STATCOM与新型调相机在交直流受端系统中的暂态特性对比研究

王若愚，蔡京陶，叶键民，刘军伟

(1. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001；2.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510670)

随着大规模新能源和大容量直流接入及电网负荷规模和密度提升，我国电网对快速灵活动态无功补偿的需求越来越大。若送端弱电网短路容量低，交流系统故障或近区大容量直流等状态变化都可能造成电压大幅波动，对近区电网新能源机组和直流的稳定运行造成不利影响；若受端电网负荷密度高，面临的电压稳定风险大，叠加多回直流接入时交流系统故障可能引起多回直流换相失败，加剧电网电压稳定风险[1-3]。

针对多直流集中馈入电网的主网动态无功功率相对不足的问题，除了采取维持电网结构坚强、加强电源支撑、优化机组和直流控制等措施，还可以直接加装多种形式的动态无功补偿设备，比如静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、调相机等。在经济发达地区的受端负荷中心，通常用地比较紧张，SVC因占地面积过大、响应速度相对较慢、低电压时无功输出能力有限等，现在一般不会考虑。随着电力电子技术的不断成熟，大容量采用链式技术的STATCOM获得广泛应用[4]；同步调相机是经典的动态无功补偿设备，过去因为旋转设备、噪声大、运行维护较复杂等原因受到诟病，近年来，随着电机设备设计制造水平的提高和直流特高压工程的推进，新型调相机因容量大、动态响应能力强等优点进入人们的视线[5]，也获得较多应用。已有较多文献从多个角度对STATCOM和调相机的特性进行对比研究，文献[6]从运行原理、响应特性及应用实例仿真等多个角度比较新一代大容量调相机、SVC与STATCOM动态无功补偿装置之间的差异；文献[7]比较了新型大容量调相机、SVC与STATCOM的主要性能特点；文献[8]比较了在直流换相失败及闭锁故障时，调相机、SVC与STATCOM这3种动态无功补偿装置对直流送端暂态过电压的抑制能力。

然而，上述文献对于系统故障时二者的动态无功补偿过程，尤其是数十毫秒内的快速暂态无功响应过程未进行深度对比分析，且目前国内缺乏对系统产生相同电压支撑效果下二者装机容量方面的相关对比分析，以及实际工程应用中设备的选择及应用参考。对此，本文首先对比分析新型调相机与STATCOM的动态无功输出特性、关键影响参数及无功输出优化方法；根据分电压跌落深度、跌落速度等不同场景下，从自身发出的无功电流出发，详细比较二者的暂态电压支撑等效果替代方法；最后，针对交直流受端电网待解决的主要矛盾，对二者的选用提出相应的工程应用建议。

1 调相机和STATCOM的无功输出暂态特性关键因素

新型调相机和STATCOM都可以提供快速灵活的动态无功补偿，对于我国送受端电网均可以发挥较好的动态无功支撑作用，已经有大量的应用案例[9-10]。但是对于送、受两端电网来说，动态无功补偿的需求和侧重点可能有较大区别。送端弱电网需要抑制电压波动，提升短路容量；而受端电网，尤其是负荷密集的交直流受端系统，需要降低系统电压失稳风险，减少负荷端低压减载量，提升对多回大容量直流的支撑能力，这对于动态无功补偿设备的暂态性能来说，需要其快速响应能力，特别是数十毫秒内的无功支撑能力；同时要求不因为提供短路电流过大造成额外运行风险，以及对于系统低电压良好的适应能力。

1.1 调相机无功输出机理和暂态特性关键因素

当系统电压突变时，调相机的无功响应主要分为2个部分：一是在系统电压变化的瞬间由调相机固有物理特性自然引发的无功响应，并随时间衰减；二是由调相机励磁控制系统改变励磁电压引起的无功响应，需要一定的响应时间。

1.1.1 次暂态特性

调相机具备次暂态特性，在系统电压变化瞬间，调相机进入固有物理特性产生的无功响应，在故障瞬间内电势保持不变，瞬时发出/吸收大量无功功率，该过程一般在20 ms内完成。

系统故障时，调相机的瞬时无功增量ΔQd≈-ΔU/(X″d+Xk)，调相机向系统提供的瞬时无功功率[11]

(1)

