王若愚，蔡京陶，葉鍵民，劉軍偉

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001；2.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510670)

隨著大規(guī)模新能源和大容量直流接入及電網(wǎng)負荷規(guī)模和密度提升，我國電網(wǎng)對快速靈活動態(tài)無功補償?shù)男枨笤絹碓酱蟆Ｈ羲投巳蹼娋W(wǎng)短路容量低，交流系統(tǒng)故障或近區(qū)大容量直流等狀態(tài)變化都可能造成電壓大幅波動，對近區(qū)電網(wǎng)新能源機組和直流的穩(wěn)定運行造成不利影響；若受端電網(wǎng)負荷密度高，面臨的電壓穩(wěn)定風險大，疊加多回直流接入時交流系統(tǒng)故障可能引起多回直流換相失敗，加劇電網(wǎng)電壓穩(wěn)定風險[1-3]。

針對多直流集中饋入電網(wǎng)的主網(wǎng)動態(tài)無功功率相對不足的問題，除了采取維持電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅強、加強電源支撐、優(yōu)化機組和直流控制等措施，還可以直接加裝多種形式的動態(tài)無功補償設(shè)備，比如靜止無功補償器(static var compensator，SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)、調(diào)相機等。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的受端負荷中心，通常用地比較緊張，SVC因占地面積過大、響應速度相對較慢、低電壓時無功輸出能力有限等，現(xiàn)在一般不會考慮。隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，大容量采用鏈式技術(shù)的STATCOM獲得廣泛應用[4]；同步調(diào)相機是經(jīng)典的動態(tài)無功補償設(shè)備，過去因為旋轉(zhuǎn)設(shè)備、噪聲大、運行維護較復雜等原因受到詬病，近年來，隨著電機設(shè)備設(shè)計制造水平的提高和直流特高壓工程的推進，新型調(diào)相機因容量大、動態(tài)響應能力強等優(yōu)點進入人們的視線[5]，也獲得較多應用。已有較多文獻從多個角度對STATCOM和調(diào)相機的特性進行對比研究，文獻[6]從運行原理、響應特性及應用實例仿真等多個角度比較新一代大容量調(diào)相機、SVC與STATCOM動態(tài)無功補償裝置之間的差異；文獻[7]比較了新型大容量調(diào)相機、SVC與STATCOM的主要性能特點；文獻[8]比較了在直流換相失敗及閉鎖故障時，調(diào)相機、SVC與STATCOM這3種動態(tài)無功補償裝置對直流送端暫態(tài)過電壓的抑制能力。

然而，上述文獻對于系統(tǒng)故障時二者的動態(tài)無功補償過程，尤其是數(shù)十毫秒內(nèi)的快速暫態(tài)無功響應過程未進行深度對比分析，且目前國內(nèi)缺乏對系統(tǒng)產(chǎn)生相同電壓支撐效果下二者裝機容量方面的相關(guān)對比分析，以及實際工程應用中設(shè)備的選擇及應用參考。對此，本文首先對比分析新型調(diào)相機與STATCOM的動態(tài)無功輸出特性、關(guān)鍵影響參數(shù)及無功輸出優(yōu)化方法；根據(jù)分電壓跌落深度、跌落速度等不同場景下，從自身發(fā)出的無功電流出發(fā)，詳細比較二者的暫態(tài)電壓支撐等效果替代方法；最后，針對交直流受端電網(wǎng)待解決的主要矛盾，對二者的選用提出相應的工程應用建議。

1 調(diào)相機和STATCOM的無功輸出暫態(tài)特性關(guān)鍵因素

新型調(diào)相機和STATCOM都可以提供快速靈活的動態(tài)無功補償，對于我國送受端電網(wǎng)均可以發(fā)揮較好的動態(tài)無功支撐作用，已經(jīng)有大量的應用案例[9-10]。但是對于送、受兩端電網(wǎng)來說，動態(tài)無功補償?shù)男枨蠛蛡?cè)重點可能有較大區(qū)別。送端弱電網(wǎng)需要抑制電壓波動，提升短路容量；而受端電網(wǎng)，尤其是負荷密集的交直流受端系統(tǒng)，需要降低系統(tǒng)電壓失穩(wěn)風險，減少負荷端低壓減載量，提升對多回大容量直流的支撐能力，這對于動態(tài)無功補償設(shè)備的暫態(tài)性能來說，需要其快速響應能力，特別是數(shù)十毫秒內(nèi)的無功支撐能力；同時要求不因為提供短路電流過大造成額外運行風險，以及對于系統(tǒng)低電壓良好的適應能力。

