大容量靜止同步補償器應用效果分析

賴紹奇

（廣東電網公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引 言

隨著社會發展，電網負荷不斷增長，電網結構趨于復雜和龐大，對電網的穩定性和供電可靠性提出了更高要求。動態無功補償裝置不僅能減小電壓波動，提高電網穩態情況下的穩定性，而且系統發生故障時能迅速提供電壓支撐，加速故障恢復過程，提高電網暫態的穩定性[1-3]。

STATCOM（Static Synchronous Compensator） 稱為靜止同步補償器，是目前最先進的動態無功補償裝置，響應時間極快（1～5 ms），能在20 ms內輸出無功，且無功輸出連續，產生的諧波極少。STATCOM裝置掛接于主網母線，當主網系統發生較大擾動或接地故障時，STATCOM裝置能快速進入暫態，發出無功穩定系統的電壓[4-6]。了解STATCOM裝置的暫態過程并深入分析，有助于提高運行人員的專業運維技術技能。因此，本文以一起STATCOM裝置的暫態過程為例，深入分析暫態過程中無功輸出情況和電網電壓支撐效果，并提出相應的改進建議。

1 STATCOM的運行方式及控制模式介紹

某500 kV變電站（以下稱“該站”）STATCOM裝置電壓等級為35 V，穩態容量為2×（±100 MVar），暫態容量為2×（±150 MVar），由一臺500 kV/35 kV專用變壓器通過HGIS接至500 kV母線。STATCOM裝置共分為兩組，分別通過35 kV 381和35 kV 382開關并聯于8號主變低壓側。兩組STATCOM裝置采用三角形接法，每一相由2個連接電抗器和27級功率模塊串聯的閥組集裝箱組成。STATCOM一次電氣接線圖如圖1所示。

圖1 500 kV變電站STATCOM一次電氣接線圖

正式運行時，該站STATCOM采用穩態調壓和暫態電壓控制兩種模式。穩態調壓模式選擇500 kV、1 M母線電壓為控制電壓，目標電壓值設為304.8 kV（相電壓有效值），限幅為2×（±20 MVar）。

當電網電壓滿足如下任意條件時，將自動切換至暫態電壓控制模式。

（2）電壓幅值越限：u＞323.9 kV或u＜282.3 kV。

其中u為500 kV，1 M母線任意相電壓有效值。

當500 kV、1 M母線三相電壓的有效值為288.1 kV＜u＜318.1 kV并持續1 s時，將退出暫態電壓控制模式，恢復至穩態調壓模式。

2 STATCOM暫態啟動過程

某次電網故障前，該站500 kV、1 M的A相電壓有效值為305.2 kV（對應線電壓528.7 kV）,高于目標值0.5 kV。由于STATCOM無功控制允許10%的偏差，實際無功輸出為26.93 MVar。

2018年6月22日00時51分12秒739.2毫秒，系統發生故障。故障時，500 kV、1 M線電壓為392.1 kV。

2018年6月22日00時51分12秒748.2毫秒，STATCOM裝置發出響應進入暫態，開始向系統輸出大量無功。本次暫態啟動的條件為電壓幅值越限，即500 kV、I母任意相電壓有效值u小于282.3 kV（實際為226.4 kV）。

2018年6月22日00時51分12秒790.4毫秒，STATCOM裝置發出90%最大暫態無功。

2018年6月22日00時51分12秒829.2毫秒，消除系統故障，STATCOM裝置退出暫態，進入穩態。電網故障后，根據監控后臺報文，由電壓幅值越限條件啟動STATCOM進入暫態。錄波如圖2所示。

圖2 500 kV變電站STATCOM暫態啟動錄波圖

由圖2可知，電網故障后，該站500 kV、1 M的A相電壓跌落較大（約26%），90 ms后故障被切除。故障后，STATCOM應滿足電壓幅值越限，即500 kV、I母任意相電壓有效值u小于282.3 kV，無功限幅開放為300 MVar，同時控制器快速響應，響應時間為9 ms，調節閥組單元IEGT的觸發脈沖。電網故障后51.2 ms，達到最大無功輸出276.5 MVar。根據設計要求，STATCOM暫態響應時間不應超過20 ms，本次響應時間僅9 ms，滿足要求。