式中：下标d表示d轴分量，k表示短路电流中的交流分量；X″d为调相机d轴次暂态电抗；Xk为调相机升压变短路电抗；ΔU为高压侧母线变化量；U为故障后电压；Id0为调相机励磁电流无功分量初始值。

1.1.2 暂态特性

次暂态过程结束后，调相机在具备一定响应延时的励磁控制系统作用下进入暂态响应过程，通过改变励磁电压继续对系统进行无功支撑。该过程可持续到系统将故障切除电压恢复，一般在200 ms内完成。

忽略调相机饱和及换相压降，暂态过程中调相机定子电流增量

(2)

其中

式中：KM为最大励磁输出电压相对于励磁基准电压的倍数；ΔE′q0为q轴暂态电动势初始值增量；X′d和Xd分别为调相机d轴暂态和稳态电抗；T′d0为d轴暂态短路时间常数;t为时间。

1.1.3 稳态特性

调相机具备稳态特性，根据最新试验结果，300 Mvar调相机具备300 Mvar迟相和170～200 Mvar的稳定运行能力[12]。

1.2 STATCOM无功输出机理和暂态特性关键因素

STATCOM通过实时监测电网电压的变化方向，迅速发出无功功率表及时控制系统电压，该过程中STATCOM的外特性为幅值和相位可控的交流电压源[6,13]。目前大多数大容量STATCOM采用链式结构[14]，使用连接变压器与系统并联，通过比较电网电压与STATCOM输出电压的幅值，决定STATCOM输出电流的相位超前还是滞后，从而决定STATCOM发出还是吸收无功功率[15]。STATCOM一般采用外环电压、内环电流的双闭环控制策略，通过直接控制电流以维持交流电压和直流电容电压的稳定。

对于内环电流控制，以控制时间间隔TS为步长对STATCOM的数学模型进行拉普拉斯变换，离散化后得到瞬时电流控制算法如式(3)所示。该方法可在1个开关周期内完成STATCOM输出电流变化反馈控制，在系统电压突变时快速输出电流[16]。

(3)

式中：Ui为逆变器输出电压；Us为STATCOM接入点的系统电压；L和R为逆变器单相连接电抗和等效电阻；I为接入点的系统电流；tcur为当前时刻。

对于外环电压控制：暂态情况下，STATCOM进入暂态电压控制模式，电压反馈控制器采用高增益比例积分(PI)调节，可快速实现无功功率满发，应对暂态故障时的动态无功支撑需求[17]。此外，STATCOM电压调整器通过增加非线性增益功能，引入增强型增益，在系统电压发生大波动时提供快速无功响应，并避免系统产生长时间小幅振荡。暂态电压控制模式如图1所示，图中Uref为参考电压，Um为测量电压，Ks为放大系数，Umin为最小电压限值，Umax为最大电压限值。

图1 暂态电压控制模式Fig.1 Transient voltage control mode

1.3 无功输出特性优化方法

1.3.1 调相机无功输出特性优化方法

文献[17]通过求解调相机某个参数X对有效无功电流增益KI的偏导∂KI/∂X来确定各参数的优化方向。∂KI/∂X的时域分析结果总结如下：

a)Xk：整个动态响应过程中，Xk为绝对主导参数，增大Xk，有利于提高调相机的瞬时无功支撑能力；

b)X″d：t<100 ms以内的次暂态、暂态过程中，增大Xk可提高调相机的次暂态、暂态过程无功支撑能力；t>10 s以上的稳态过程中，X″d对稳态无功输出基本无影响；

c)X′d、Xd、T′d0和T″d0：t<20 ms的次暂态过程和t>100 s的稳态过程中，这些参数对调相机的次暂态瞬时无功和稳态无功几乎没有影响；100 ms

新型调相机优化后的典型参数见表1，取值均为标幺值。

1.3.2 STATCOM无功输出特性优化方法

暂态过程中，STATCOM的无功输出响应时间主要取决于装置的开环响应时间常数T和控制系统延时，响应速度快则输出电流精准。链式STATCOM的特征方程如下[18]：

表1 新型调相机模型主要参数Tab.1 Main parameters of new phase modifier model

(4)

