大容量静止同步补偿器应用效果分析

赖绍奇

（广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

0 引 言

随着社会发展，电网负荷不断增长，电网结构趋于复杂和庞大，对电网的稳定性和供电可靠性提出了更高要求。动态无功补偿装置不仅能减小电压波动，提高电网稳态情况下的稳定性，而且系统发生故障时能迅速提供电压支撑，加速故障恢复过程，提高电网暂态的稳定性[1-3]。

STATCOM（Static Synchronous Compensator） 称为静止同步补偿器，是目前最先进的动态无功补偿装置，响应时间极快（1～5 ms），能在20 ms内输出无功，且无功输出连续，产生的谐波极少。STATCOM装置挂接于主网母线，当主网系统发生较大扰动或接地故障时，STATCOM装置能快速进入暂态，发出无功稳定系统的电压[4-6]。了解STATCOM装置的暂态过程并深入分析，有助于提高运行人员的专业运维技术技能。因此，本文以一起STATCOM装置的暂态过程为例，深入分析暂态过程中无功输出情况和电网电压支撑效果，并提出相应的改进建议。

1 STATCOM的运行方式及控制模式介绍

某500 kV变电站（以下称“该站”）STATCOM装置电压等级为35 V，稳态容量为2×（±100 MVar），暂态容量为2×（±150 MVar），由一台500 kV/35 kV专用变压器通过HGIS接至500 kV母线。STATCOM装置共分为两组，分别通过35 kV 381和35 kV 382开关并联于8号主变低压侧。两组STATCOM装置采用三角形接法，每一相由2个连接电抗器和27级功率模块串联的阀组集装箱组成。STATCOM一次电气接线图如图1所示。

图1 500 kV变电站STATCOM一次电气接线图

正式运行时，该站STATCOM采用稳态调压和暂态电压控制两种模式。稳态调压模式选择500 kV、1 M母线电压为控制电压，目标电压值设为304.8 kV（相电压有效值），限幅为2×（±20 MVar）。

当电网电压满足如下任意条件时，将自动切换至暂态电压控制模式。

（2）电压幅值越限：u＞323.9 kV或u＜282.3 kV。

其中u为500 kV，1 M母线任意相电压有效值。

当500 kV、1 M母线三相电压的有效值为288.1 kV＜u＜318.1 kV并持续1 s时，将退出暂态电压控制模式，恢复至稳态调压模式。

2 STATCOM暂态启动过程

某次电网故障前，该站500 kV、1 M的A相电压有效值为305.2 kV（对应线电压528.7 kV）,高于目标值0.5 kV。由于STATCOM无功控制允许10%的偏差，实际无功输出为26.93 MVar。

2018年6月22日00时51分12秒739.2毫秒，系统发生故障。故障时，500 kV、1 M线电压为392.1 kV。

2018年6月22日00时51分12秒748.2毫秒，STATCOM装置发出响应进入暂态，开始向系统输出大量无功。本次暂态启动的条件为电压幅值越限，即500 kV、I母任意相电压有效值u小于282.3 kV（实际为226.4 kV）。

2018年6月22日00时51分12秒790.4毫秒，STATCOM装置发出90%最大暂态无功。

2018年6月22日00时51分12秒829.2毫秒，消除系统故障，STATCOM装置退出暂态，进入稳态。电网故障后，根据监控后台报文，由电压幅值越限条件启动STATCOM进入暂态。录波如图2所示。

图2 500 kV变电站STATCOM暂态启动录波图

由图2可知，电网故障后，该站500 kV、1 M的A相电压跌落较大（约26%），90 ms后故障被切除。故障后，STATCOM应满足电压幅值越限，即500 kV、I母任意相电压有效值u小于282.3 kV，无功限幅开放为300 MVar，同时控制器快速响应，响应时间为9 ms，调节阀组单元IEGT的触发脉冲。电网故障后51.2 ms，达到最大无功输出276.5 MVar。根据设计要求，STATCOM暂态响应时间不应超过20 ms，本次响应时间仅9 ms，满足要求。

