戴朝波，于弘洋，趙國亮，段方維，楊瀅璇

（1.先進輸電技術(shù)全國重點實驗室（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司），北京 102209；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽 110003）

0 引言

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題一直是困擾世界電力學術(shù)界的難題之一［1-2］。在特高壓直流換相失敗、閉鎖等故障及其恢復(fù)過程中，除有功功率大幅波動之外，直流會從交流電網(wǎng)吞吐大量無功功率，導致直流送、受端近區(qū)交流電壓大幅快速波動，存在新能源機組大規(guī)模無序脫網(wǎng)等運行風險［2-3］。

眾所周知，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平的動態(tài)無功補償裝置主要有SVC［4］、STATCOM［5-7］和同步調(diào)相機［8-9］等。關(guān)于這三者的比較已有不少［3，9-22］，但都沒有事先約定裝置響應(yīng)時間的定義和相應(yīng)的計算方法，也就沒法實質(zhì)性比較STATCOM 和同步調(diào)相機裝置本身的響應(yīng)時間。

通過各種控制，同步調(diào)相機勵磁系統(tǒng)輸出勵磁電壓Ef，在轉(zhuǎn)子上得到勵磁電流If，再通過磁鏈耦合，最終在定子側(cè)得到期望的內(nèi)電勢E0［11］。從電路機理上講，同步調(diào)相機輸出的無功功率及其響應(yīng)時間由同步調(diào)相機的內(nèi)電勢、機端電壓和等值電抗共同決定。STATCOM 補償無功功率的機理與同步調(diào)相機相似，不同之處在于：STATCOM 通過控制和脈寬調(diào)制等技術(shù)使換流器輸出期望的交流電壓，相當于同步調(diào)相機的內(nèi)電勢；同時，等值電抗通常為STATCOM 連接電抗L，與同步調(diào)相機不同，其電感值通常是固定的。

文獻［22］對西北新甘青750 kV 送端電網(wǎng)無功補償措施進行比較研究，結(jié)果表明：調(diào)相機對電網(wǎng)輸電能力的提升效果最好，STATCOM 次之，SVC最差，并歸因于調(diào)相機輸出的無功功率最大，即和裝置響應(yīng)時間關(guān)系不大。現(xiàn)階段，鑒于調(diào)相機價格遠高于STATCOM，而 SVC 價格略低于STATCOM［12］，并且同步調(diào)相機運行維護成本和有功功率損耗是三者中最高的，SVC 是最低的，因此，宜對電網(wǎng)有相似電壓支撐效果的方案進行比較，而不是對裝置相同額定容量的方案比較。

早期，普遍認為STATCOM 響應(yīng)速度比同步調(diào)相機快［20-22］，或同樣快［11］。文獻［3］基于定子繞組磁鏈不能突變，認為同步調(diào)相機能無延時地輸出超出其額定容量的無功功率。工程現(xiàn)場單相短路故障試驗結(jié)果卻表明［23］：同步調(diào)相機在10～30 ms 內(nèi)可提供1.2～1.3 倍額定容量的無功功率，即響應(yīng)時間不為0。這一顯著差異應(yīng)是對響應(yīng)時間的不同理解造成的。文獻［10］通過機電暫態(tài)仿真發(fā)現(xiàn)SVC 和STATCOM 呈現(xiàn)無功電壓“反調(diào)”特性，并歸因于這兩者響應(yīng)速度不夠快，同時同步調(diào)相機能快速發(fā)出或吸收無功功率，沒有無功電壓“反調(diào)”現(xiàn)象而被推薦，可見響應(yīng)速度至少是一項重要技術(shù)指標。文獻［24］研究了同步調(diào)相機接入等值電網(wǎng)后電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生突變時的暫態(tài)響應(yīng)特性，但沒有探討響應(yīng)時間。沒有涉及響應(yīng)時間的原因在于裝置的響應(yīng)特性受電網(wǎng)條件等諸多因素影響，也在于電網(wǎng)條件發(fā)生突變后，仿真得到的無功功率存在幅值較大的高頻振蕩［3，24］。畢竟在沒有約定相關(guān)定義和計算方法前提下很難給出有說服力的結(jié)果。