3 STATCOM數據統計

該站STATCOM自投運以來，總計暫態啟動次數91次。因此，對這91次暫態啟動數據進行統計分析，STATCOM響應時間分布結果如圖3所示。

可見，91次暫態啟動的響應時間分布較為集中，基本在20 ms以內，平均值為11.49 ms，滿足最初設計STATCOM暫態響應時間不應超過20 ms的要求，同時說明STATCOM裝置能夠快速跟隨負荷無功電流的變化而響應。

STATCOM裝置從響應至發出最大無功輸出耗時分布如圖4所示。91次暫態啟動從響應至發出最大無功輸出耗時分布比較集中，基本為0～30 ms，平均值為16.01 ms。結合STATCOM暫態響應時間，系統故障后，系統電壓快速下降，STATCOM以大約11 ms的時間響應，并在故障后27 ms左右發出最大無功輸出，為系統注入了一劑強心針，有效維持了系統電壓的穩定。

圖3 STATCOM響應時間分布

STATCOM歷次最大輸出功率如圖5所示。STATCOM無功實際最大輸出基本在200～300 MVar，平均值為254.1 MVar。與穩態容量為2×（±100 MVar），暫態容量為2×（±150 MVar）較為一致，證實了STATCOM裝置輸出的穩定性和有效性。

圖4 STATCOM最大輸出耗時分布

STATCOM裝置從2013—2018年的啟動方式變化，如圖6所示。由圖6可知，啟動方式正以可見的速度發生轉變，從最初的以電壓突變量越限啟動為主體，轉變為目前的以電壓幅值越限啟動為主體。深入分析可見，隨著電網的建設，電網主網架不斷豐富，電力系統逐漸穩定、可靠，系統電壓突變速度逐漸減緩，系統對抗故障的能力越來越強。

圖5 STATCOM歷次最大輸出功率圖

圖6 2013年-2018年啟動方式變化圖

4 暫態過程無功輸出情況及電網電壓支撐效果分析

4.1 暫態過程無功輸出情況分析

通過以上數據統計分析可知，91次暫態啟動實際最大無功輸出在200～300 MVar，平均值為254.1 MVar，依然未達到裝置設定的最大無功輸出300 MVar。通過深入分析，得出以下幾點原因。

（1）暫態電壓控制模式為保證裝置的安全運行，設定了1.5倍短時過負荷運行5 s的限幅和限時。經咨詢廠家，其中1.5倍過負荷既限制了總的無功輸出，也限制了無功電流。由錄波可知，暫態期間35 kV電壓和STATCOM無功電流均存在畸變，且電網故障期間一般會拉低該站35 kV電壓。因此，實際無功輸出不可能真正達到300 MVar。

（2）2013年7月15日，該站STATCOM第3次暫態啟動過程中，實際無功輸出達到約280 MVar。由于當時電網電壓較低，STATCOM閉環控制系統相關參數設置不合理，導致無功電流輸出超調，達到了1.7倍的速斷過流保護定值，引起暫態啟動過程中出現閉鎖現象，而北郊STATCOM也出現過流保護閉鎖現象。經南網科研院和廠家兩個月的技術研討和試驗論證，優化相關控制參數，于2013年9月完成控制保護程序升級。改造后，后續88次的暫態啟動錄波中，該站STATCOM實際無功電流均小于1.5倍額定值，且實際不超過2.15 kA（1.3倍額定值）。由于電流的限幅值在定值單和整定參數中并未體現，是廠家程序的內部參數，不排除廠家2013年9月升級時進行了內部設定。

（3）該站91次暫態啟動記錄中，最大無功輸出在200～300 MVar，與電網故障類型及電網電壓跌落程度等原因相關。非對稱故障可導致三相電壓不平衡，引起三相無功電流不平衡[7]。電網電壓跌落程度決定了35 kV電壓的高低，其在19～22 kV的情況均有。