1.1 調(diào)相機無功輸出機理和暫態(tài)特性關(guān)鍵因素

當系統(tǒng)電壓突變時，調(diào)相機的無功響應主要分為2個部分：一是在系統(tǒng)電壓變化的瞬間由調(diào)相機固有物理特性自然引發(fā)的無功響應，并隨時間衰減；二是由調(diào)相機勵磁控制系統(tǒng)改變勵磁電壓引起的無功響應，需要一定的響應時間。

1.1.1 次暫態(tài)特性

調(diào)相機具備次暫態(tài)特性，在系統(tǒng)電壓變化瞬間，調(diào)相機進入固有物理特性產(chǎn)生的無功響應，在故障瞬間內(nèi)電勢保持不變，瞬時發(fā)出/吸收大量無功功率，該過程一般在20 ms內(nèi)完成。

系統(tǒng)故障時，調(diào)相機的瞬時無功增量ΔQd≈-ΔU/(X″d+Xk)，調(diào)相機向系統(tǒng)提供的瞬時無功功率[11]

(1)

式中：下標d表示d軸分量，k表示短路電流中的交流分量；X″d為調(diào)相機d軸次暫態(tài)電抗；Xk為調(diào)相機升壓變短路電抗；ΔU為高壓側(cè)母線變化量；U為故障后電壓；Id0為調(diào)相機勵磁電流無功分量初始值。

1.1.2 暫態(tài)特性

次暫態(tài)過程結(jié)束后，調(diào)相機在具備一定響應延時的勵磁控制系統(tǒng)作用下進入暫態(tài)響應過程，通過改變勵磁電壓繼續(xù)對系統(tǒng)進行無功支撐。該過程可持續(xù)到系統(tǒng)將故障切除電壓恢復，一般在200 ms內(nèi)完成。

忽略調(diào)相機飽和及換相壓降，暫態(tài)過程中調(diào)相機定子電流增量

(2)

其中

式中：KM為最大勵磁輸出電壓相對于勵磁基準電壓的倍數(shù)；ΔE′q0為q軸暫態(tài)電動勢初始值增量；X′d和Xd分別為調(diào)相機d軸暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電抗；T′d0為d軸暫態(tài)短路時間常數(shù);t為時間。

1.1.3 穩(wěn)態(tài)特性

調(diào)相機具備穩(wěn)態(tài)特性，根據(jù)最新試驗結(jié)果，300 Mvar調(diào)相機具備300 Mvar遲相和170～200 Mvar的穩(wěn)定運行能力[12]。

1.2 STATCOM無功輸出機理和暫態(tài)特性關(guān)鍵因素

STATCOM通過實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓的變化方向，迅速發(fā)出無功功率表及時控制系統(tǒng)電壓，該過程中STATCOM的外特性為幅值和相位可控的交流電壓源[6,13]。目前大多數(shù)大容量STATCOM采用鏈式結(jié)構(gòu)[14]，使用連接變壓器與系統(tǒng)并聯(lián)，通過比較電網(wǎng)電壓與STATCOM輸出電壓的幅值，決定STATCOM輸出電流的相位超前還是滯后，從而決定STATCOM發(fā)出還是吸收無功功率[15]。STATCOM一般采用外環(huán)電壓、內(nèi)環(huán)電流的雙閉環(huán)控制策略，通過直接控制電流以維持交流電壓和直流電容電壓的穩(wěn)定。

對于內(nèi)環(huán)電流控制，以控制時間間隔TS為步長對STATCOM的數(shù)學模型進行拉普拉斯變換，離散化后得到瞬時電流控制算法如式(3)所示。該方法可在1個開關(guān)周期內(nèi)完成STATCOM輸出電流變化反饋控制，在系統(tǒng)電壓突變時快速輸出電流[16]。

(3)

式中：Ui為逆變器輸出電壓；Us為STATCOM接入點的系統(tǒng)電壓；L和R為逆變器單相連接電抗和等效電阻；I為接入點的系統(tǒng)電流；tcur為當前時刻。

對于外環(huán)電壓控制：暫態(tài)情況下，STATCOM進入暫態(tài)電壓控制模式，電壓反饋控制器采用高增益比例積分(PI)調(diào)節(jié)，可快速實現(xiàn)無功功率滿發(fā)，應對暫態(tài)故障時的動態(tài)無功支撐需求[17]。此外，STATCOM電壓調(diào)整器通過增加非線性增益功能，引入增強型增益，在系統(tǒng)電壓發(fā)生大波動時提供快速無功響應，并避免系統(tǒng)產(chǎn)生長時間小幅振蕩。暫態(tài)電壓控制模式如圖1所示，圖中Uref為參考電壓，Um為測量電壓，Ks為放大系數(shù)，Umin為最小電壓限值，Umax為最大電壓限值。