式中：C为逆变器直流侧等效电容；N为每相串联的逆变桥个数；M为调制比;s为拉普拉斯算子。

开环响应时间常数T随R、L、C的变化情况：R与T近似成反比；L与T为超线性关系，随L的增加，T增长很快；C对T的影响较小。一般情况下，可通过合理配置STATCOM的主电路元件参数将开环无功响应时间减少到10 ms以内。对于控制系统延时，目前STATCOM广泛采用的控制策略为双闭环反馈控制，其电流内环响应速度快，一般20 ms内即可将电流控制到目标值附近[6]。

2 新型调相机与STATCOM无功输出暂态特性对比

在交流系统短路故障引发系统电压一定程度跌落，触发调相机和STATCOM进入暂态模式的情况下，新型调相机和STATCOM均会根据电压跌落深度、跌落速度发出不同的无功功率，对系统电压不同阶段进行不同程度的支撑。在比较新型调相机和STATCOM的暂态电压支撑等效效果替代方面，发出无功功率与系统电压密切相关，因此，主要比较的是自身发出的无功电流。

新型调相机和STATCOM在不同系统故障情形下的无功特性都有较大区别，下文分场景进行比较。

2.1 机端电压跌落较浅且能够快速恢复

新型调相机和STATCOM均有这种场景下的现场试验和实际响应案例。以现场典型实测波形为例，比对额定容量为300 Mvar的调相机和STATCOM在系统故障大扰动后的动态无功补偿特性。参考文献[19]，韶山站调相机机端电压和无功实测波形如图2所示，韶云II线发生单相短路，故障后机端电压下降为0.76(标幺值，以下同)，调相机无功出力18 ms内由1.6 Mvar升至335.3 Mvar，折算为无功电流1.47(标幺值，以下同)。

图2 调相机无功输出曲线实测波形Fig.2 Measured waveforms of reactive power output curves of phase modifier

以2012年4月12日广东500 kV花博乙线AB相间故障跳闸东莞站STATCOM响应结果录波图为例，接入系统点电压和无功实测波形如图3所示，故障后系统电压下降为0.87，输出无功电流20 ms内由0.09升至1.3，25 ms内升至1.5。

图3 STATCOM无功输出曲线实测波形Fig.3 Measured waveforms of reactive power output curves of STATCOM

由已有实际工程案例可知，在机端电压跌落较浅或故障点电气距离较远时(如机端电压最低在0.7～0.9之间)，若交流故障很快消失且系统电压能够很快恢复，调相机输出无功功率主要由自身的次暂态无功发出，10～20 ms内输出的无功电流在1.2～1.5，而有短时过负荷能力的STATCOM在20 ms输出的无功电流可以达到1.5。在这种情况下，若采用实际案例的参数和装置，同等容量的新型调相机和STATCOM在支撑系统短时电压方面的作用基本是等效的，均可有效降低系统电压波动，提升电能质量。

2.2 机端电压跌落较深且能够快速恢复

在机端电压跌落较重或故障点电气距离较近时(如机端电压最低在0.6以下)，若交流故障很快消失且系统电压能够很快恢复，新型调相机输出无功还是依靠次暂态激发较大的无功电流，视系统电压跌落深度的不同，10～20 ms内输出的无功电流最大能够达到3.5[6]，向交流系统注入较大的无功电流，300 Mvar调相机对所接入500 kV母线的短路电流贡献约为1～1.2 kA[20]，折算成标幺值为2.89～3.46。

有短时过负荷能力的STATCOM最大输出无功电流为1.5，且考虑到自身设备保护和避免注入较大短路电流，在电压过低时STATCOM可以先不发出无功电流[13,21]，这样300 Mvar STATCOM对所接入500 kV母线的短路电流约为0～0.5 kA，折算成标幺值为0～1.44。

在直流馈入的受端电网，新型调相机可以提供次暂态无功电流，注入较大的短路电流，提升系统短路容量，能够有效降低短路故障期间系统电压跌落深度，在一定程度上降低了直流换相失败的概率[6,15]，这是其优于STATCOM的地方。但是对于短路电流接近超标的受端电网，调相机减少常规直流换相失败概率的应用会受限，而在这种情况下，STATCOM在故障切除后发出无功支撑，帮助直流功率恢复方面会发挥更大的作用，这也是浙江电网采用STATCOM的主要原因[10]。