與第（3）點相符的是，第72次暫態啟動過程中，STATCOM裝置最大無功輸出僅為183 MVar，是唯一一次低于200 MVar最大無功輸出的暫態啟動。通過分析第72次暫態啟動錄波圖可知，此次故障500 kV、I母B相電壓降低幅度較大，出現故障時B相相電壓有效值為191.58 kV，僅為額定電壓的63.24%，是歷次故障電壓降幅中最大的一次。這說明STATCOM裝置的無功輸出與系統的電壓跌落有關。系統電壓越低，STATCOM裝置的無功輸出越低。

另外，第9次暫態啟動過程中的故障持續時間較長，故障結束時間超出裝置錄波時間。但是，在這數秒的時間內，STATCOM裝置提供了連續、穩定的無功輸出，輸出功率維持在200 MVar以上。通過這次暫態啟動分析，證實了STATCOM裝置確實能為系統提供持續、穩定的無功輸出，滿足了設計之初的要求和設想。

4.2 STATCOM發出無功對電網電壓的支撐效果分析

STATCOM的快速性在第3節中已得到充分證明，相當于電網故障后一個周波內，繼電保護動作前，瞬時投入了4組電容器組。STATCOM的無功輸出穩定性和連續性也在第3節數據統計分析中得到證實，200～300 MVar實際無功輸出是有保證的。要分析實際系統的電壓支撐效果，需要實例分析?？紤]到歷次STATCOM暫態啟動過程類似，響應時間變化不大，暫態數據結果相差不大，本文以第2節中的單次暫態啟動為例。根據圖2錄波數據，電網故障前后該站1 M母線各相電壓有效值如表1所示。

由于錄波軟件在利用錄波數據（采樣頻率1 200 Hz）計算每個時刻點的有效值時，采用了取前后一小段時間數據進行積分計算的方法，因此會受前后一個周波數據的影響，從嚴格意義上講并不準確。另外，加上故障期間，隨著故障的發展和電網無功潮流的轉移，電壓也發生了變化，而細小的電壓變化不能根據表1的數據精確計算，只能給予大致的分析。

表1 錄波中500 kV變電站1 M母線各相電壓有效值

由表1數據可知，故障后系統A相電壓被迅速拉低，至STATCOM暫態啟動響應時，約下降2 kV/ms。STATCOM暫態啟動響應并開始發出大量無功的20 ms內，故障處于發展階段，系統電壓依然迅速拉低，下降速度約2.4 kV/ms。STATCOM暫態啟動響應并開始發出大量無功的20～40 ms內，故障發展速度減緩，系統電壓下降速度趨緩，下降速度約0.6 kV/ms。

由數據可知，STATCOM在故障后發出的276.5 MVar無功功率對整個大電網的電壓支撐效果并不明顯。

根據理論公式，不考慮電網故障存在的情況下，電網電壓可以提升：

式中，Q表示增加的無功功率，S表示安裝點的短路容量，UN表示額定電壓[7]。

若以S=30 000 MVA計算，本次STATCOM暫態發出276.5 MVar無功功率，可將500 kV、1 M的相電壓提升約2.65 kV。

錄波中無法明顯看出STATCOM發揮的作用，除了錄波軟件積分算法問題產生的影響外，錄波本身的采樣精度問題導致無法直觀有效分析錄波數據。同時，電網中的故障點會持續拉低電壓，從而影響STATCOM裝置對電網電壓的支撐效果。但是，最主要原因是珠三角電網短路容量太大，電網中STATCOM裝置太少，補償的無功無法滿足系統需求。

5 結 論

綜上所述，STATCOM裝置響應時間短，響應迅速，達到了設計要求。STATCOM裝置的暫態無功輸出雖未達到理論設計的最大值300 MVar，但在200～300 MVar，且輸出穩定、連續。此外，STATCOM裝置的實際電壓支撐效果并不明顯，原因包括錄波軟件的積分算法問題、錄波本身的采樣精度問題、電網中的故障點持續拉低電壓以及珠三角電網短路容量太大等。因此，本文建議從主要因素著手，在廣東電網500 kV主網架關鍵節點變電站添置高壓大容量STATCOM裝置，彌補STATCOM裝置無功補償嚴重不足的缺點，進而有效支撐系統電壓。