圖1 暫態(tài)電壓控制模式Fig.1 Transient voltage control mode

1.3 無功輸出特性優(yōu)化方法

1.3.1 調(diào)相機無功輸出特性優(yōu)化方法

文獻[17]通過求解調(diào)相機某個參數(shù)X對有效無功電流增益KI的偏導?KI/?X來確定各參數(shù)的優(yōu)化方向。?KI/?X的時域分析結(jié)果總結(jié)如下：

a)Xk：整個動態(tài)響應過程中，Xk為絕對主導參數(shù)，增大Xk，有利于提高調(diào)相機的瞬時無功支撐能力；

b)X″d：t<100 ms以內(nèi)的次暫態(tài)、暫態(tài)過程中，增大Xk可提高調(diào)相機的次暫態(tài)、暫態(tài)過程無功支撐能力；t>10 s以上的穩(wěn)態(tài)過程中，X″d對穩(wěn)態(tài)無功輸出基本無影響；

c)X′d、Xd、T′d0和T″d0：t<20 ms的次暫態(tài)過程和t>100 s的穩(wěn)態(tài)過程中，這些參數(shù)對調(diào)相機的次暫態(tài)瞬時無功和穩(wěn)態(tài)無功幾乎沒有影響；100 ms

新型調(diào)相機優(yōu)化后的典型參數(shù)見表1，取值均為標幺值。

1.3.2 STATCOM無功輸出特性優(yōu)化方法

暫態(tài)過程中，STATCOM的無功輸出響應時間主要取決于裝置的開環(huán)響應時間常數(shù)T和控制系統(tǒng)延時，響應速度快則輸出電流精準。鏈式STATCOM的特征方程如下[18]：

表1 新型調(diào)相機模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of new phase modifier model

(4)

式中：C為逆變器直流側(cè)等效電容；N為每相串聯(lián)的逆變橋個數(shù)；M為調(diào)制比;s為拉普拉斯算子。

開環(huán)響應時間常數(shù)T隨R、L、C的變化情況：R與T近似成反比；L與T為超線性關(guān)系，隨L的增加，T增長很快；C對T的影響較小。一般情況下，可通過合理配置STATCOM的主電路元件參數(shù)將開環(huán)無功響應時間減少到10 ms以內(nèi)。對于控制系統(tǒng)延時，目前STATCOM廣泛采用的控制策略為雙閉環(huán)反饋控制，其電流內(nèi)環(huán)響應速度快，一般20 ms內(nèi)即可將電流控制到目標值附近[6]。

2 新型調(diào)相機與STATCOM無功輸出暫態(tài)特性對比

在交流系統(tǒng)短路故障引發(fā)系統(tǒng)電壓一定程度跌落，觸發(fā)調(diào)相機和STATCOM進入暫態(tài)模式的情況下，新型調(diào)相機和STATCOM均會根據(jù)電壓跌落深度、跌落速度發(fā)出不同的無功功率，對系統(tǒng)電壓不同階段進行不同程度的支撐。在比較新型調(diào)相機和STATCOM的暫態(tài)電壓支撐等效效果替代方面，發(fā)出無功功率與系統(tǒng)電壓密切相關(guān)，因此，主要比較的是自身發(fā)出的無功電流。

新型調(diào)相機和STATCOM在不同系統(tǒng)故障情形下的無功特性都有較大區(qū)別，下文分場景進行比較。

2.1 機端電壓跌落較淺且能夠快速恢復

新型調(diào)相機和STATCOM均有這種場景下的現(xiàn)場試驗和實際響應案例。以現(xiàn)場典型實測波形為例，比對額定容量為300 Mvar的調(diào)相機和STATCOM在系統(tǒng)故障大擾動后的動態(tài)無功補償特性。參考文獻[19]，韶山站調(diào)相機機端電壓和無功實測波形如圖2所示，韶云II線發(fā)生單相短路，故障后機端電壓下降為0.76(標幺值，以下同)，調(diào)相機無功出力18 ms內(nèi)由1.6 Mvar升至335.3 Mvar，折算為無功電流1.47(標幺值，以下同)。

圖2 調(diào)相機無功輸出曲線實測波形Fig.2 Measured waveforms of reactive power output curves of phase modifier