本文首先明確階躍響應(yīng)時間的定義，并約定相應(yīng)的計算方法，統(tǒng)一了比較基準。接著分別搭建了簡化的、便于驗證的同步調(diào)相機和STATCOM 等值系統(tǒng)，降低了諸多因素交叉影響的錯綜復(fù)雜性。采用電磁暫態(tài)仿真分析方法分別從參考值階躍、電網(wǎng)等值電壓幅值階躍、相角階躍這3 個維度試圖得到裝置本身的響應(yīng)特性。實際應(yīng)用時，上述3 個量肯定會同時變化，本文的研究結(jié)果將為分析和理解更為復(fù)雜的實際工況下的響應(yīng)時間提供有益參考。

1 仿真比較的約定

1.1 階躍響應(yīng)時間

圖1 給出階躍響應(yīng)時間的示意，約定動態(tài)無功補償裝置階躍響應(yīng)時間為從階躍發(fā)生時刻開始，到輸出達到實際變化值90%為止，且期間沒有過沖。這里的實際變化值指圖1的穩(wěn)態(tài)值與初始值的差。

圖1 階躍響應(yīng)時間示意圖Fig.1 Schematic diagram of step response time

實際應(yīng)用時有采用無功功率Q或輸出電流I來表征階躍響應(yīng)時間的，本文采用無功功率Q來表征。

如圖1 所示，階躍響應(yīng)時間包括檢測時間和動作時間這兩部分。對于STATCOM 等電力電子裝置，檢測時間和動作時間通常都不為0。

考慮到同步調(diào)相機的特殊性，如圖1 所示，本文引入瞬態(tài)響應(yīng)時間，相應(yīng)的實際變化值為局部最大值和初始值的差。

在此約定系統(tǒng)頻率不變，并采用快速傅里葉變換、遞推離散傅里葉變換（recursive discrete Fourier transform［25］）等措施減少諧波分量、有功分量的影響。本文采用一個工頻周波128 點的傅里葉變換計算相應(yīng)的有功功率、無功功率和基波分量等。

1.2 等值系統(tǒng)

圖2 給出STATCOM 和同步調(diào)相機響應(yīng)時間比較時用到的、在PSCAD 軟件中搭建的仿真等值系統(tǒng)。P、Q和i分別為動態(tài)無功補償裝置輸出的有功功率、無功功率和電流，正方向如箭頭所示，并約定動態(tài)無功補償裝置等效為電容時的無功功率Q為正，等效為電感時Q為負。

圖2 比較時采用的等值系統(tǒng)Fig.2 Equivalent system for comparison

以動態(tài)無功補償裝置額定值為標幺化基準值，在參數(shù)設(shè)置時，確保變壓器和等值阻抗ZS的參數(shù)標幺值在同步調(diào)相機和STATCOM 算例中的對應(yīng)值都是相等的。這樣一來，即使同步調(diào)相機和STATCOM 額定容量不同，仿真計算結(jié)果也同樣具有可比性。

按照工程現(xiàn)場相對較弱的交流系統(tǒng)，通過約定的短路比來設(shè)置圖2 的等值阻抗，這樣處理的目的在于：在適當考慮電網(wǎng)特性的前提下，盡可能地聚焦于裝置本身，使比較結(jié)果更能體現(xiàn)裝置自身的性能。

動態(tài)無功補償裝置的參考值階躍、等值電源的幅值階躍、等值電源的相角階躍是本文比較裝置階躍響應(yīng)時間的3 個維度。其中，參考值階躍時的特性屬于裝置的主動響應(yīng)特性，等值電源的幅值和相角階躍時的特性則屬于裝置的被動響應(yīng)特性。

