STATCOM在电力系统故障时的动态特性仿真研究(精)

STATCOM在电力系统故障时的动态特性仿真研究汤亚芳，施怀瑾（贵州工业大学电气工程学院，贵州贵阳550003）摘要：采用MATLAB PSB建立了STATCOM的时域仿真模型，以实例对STATCOM在系统故障时的动态运行特性进行了仿真研究。

结果表明，当控制器采用常规的算法时，STATCOM的运行可能会严重偏离其正常运行条件，此时STATCOM无论是退出运行或继续存在于系统都可能加剧系统的故障状态。

关键词：静止无功补偿器（STATCOM）；动态特性；故障；仿真中图分类号：TM743；TM761.1 文献标识码：A0 引言采用大功率门极可关断晶闸管(GTO)的STATCOM由于具有响应速度快，可以在感性到容性整个范围中连续地进行无功调节，特别是在欠压条件下所需储能电容容量较小，从而可减小装置体积等优点，在电力工业界得到愈加广泛的应用。

通过控制器的控制作用，STATCOM 具有无功功率控制、维持连接点的电压稳定、防止系统电压崩溃及提高系统的暂态稳定性等功能。

而STATCOM对电力系统作用的同时，电力系统的动态和暂态过程都不同程度的影响STATCOM的运行。

特别是在系统故障情况下，STATCOM的运行条件突变，此时有必要研究一下它的动态特性，以全面评价STATCOM的性能。

本文利用MATLAB PSB建立了STATCOM时域仿真模型，对系统故障情况下STATCOM的动态特性进行了仿真，得到了一些有用的结论。

1 含STATCOM的简单电力系统的仿真模型的建立本文利用MATLAB PSB仿真软件进行仿真，仿真系统接线图见图1.利用文献［4］中提出的建模方法建立该电力系统及STATCOM的仿真模型，参数见文献［4］.STATCOM的控制算法采用常规的控制算法：PI控制算法（图2）.图1 含有STATCOM的单机—无穷大系统接线图图2 PI逆系统电压控制框图2 STATCOM受扰状态仿真研究2.1 STATCOM的运行状态的变化STATCOM在运行过程中要受到直流侧电容电压U dc和输出电流I A的限制，它们应满足以下条件：U dcmin≤U dc≤U dcmaxI A≤I Amax (1)一旦U dc或I A超出限制范围，STATCOM装置本身将会受到损坏。

当系统出现故障时，STATCOM的控制器将调节输出无功，以提高系统的暂态稳定性，此时U dc或I A很可能超出限制范围，STATCOM安全将受到威胁。

假定t=0.1s时，图1所示电力系统线路1在STATCOM连接点处出现三相接地短路故障，t=0.2s短路线路切除并保持单回线路运行。

由仿真结果（图3）可以看出在故障期间，STATCOM 的电容电压及输出电流均超出正常运行范围，这将引起STATCOM的故障。

(a)STATCOM直流侧电容电压(b)STATCOM输出电流曲线图3 系统故障时STATCOM运行状态变化曲线2.2 STATCOM退出系统运行时的仿真分析由以上仿真分析可知，系统故障期间STATCOM的工作条件变得很恶劣。

当输出电流及电容电压超过STATCOM的安全运行范围时，保护系统将动作，封锁GTO脉冲或使STATCOM退出运行。

当系统出现故障时，STATCOM接入点系统电压变化较大。

此时STATCOM的控制器将动作，使得δ不断变化，由于STATCOM输出的无功功率可表示为Q=U s/(2r)sin2δ（式中U s为STATCOM接入点系统电压；r为STATCOM等值电阻；δ为STATCOM输出电压与系统电压之间的相角差），因此其输出的无功也在不断变化中。

如果在STATCOM向系统输出较大无功时自身又出现故障，为保证STATCOM安全，它的保护系统将会动作将其切除，这时系统出现无功缺额。

如果系统无功备用足够的话，经过发电机的励磁调节器的调节作用，电压还能恢复到原有水平。

如果无功备用不足，则电压将会出现较大的波动。

此时，STATCOM不仅不能起到原有的控制作用，反而可能因为它的退出又将使受扰系统受到新的扰动，系统的暂态稳定将遭到更大的考验。

假设在t=0.5ms时，STATCOM接入点处线路1发生三相短路故障；t=0.7ms线路1被切除；而在t=0.6ms时，因为出现过电流STATCOM退出系统。

仿真结果（图4）显示由于STATCOM 的退出使得系统振荡加剧，并最终失去稳定。

可见在系统故障期间，应尽量提高STATCOM 的生存能力，不应随意的将其退出。

这样一可以避免它的退出对系统所产生的冲击，二来也避免了STATCOM缓慢的再投入过程。

(a)STATCOM未接入系统(b)STATCOM在系统故障时退出图4 系统故障时STATCOM退出运行的仿真分析2.3 STATCOM继续运行时的仿真研究如果STATCOM的控制系统采用的是常规的潮流控制方式（电压控制及无功控制）时，在系统正常运行情况下，这些控制方法确实能起到应有的作用。