以2012年4月12日廣東500 kV花博乙線AB相間故障跳閘東莞站STATCOM響應結(jié)果錄波圖為例，接入系統(tǒng)點電壓和無功實測波形如圖3所示，故障后系統(tǒng)電壓下降為0.87，輸出無功電流20 ms內(nèi)由0.09升至1.3，25 ms內(nèi)升至1.5。

圖3 STATCOM無功輸出曲線實測波形Fig.3 Measured waveforms of reactive power output curves of STATCOM

由已有實際工程案例可知，在機端電壓跌落較淺或故障點電氣距離較遠時(如機端電壓最低在0.7～0.9之間)，若交流故障很快消失且系統(tǒng)電壓能夠很快恢復，調(diào)相機輸出無功功率主要由自身的次暫態(tài)無功發(fā)出，10～20 ms內(nèi)輸出的無功電流在1.2～1.5，而有短時過負荷能力的STATCOM在20 ms輸出的無功電流可以達到1.5。在這種情況下，若采用實際案例的參數(shù)和裝置，同等容量的新型調(diào)相機和STATCOM在支撐系統(tǒng)短時電壓方面的作用基本是等效的，均可有效降低系統(tǒng)電壓波動，提升電能質(zhì)量。

2.2 機端電壓跌落較深且能夠快速恢復

在機端電壓跌落較重或故障點電氣距離較近時(如機端電壓最低在0.6以下)，若交流故障很快消失且系統(tǒng)電壓能夠很快恢復，新型調(diào)相機輸出無功還是依靠次暫態(tài)激發(fā)較大的無功電流，視系統(tǒng)電壓跌落深度的不同，10～20 ms內(nèi)輸出的無功電流最大能夠達到3.5[6]，向交流系統(tǒng)注入較大的無功電流，300 Mvar調(diào)相機對所接入500 kV母線的短路電流貢獻約為1～1.2 kA[20]，折算成標幺值為2.89～3.46。

有短時過負荷能力的STATCOM最大輸出無功電流為1.5，且考慮到自身設(shè)備保護和避免注入較大短路電流，在電壓過低時STATCOM可以先不發(fā)出無功電流[13,21]，這樣300 Mvar STATCOM對所接入500 kV母線的短路電流約為0～0.5 kA，折算成標幺值為0～1.44。

在直流饋入的受端電網(wǎng)，新型調(diào)相機可以提供次暫態(tài)無功電流，注入較大的短路電流，提升系統(tǒng)短路容量，能夠有效降低短路故障期間系統(tǒng)電壓跌落深度，在一定程度上降低了直流換相失敗的概率[6,15]，這是其優(yōu)于STATCOM的地方。但是對于短路電流接近超標的受端電網(wǎng)，調(diào)相機減少常規(guī)直流換相失敗概率的應用會受限，而在這種情況下，STATCOM在故障切除后發(fā)出無功支撐，幫助直流功率恢復方面會發(fā)揮更大的作用，這也是浙江電網(wǎng)采用STATCOM的主要原因[10]。

2.3 機端電壓跌落較深且恢復緩慢

若100 ms內(nèi)系統(tǒng)電壓恢復到0.9以上，這種情況下調(diào)相機來不及進入暫態(tài)模式強勵發(fā)無功的階段；若交流短路故障切除或消失后，交流系統(tǒng)面臨較突出的電壓恢復難題，系統(tǒng)電壓不能很快恢復，新型調(diào)相機經(jīng)過100～200 ms的延時，將進入強勵狀態(tài)，發(fā)出較大的無功電流。這種情形到現(xiàn)在還沒有實際案例，需利用電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行仿真模擬以進行對比分析。本文基于南方電網(wǎng)某方式數(shù)據(jù)下廣州木棉片區(qū)電壓穩(wěn)定情況，對花叢雙回線“N-2”故障后引起的木棉片區(qū)電壓跌落情況進行仿真，木棉片區(qū)某典型方式下的潮流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖4所示，比較STATCOM和新型調(diào)相機分別接入系統(tǒng)時，木棉站220 kV母線電壓、2種設(shè)備的輸出無功電流及輸出無功功率仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。在500 kV木棉站分別加裝新型調(diào)相機和STATCOM，其中，STATCOM采用木棉站已有的模型參數(shù)，調(diào)相機模型參數(shù)參考酒泉—湖南特高壓直流受端新型調(diào)相機參數(shù)，見表1。

圖4 木棉片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.4 Grid structure in Mumian area