3 STATCOM数据统计

该站STATCOM自投运以来，总计暂态启动次数91次。因此，对这91次暂态启动数据进行统计分析，STATCOM响应时间分布结果如图3所示。

可见，91次暂态启动的响应时间分布较为集中，基本在20 ms以内，平均值为11.49 ms，满足最初设计STATCOM暂态响应时间不应超过20 ms的要求，同时说明STATCOM装置能够快速跟随负荷无功电流的变化而响应。

STATCOM装置从响应至发出最大无功输出耗时分布如图4所示。91次暂态启动从响应至发出最大无功输出耗时分布比较集中，基本为0～30 ms，平均值为16.01 ms。结合STATCOM暂态响应时间，系统故障后，系统电压快速下降，STATCOM以大约11 ms的时间响应，并在故障后27 ms左右发出最大无功输出，为系统注入了一剂强心针，有效维持了系统电压的稳定。

图3 STATCOM响应时间分布

STATCOM历次最大输出功率如图5所示。STATCOM无功实际最大输出基本在200～300 MVar，平均值为254.1 MVar。与稳态容量为2×（±100 MVar），暂态容量为2×（±150 MVar）较为一致，证实了STATCOM装置输出的稳定性和有效性。

图4 STATCOM最大输出耗时分布

STATCOM装置从2013—2018年的启动方式变化，如图6所示。由图6可知，启动方式正以可见的速度发生转变，从最初的以电压突变量越限启动为主体，转变为目前的以电压幅值越限启动为主体。深入分析可见，随着电网的建设，电网主网架不断丰富，电力系统逐渐稳定、可靠，系统电压突变速度逐渐减缓，系统对抗故障的能力越来越强。

图5 STATCOM历次最大输出功率图

图6 2013年-2018年启动方式变化图

4 暂态过程无功输出情况及电网电压支撑效果分析

4.1 暂态过程无功输出情况分析

通过以上数据统计分析可知，91次暂态启动实际最大无功输出在200～300 MVar，平均值为254.1 MVar，依然未达到装置设定的最大无功输出300 MVar。通过深入分析，得出以下几点原因。

（1）暂态电压控制模式为保证装置的安全运行，设定了1.5倍短时过负荷运行5 s的限幅和限时。经咨询厂家，其中1.5倍过负荷既限制了总的无功输出，也限制了无功电流。由录波可知，暂态期间35 kV电压和STATCOM无功电流均存在畸变，且电网故障期间一般会拉低该站35 kV电压。因此，实际无功输出不可能真正达到300 MVar。

（2）2013年7月15日，该站STATCOM第3次暂态启动过程中，实际无功输出达到约280 MVar。由于当时电网电压较低，STATCOM闭环控制系统相关参数设置不合理，导致无功电流输出超调，达到了1.7倍的速断过流保护定值，引起暂态启动过程中出现闭锁现象，而北郊STATCOM也出现过流保护闭锁现象。经南网科研院和厂家两个月的技术研讨和试验论证，优化相关控制参数，于2013年9月完成控制保护程序升级。改造后，后续88次的暂态启动录波中，该站STATCOM实际无功电流均小于1.5倍额定值，且实际不超过2.15 kA（1.3倍额定值）。由于电流的限幅值在定值单和整定参数中并未体现，是厂家程序的内部参数，不排除厂家2013年9月升级时进行了内部设定。

（3）该站91次暂态启动记录中，最大无功输出在200～300 MVar，与电网故障类型及电网电压跌落程度等原因相关。非对称故障可导致三相电压不平衡，引起三相无功电流不平衡[7]。电网电压跌落程度决定了35 kV电压的高低，其在19～22 kV的情况均有。

