

b) 当系统发生远端故障时(电网电压大于0.5小于0.9 )，STATCOM放开±300 Mvar暂态无功输出限幅，最大能力地释放动态无功储备。

c) 当系统电压恢复到0.9～1.1，并持续100 ms，STATCOM无功限幅逐渐减小至±40 Mvar稳态输出限幅，开始进行无功储备。

可见，故障点距离STATCOM电气距离远，且故障类型不接地，受控母线电压跌落幅度小、速率慢，STATCOM不易进入暂态模式。针对此类“远端不接地”故障集的STATCOM动态无功储备有限， ±300 Mvar的装置最大容量不易释放。相反地，若STATCOM近区发生故障，受控母线电压跌落幅度大、速率快，STATCOM易进入暂态模式，瞬间调出±300 Mvar最大无功储备。

由上述分析可知，系统遭受扰动下的受控母线电压跌落特性是决定STATCOM有效动态无功储备的关键因素。但是，大电网的故障形式多样，不同故障集对应的电压跌落特性也各有不同，故认为这部分影响因素为不可控部分。

3.2装置级影响因素

STATCOM装置在异常工况尤其是三相电压不平衡时的运行区域是决定STATCOM稳定运行的根本性因素。受控母线电压严重突降或电压三相不平衡都有可能导致STATCOM装置本体直流侧电容过压或环内阀组过流，进而装置闭锁，退出运行。STATCOM在稳、暂态模式切换过程中发生的过流和超调是在装置控制器参数设定过程中需要格外注意的问题[7]。制约STATCOM有效动态无功因素归纳结果如图5所示。

图5　STATCOM无功释放制约因素

4STATCOM控制器参数优化

4.1仿真模型简介

以某变电站STATCOM为例，进行仿真分析。500 kV系统短路容量为55 kA，500 kV系统经过漏抗标么值为0.01的变压器变至220 kV，220 kV母线短路容量约为40 kA。220 kV母线负荷为400 MW+50 Mvar。装置通过35 kV/231 kV升压变接入220 kV系统。STATCOM模型为恒压运行模式(额定容量100 Mvar，暂态能力150 Mvar)，初始电流环比例系数Kp=0.6，前馈环节采用锁相电压，速断过流保护定值为2 805 A(环外有效值)。

4.2算例分析

在电网暂态情况下，特别是电网故障恢复时刻，由于STATCOM输出无功电流较大，很容易造成STATCOM过流。选取单相接地故障形式(接地电阻0.5 Ω)，分别修改电流环比例系数Kp以及前馈环节进行STATCOM过流数值比较。计算结果分别如图6、7、8、9所示。

图中的U相均为故障电压和过流峰值。图6装置初始情况，STATCOM过流峰值

图7　装置Kp修正为0.9，STATCOM过流峰值

图8　装置前馈环节修正为实际电压，STATCOM过流峰值

图9　2种修正叠加，STATCOM过流峰值

各种工况下STATCOM过流峰值见表1。

表1不同控制器参数下STATCOM过流峰值A

控制器参数过流峰值控制器参数过流峰值初始过流2508前馈采用瞬时电压2227Kp=0.62339瞬时电压结合Kp=0.62111

由此可见，在暂态情况下，调增电流环的比例系数，让STATCOM电流跟踪指令电流更加迅速；直接将电网实际电压作为STATCOM控制的前馈电压，可以有效抑制STATCOM在过渡过程中出现的过流问题。

5结论

a) 由于电网发生电压崩溃的主要原因是缺乏容性动态无功、电压跌落，因此大多数场合STATCOM的动态无功储备方向应为容性。

b) 为留出尽可能多的动态无功储备，一般需要投入站内并联电容器组，该类设备在电压跌落时输出无功按平方关系递减。因此，在有条件的场合，稳态时应尽可能把变电站母线电压调到较高的水平。

c) 优化控制器参数，减小稳态模式切换到暂态模式时的过渡过程的过流和超调。

d) STATCOM应针对非对称工况设计合理的电流控制策略，防止由于电网电压不平衡引起装置过流及闭锁。

参考文献：

[1] 广东电网2015年度运行方式分析报告[R].广州：广东电网有限责任公司电力调度控制中心，2015.

[2] 张一荻.交直流受端电网动态无功需求特性与对策研究[D].广州： 华南理工大学，2012.

[3] 荣信RXSTATCOM 系列静态无功补偿(200 MVA/35 kV)装置说明书[R].鞍山：荣信电力电子股份有限公司，2013.

[4] 饶宏.南方电网大功率电力电子技术的研究和应用[J].南方电网技术，2013，7(1)：3-5.

RAO Hong. Research and Application of the High-power Electronic Technology in China Southern Power Grid[J].Southern Power System Technology, 2013,7(1):3-5.

[5] 吴浩.发电机有效无功储备的分析和计算[J].电力系统自动化，2011，35(15)：13-17.

WUHao.AnalysisandComputationofEffectiveReactivePowerReserveofGenerators[J].AutomationofElectricPowerSystems, 2011,35(15):13-17.

[6] 宫一玉. 发电机无功储备的定义和评估[J]. 电力系统自动化，2013，7(5)：1902-1908.

GONGYiyu.DefinitionandAssessmentofGeneratorReactivePowerReserve[J].AutomationofElectricPowerSystems, 2013,7(5): 1902-1908.

[7] 袁志昌.链式静止同步补偿器的控制与保护策略研究[D].北京：清华大学，2006.

[8] 钱峰. 典型FACTS装置在电网中接入点、容量及类型选择方法研究[D]. 北京：中国电力科学研究院，2009.

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

基金项目：国家科技计划支撑资助项目(2007BAA10B02)

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

中图分类号：TM732

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)06-0056-05

作者简介：

辛拓 (1985)，男，辽宁锦州人。工程师，工学硕士，主要从事电力系统分析与控制、电网运行策划分析、动态无功装置策略管理等工作。

王延纬(1987)，男，辽宁丹东人。工程师，工学硕士，主要从事电力系统分析、电网运行方式策划等工作。

孙吉波(1984)，男，四川广元人。工程师，工学硕士，主要从事电力系统分析、电网运行方式策划等工作。

(编辑查黎)