圖5 木棉站220 kV母線電壓Fig.5 220 kV bus voltage of Mumian station

圖6 調(diào)相機和STATCOM輸出的無功電流Fig.6 Output reactive current waveforms of phase modifier and STATCOM

圖7 調(diào)相機和STATCOM輸出無功功率Fig.7 Output reactive power curves of phase modifier and STATCOM

仿真結(jié)果顯示：當調(diào)相機容量提高到240 Mvar或STATCOM容量提高到340 Mvar時，500 kV木棉站220 kV母線電壓均能在1 s內(nèi)恢復至0.75以上，基本滿足南方電網(wǎng)通用的電壓穩(wěn)定考核標準。

由圖5可知，交流故障后，220 kV母線電壓最低跌至0.4以下，新型調(diào)相機和STATCOM均快速響應發(fā)出無功電流。由圖6、圖7可知：調(diào)相機在次暫態(tài)情形下，發(fā)出大量無功電流，能夠達到3.5，隨后100 ms時間內(nèi)次暫態(tài)無功電流快速衰減，對系統(tǒng)電壓支撐非常有限；隨后新型調(diào)相機進入暫態(tài)模式，約能持續(xù)發(fā)出2.5的無功電流，這是支撐系統(tǒng)電壓恢復的主要手段。STATCOM在20 ms內(nèi)快速響應，持續(xù)發(fā)出1.5的無功電流，有效支撐了系統(tǒng)電壓恢復。

對比系統(tǒng)電壓恢復曲線可知，系統(tǒng)電壓恢復后會有超調(diào)：調(diào)相機由于暫態(tài)響應速度相對較慢，超調(diào)時間為2.03 s；而STATCOM能夠快速緊密跟蹤系統(tǒng)電壓，在系統(tǒng)電壓超調(diào)時會發(fā)出感性無功，系統(tǒng)電壓超調(diào)時間較短，為1.15 s。

在機端電壓跌落較深且恢復緩慢的情形下，若只考慮電壓恢復，調(diào)相機和STATCOM發(fā)揮同等無功支撐作用的容量需求為1∶1.4～1∶1.6。調(diào)相機在這種情況下，主要優(yōu)點是容性無功持續(xù)輸出能力強，缺點是：對于短路容量較大的電網(wǎng)，提供的較大的次暫態(tài)電流增大系統(tǒng)短路電流超標風險；對于短路容量較小的電網(wǎng)，由于其暫態(tài)電壓響應速度相對較慢，系統(tǒng)更容易出現(xiàn)較長時間的過電壓風險。

3 結(jié)論及工程應用建議

本文通過對比分析新型調(diào)相機和STATCOM的暫態(tài)無功輸出機理，總結(jié)無功特性輸出優(yōu)化方法，并通過不同故障響應下的案例和算例，深度對比分析二者暫態(tài)特性，得出如下結(jié)論：對于直流饋入的受端電網(wǎng)，加裝新型調(diào)相機和STATCOM等動態(tài)無功補償裝置的主要目的是解決各種大擾動下的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定運行裕度，但需避免因此可能引起的諸如系統(tǒng)短路電流超標等風險。根據(jù)前文分析和比較結(jié)論，在直流饋入受端電網(wǎng)工程應用中，需針對交直流受端電網(wǎng)的主要矛盾，選擇新型調(diào)相機和STATCOM，提出以下工程應用建議：

a)若系統(tǒng)短路電流裕度較大，動態(tài)無功補償裝置的主要目的是提升短路容量，減少直流換相失敗概率，傾向于選用新型調(diào)相機。

b)若系統(tǒng)短路容量低，可以選用新型調(diào)相機增加系統(tǒng)短路容量，但要注意系統(tǒng)過壓風險；也可以選用STATCOM，發(fā)揮其快速精準跟蹤電壓的能力，但要對STATCOM的低穿和高穿能力提出要求。

c)若系統(tǒng)短路電流水平較高，已接近斷路器遮斷容量，則只能選用STATCOM，利用其靈活的電流控制能力規(guī)避短路電流增加風險。

d)若工程需要重點發(fā)揮動態(tài)無功補償裝置的較長時間(數(shù)百毫秒)支撐系統(tǒng)電壓恢復目標，根據(jù)現(xiàn)有工程指標，新型調(diào)相機和STATCOM發(fā)揮同等無功支撐作用的容量需求約為1∶1.4～1∶1.6，具體工程中需要結(jié)合經(jīng)濟環(huán)境等因素綜合比較選擇。