但是一旦系统运行在特殊的运行方式时（如负荷突增，短路故障），这些控制方法有可能会减弱系统的阻尼，甚至使系统出现“负阻尼”的现象，使系统的振荡加剧。

在理论上证明这种现象的存在性：利用文献［9］提出的方法来建立安装有STATCOM的电力系统的Phillips-Heffron模型，并利用该模型来分析电力系统的稳定性。

根据图5所示的电力系统的等值电路图可得出系统的Phillips-Heffron模型为：[])2(000101000000098765003421ψωδωωδψψψψ∆⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-'--+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆'∆∆∆⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----''------=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆'∆∆∆d A v A d q p dc fd q A vdc A A A A A A qdc d d pdc b dc fd q K T K K T K M K V E E K K K T K K T T K K T K K M K T T K M K M K M K M D M K V E E式中：Δδ为发电机相角增量；Δω为发电机转速增量；ΔE q ′为发电机暂态电势增量；ΔE fd 为空载电势增量；ΔV dc 为STATCOM 直流侧电容电压增量；Δψ为STATCOM 输出电压与系统电压相角差的增量；M为发电机转动惯量；T A 和K A 为励磁机等值时间常数和增益；T d0′为励磁绕阻时间常数。

dc q qdc dc e pdc t v q q e p q t t e q q q e e V E K V P K V K E K P K E V K V K P K E E K E P K P K ∂'∂=∂∂=∂∂=∂∂=∂∂='∂∂=∂∂=∂∂='∂∂='∂∂=∂∂=,,,,,,,,,654321ψψψδδδψψψ根据以上模型，我们可得到STATCOM 从Δψ到发电机机电振荡环节向前通道中由STATCOM 提供的阻尼转矩：图5 等值电路图 ΔT EDC =-K p ψΔψ (3)如果STATCOM 采用电压PI 控制，设PI 控制的微分系数为K 1,比例系数为K 2.则有以下控制算法：)5()()()4()()(21212121ωψωψψ∆+-=∆+-=∆+-=∆+-=∆dc p dc p EDC dc m K K s K K V m K s K K T V m K s K V K s K 由式（5）可看出，STATCOM 是否向系统提供正的阻尼转矩取决于系数K p ψ的正负。

K p ψ>0时，STATCOM 向系统提供负阻尼；K p ψ<0时，STATCOM 向系统提供正阻尼。

因为ψψ∂∂=e p P K ，因此在系统负荷变化比较大或故障期间电压波动大时，由于控制器的控制作用使得ψ角不断增大，也就是说STATCOM 向系统输入的有功功率P e 增大，使得K p ψ>0，STATCOM 就向系统提供负阻尼，从而加剧系统的故障。

下面以仿真来证明这种现象的存在性。

假设在t=0.3ms 时，STATCOM 接入点处线路1发生三相短路故障，故障在t=0.5ms 时被切除。

图6（a ）表示STATCOM 未接入系统时，发电机的转速变化曲线。

图6（b ）表示STATCOM 接入系统后的发电机变化曲线，由图中可以看出此时发电机转速的波动更加剧烈。

因此在系统故障期间，STATCOM 不能采用一些常规的控制方式，而应采用其他的一些控制措施。

(a)STATCOM未接入系统(b)STATCOM接入系统图6 STATCOM对系统产生负阻尼作用的仿真分析3 结语本文利用MATLAB PSB对STATCOM在系统故障时的动态特性进行了时域数值仿真。

仿真结果表明：1．采用常规控制的STATCOM，在系统故障情况下其输出电流及直流侧电容电压将会增大，此时STATCOM的安全将受到极大的威胁。

2．系统故障时，为STATCOM的安全着想将其退出运行，此时有可能引起系统运行的不稳定。

3．系统故障期间，采用常规控制的STATCOM会使系统的振荡加剧。

基于以上分析，在系统故障时，要对STATCOM采取特殊的措施，使其本身的安全及系统的安全都不受影响。

目前在一些文献中（如［1］、［5］）已经提出了一种STATCOM的保护性控制方式，这种保护性的控制方式可以在一定程度上避免这些情况的产生。

作者在文献［8］中提出了一些解决措施，并用仿真方法加以了检验。

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