2.3 机端电压跌落较深且恢复缓慢

若100 ms内系统电压恢复到0.9以上，这种情况下调相机来不及进入暂态模式强励发无功的阶段；若交流短路故障切除或消失后，交流系统面临较突出的电压恢复难题，系统电压不能很快恢复，新型调相机经过100～200 ms的延时，将进入强励状态，发出较大的无功电流。这种情形到现在还没有实际案例，需利用电网数据进行仿真模拟以进行对比分析。本文基于南方电网某方式数据下广州木棉片区电压稳定情况，对花丛双回线“N-2”故障后引起的木棉片区电压跌落情况进行仿真，木棉片区某典型方式下的潮流网架结构如图4所示，比较STATCOM和新型调相机分别接入系统时，木棉站220 kV母线电压、2种设备的输出无功电流及输出无功功率仿真结果如图5、图6、图7所示。在500 kV木棉站分别加装新型调相机和STATCOM，其中，STATCOM采用木棉站已有的模型参数，调相机模型参数参考酒泉—湖南特高压直流受端新型调相机参数，见表1。

图4 木棉片区网架结构Fig.4 Grid structure in Mumian area

图5 木棉站220 kV母线电压Fig.5 220 kV bus voltage of Mumian station

图6 调相机和STATCOM输出的无功电流Fig.6 Output reactive current waveforms of phase modifier and STATCOM

图7 调相机和STATCOM输出无功功率Fig.7 Output reactive power curves of phase modifier and STATCOM

仿真结果显示：当调相机容量提高到240 Mvar或STATCOM容量提高到340 Mvar时，500 kV木棉站220 kV母线电压均能在1 s内恢复至0.75以上，基本满足南方电网通用的电压稳定考核标准。

由图5可知，交流故障后，220 kV母线电压最低跌至0.4以下，新型调相机和STATCOM均快速响应发出无功电流。由图6、图7可知：调相机在次暂态情形下，发出大量无功电流，能够达到3.5，随后100 ms时间内次暂态无功电流快速衰减，对系统电压支撑非常有限；随后新型调相机进入暂态模式，约能持续发出2.5的无功电流，这是支撑系统电压恢复的主要手段。STATCOM在20 ms内快速响应，持续发出1.5的无功电流，有效支撑了系统电压恢复。

对比系统电压恢复曲线可知，系统电压恢复后会有超调：调相机由于暂态响应速度相对较慢，超调时间为2.03 s；而STATCOM能够快速紧密跟踪系统电压，在系统电压超调时会发出感性无功，系统电压超调时间较短，为1.15 s。

在机端电压跌落较深且恢复缓慢的情形下，若只考虑电压恢复，调相机和STATCOM发挥同等无功支撑作用的容量需求为1∶1.4～1∶1.6。调相机在这种情况下，主要优点是容性无功持续输出能力强，缺点是：对于短路容量较大的电网，提供的较大的次暂态电流增大系统短路电流超标风险；对于短路容量较小的电网，由于其暂态电压响应速度相对较慢，系统更容易出现较长时间的过电压风险。

3 结论及工程应用建议

本文通过对比分析新型调相机和STATCOM的暂态无功输出机理，总结无功特性输出优化方法，并通过不同故障响应下的案例和算例，深度对比分析二者暂态特性，得出如下结论：对于直流馈入的受端电网，加装新型调相机和STATCOM等动态无功补偿装置的主要目的是解决各种大扰动下的系统电压稳定问题，提升电网的稳定运行裕度，但需避免因此可能引起的诸如系统短路电流超标等风险。根据前文分析和比较结论，在直流馈入受端电网工程应用中，需针对交直流受端电网的主要矛盾，选择新型调相机和STATCOM，提出以下工程应用建议：

a)若系统短路电流裕度较大，动态无功补偿装置的主要目的是提升短路容量，减少直流换相失败概率，倾向于选用新型调相机。

b)若系统短路容量低，可以选用新型调相机增加系统短路容量，但要注意系统过压风险；也可以选用STATCOM，发挥其快速精准跟踪电压的能力，但要对STATCOM的低穿和高穿能力提出要求。

c)若系统短路电流水平较高，已接近断路器遮断容量，则只能选用STATCOM，利用其灵活的电流控制能力规避短路电流增加风险。

d)若工程需要重点发挥动态无功补偿装置的较长时间(数百毫秒)支撑系统电压恢复目标，根据现有工程指标，新型调相机和STATCOM发挥同等无功支撑作用的容量需求约为1∶1.4～1∶1.6，具体工程中需要结合经济环境等因素综合比较选择。