現(xiàn)有電力行業(yè)標準［26］規(guī)定STATCOM 正常運行最低工作電壓應(yīng)為0.4 p.u.，在韓國投運的400 Mvar STATCOM 最低工作電壓為0.3 p.u.［5］。實際電網(wǎng)不一定都要求這樣嚴格，有時0.6 p.u.最低工作電壓也是可以接受的［6］。本文選用0.5 p.u.最低工作電壓較為適中的要求進行比較。如電壓跌落幅度太小，同步調(diào)相機需要高壓側(cè)電壓附加勵磁控制［22］等輔助調(diào)節(jié)來優(yōu)化響應(yīng)特性。當然，電壓跌落速度慢會增加動態(tài)無功補償裝置的響應(yīng)時間。本文選用階躍響應(yīng)，即瞬時改變以確保同步調(diào)相機能呈現(xiàn)出盡可能小的響應(yīng)時間。

已有研究結(jié)果表明［27］，在電網(wǎng)發(fā)生故障的整個過程中，電壓有可能發(fā)生大到90 °的相角躍變。同時考慮到，如分布式調(diào)相機一樣，STATCOM 也應(yīng)能應(yīng)用到新能源基地等場景，所以，本文也選用90 °相角躍變進行比較。

2 同步調(diào)相機的仿真和分析

2.1 仿真條件的說明

圖3 給出了仿真分析時同步調(diào)相機的等值系統(tǒng)，其中Vref為同步調(diào)相機端電壓參考值，Ef為勵磁電壓，If為勵磁電流。盡管有研究結(jié)果表明同步調(diào)相機在頻率為5.0 Hz以上區(qū)間的響應(yīng)特性基本上與勵磁控制策略無關(guān)［9］，在仿真等值系統(tǒng)搭建時還是考慮了勵磁系統(tǒng)及其參數(shù)的影響。

圖3 同步調(diào)相機的等值系統(tǒng)Fig.3 Equivalent system with a synchronous condenser

仿真時用到的同步調(diào)相機參數(shù)按上海電氣額定容量為50 MVA 的空冷調(diào)相機進行設(shè)置，其中，額定定子線電壓為10.5 kV，額定定子電流為2 749 A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

當同步調(diào)相機并網(wǎng)以后，通常采用調(diào)節(jié)速度快、可控性強的自并勵靜止勵磁系統(tǒng)［8］。本仿真采用IEEE的ST5靜止勵磁系統(tǒng)模型及其參數(shù)值［28-29］。

變壓器額定容量為75 MVA，采用△/Y0接線，變比為10.5 kV/500.0 kV，基波正序漏抗為0.12 p.u.。電網(wǎng)的等值阻抗為一電感，按調(diào)相機額定參數(shù)進行標幺化，對應(yīng)值約為0.0261 p.u.。

2.2 仿真分析

2.2.1 機端電壓參考值的階躍

圖4給出了同步調(diào)相機端電壓參考值Vref的階躍響應(yīng)曲線。無功功率Q從0 p.u.上升到1.0 p.u.時的響應(yīng)時間約為0.854 s。顯然，勵磁電壓Ef上升速度相對較快，但勵磁電流If變化速度要慢許多，最終導致端電壓參考值的階躍響應(yīng)時間較長，這和文獻［3］中相關(guān)論述相符。盡管通過優(yōu)化勵磁系統(tǒng)及其參數(shù)可以縮短階躍響應(yīng)時間，但很難改變階躍響應(yīng)時間至少為數(shù)百毫秒的這一判斷。

圖4 電壓參考值的階躍響應(yīng)曲線Fig.4 Step response waveforms of voltage reference

2.2.2 等值電源電壓幅值的躍變

圖5 給出圖3 中等值電源幅值Vs的階躍響應(yīng)曲線。在18.0 s 時刻，幅值Vs由1.0 p.u.瞬間跌到0.5 p.u.，相應(yīng)地，VH由1.0 p.u.跌到0.56 p.u.，V由1.0 p.u.跌到0.75 p.u.，VH和V的下降幅度都有所減少，這是由于受到等值阻抗Zs和變壓器漏抗的影響。由于同步調(diào)相機無功功率Q緩慢增加，VH和V也都隨之增加一些，且V增加的幅度更為顯著。