与第（3）点相符的是，第72次暂态启动过程中，STATCOM装置最大无功输出仅为183 MVar，是唯一一次低于200 MVar最大无功输出的暂态启动。通过分析第72次暂态启动录波图可知，此次故障500 kV、I母B相电压降低幅度较大，出现故障时B相相电压有效值为191.58 kV，仅为额定电压的63.24%，是历次故障电压降幅中最大的一次。这说明STATCOM装置的无功输出与系统的电压跌落有关。系统电压越低，STATCOM装置的无功输出越低。

另外，第9次暂态启动过程中的故障持续时间较长，故障结束时间超出装置录波时间。但是，在这数秒的时间内，STATCOM装置提供了连续、稳定的无功输出，输出功率维持在200 MVar以上。通过这次暂态启动分析，证实了STATCOM装置确实能为系统提供持续、稳定的无功输出，满足了设计之初的要求和设想。

4.2 STATCOM发出无功对电网电压的支撑效果分析

STATCOM的快速性在第3节中已得到充分证明，相当于电网故障后一个周波内，继电保护动作前，瞬时投入了4组电容器组。STATCOM的无功输出稳定性和连续性也在第3节数据统计分析中得到证实，200～300 MVar实际无功输出是有保证的。要分析实际系统的电压支撑效果，需要实例分析。考虑到历次STATCOM暂态启动过程类似，响应时间变化不大，暂态数据结果相差不大，本文以第2节中的单次暂态启动为例。根据图2录波数据，电网故障前后该站1 M母线各相电压有效值如表1所示。

由于录波软件在利用录波数据（采样频率1 200 Hz）计算每个时刻点的有效值时，采用了取前后一小段时间数据进行积分计算的方法，因此会受前后一个周波数据的影响，从严格意义上讲并不准确。另外，加上故障期间，随着故障的发展和电网无功潮流的转移，电压也发生了变化，而细小的电压变化不能根据表1的数据精确计算，只能给予大致的分析。

表1 录波中500 kV变电站1 M母线各相电压有效值

由表1数据可知，故障后系统A相电压被迅速拉低，至STATCOM暂态启动响应时，约下降2 kV/ms。STATCOM暂态启动响应并开始发出大量无功的20 ms内，故障处于发展阶段，系统电压依然迅速拉低，下降速度约2.4 kV/ms。STATCOM暂态启动响应并开始发出大量无功的20～40 ms内，故障发展速度减缓，系统电压下降速度趋缓，下降速度约0.6 kV/ms。

由数据可知，STATCOM在故障后发出的276.5 MVar无功功率对整个大电网的电压支撑效果并不明显。

根据理论公式，不考虑电网故障存在的情况下，电网电压可以提升：

式中，Q表示增加的无功功率，S表示安装点的短路容量，UN表示额定电压[7]。

若以S=30 000 MVA计算，本次STATCOM暂态发出276.5 MVar无功功率，可将500 kV、1 M的相电压提升约2.65 kV。

录波中无法明显看出STATCOM发挥的作用，除了录波软件积分算法问题产生的影响外，录波本身的采样精度问题导致无法直观有效分析录波数据。同时，电网中的故障点会持续拉低电压，从而影响STATCOM装置对电网电压的支撑效果。但是，最主要原因是珠三角电网短路容量太大，电网中STATCOM装置太少，补偿的无功无法满足系统需求。

5 结 论

综上所述，STATCOM装置响应时间短，响应迅速，达到了设计要求。STATCOM装置的暂态无功输出虽未达到理论设计的最大值300 MVar，但在200～300 MVar，且输出稳定、连续。此外，STATCOM装置的实际电压支撑效果并不明显，原因包括录波软件的积分算法问题、录波本身的采样精度问题、电网中的故障点持续拉低电压以及珠三角电网短路容量太大等。因此，本文建议从主要因素着手，在广东电网500 kV主网架关键节点变电站添置高压大容量STATCOM装置，弥补STATCOM装置无功补偿严重不足的缺点，进而有效支撑系统电压。