大容量静止同步补偿器应用效果分析

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大容量静止同步补偿器应用效果分析
赖绍奇
【摘要】STATCOM是目前最先进的动态无功补偿装置,但实际应用中存在诸多问题.首先,详细介绍一种高压大容量STATCOM装置的运行方式及控制模式;其次,以
单次STATCOM暂态启动详细过程为起点,结合总计91次暂态启动数据支撑,深入分析了STATCOM装置应用中的实际响应速度、无功输出情况和支撑电网电压的
效果,并列举了STATCOM支撑电网电压效果不明显的各方面原因.最后,针对相应
问题提出有效的改进建议.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2018(035)012
【总页数】4页(P109-112)
【关键词】STATCOM;控制模式;无功输出;电压支撑
【作者】赖绍奇
【作者单位】广东电网公司东莞供电局,广东东莞 523000
【正文语种】中文
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。

(1)电压突变量越限:> 1.4 kV/ms,t=5 ms;
(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。


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电网电压故障前/kV 故障后10 ms,STATCOM未进入暂态或开始响应时/kV故障后30 ms,STATCOM暂
态发出大量无功时/kV故障后50 ms,STATCOM暂态发出大量无功时/kV A相
305.1 287.3 242.8 230.8 B相 305.3 302.3 291.0 278.6 C相 304.8 300.1 288.4 277.9
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。

【相关文献】
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