圖5 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Step response waveforms of voltage amplitude

如圖5 所示，采用Q穩(wěn)態(tài)值時，電壓幅值的階躍響應(yīng)時間約為3.540 s，比較大，這主要是因為無功功率Q的增速在后期比較緩慢。通過增加高壓側(cè)電壓附加勵磁控制［22］、優(yōu)化勵磁系統(tǒng)及其參數(shù)值等措施，應(yīng)能縮短響應(yīng)時間，但很難改變階躍響應(yīng)時間在1.0 s 以上的這一判斷。文獻［24］給出了系統(tǒng)電壓突然跌落到0.6 p.u.時的無功功率響應(yīng)曲線，其階躍響應(yīng)時間大約為2.0 s，大于1.0 s。

如圖5 所示，等值電源幅值Vs階躍時，勵磁電壓Ef和勵磁電流If都有幅值較大的躍變，不同的是勵磁電流If有頻率相對較高的振蕩分量，同步調(diào)相機勵磁繞組的等值電阻不大是該振蕩分量持續(xù)時間較長的主要原因。同步調(diào)相機轉(zhuǎn)子角速度ω峰峰值變化范圍僅為額定轉(zhuǎn)速的0.3%左右，可忽略。

如圖6 所示，對于瞬態(tài)響應(yīng)時間，從等值電源幅值VS階躍發(fā)生時刻到無功功率Q達到局部最大值的0.9 大致需要14 ms，階躍響應(yīng)速度非?？臁ｏ@然，電流i幾乎是無延時地突增，并含有數(shù)值較大、緩慢衰減的直流分量。如此大的直流分量至少對升壓變壓器是不利的。如電流i幅值不變且沒有直流分量的話，達到局部最大值的0.9 最快也需要18 ms。I1ave是電流i三相基波分量的平均值，其值在快速上升到最大值后略有下降，其實，電流i幅值是一直在變化的，在等值電源電壓幅值Vs階躍時，其大小通常由同步機超瞬態(tài)參數(shù)所主導，之后逐漸過渡到由瞬態(tài)參數(shù)所主導，因此電流i幅值應(yīng)該是衰減的，這是瞬態(tài)階躍響應(yīng)時間能小于18 ms 的原因之一。另外一個原因是電流中含有衰減的直流分量。

圖6 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Step response waveforms of voltage amplitude

與文獻［3］、［24］不同，由于采用了1.1 節(jié)中約定的計算方法，圖5 和圖6 中Q才沒有高頻振蕩的分量，也就能相對容易地確定階躍響應(yīng)時間。

如圖6 所示，無功功率Q達到1.2 p.u.的時間約為10.6 ms，達到1.3 p.u.的時間約為11.06 ms，確實讓同步調(diào)相機呈現(xiàn)出較快的響應(yīng)特性。這和文獻［23］中“同步調(diào)相機在10～30 ms 內(nèi)可提供1.2～1.3 倍額定容量的無功功率”的結(jié)論是相符的。50 MVA 同步調(diào)相機的仿真分析結(jié)果能和300 MVA 同步調(diào)相機的現(xiàn)場試驗結(jié)論相符，從一個側(cè)面反映出本文所采用的仿真模型及其仿真結(jié)果是能反映實際設(shè)備的響應(yīng)特性，具有一定的代表性。

2.2.3 等值電源電壓相角的躍變

圖7 給出了圖3 中等值電源相角θ的階躍響應(yīng)曲線。在18.0 s 時刻，VS相角瞬間躍變90 °，由于同步調(diào)相機具有機械慣性，再加上勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使得同步調(diào)相機輸出呈現(xiàn)幅值較大的振蕩，這些振蕩對電網(wǎng)電壓暫態(tài)控制顯然是不利的。a 相電壓有效值VHa、Va和勵磁電壓Ef都有比較明顯的大幅振蕩，VHa振蕩的最大峰峰值為0.235 p.u.，Va振蕩幅度比VHa的還要略大些，這是因為電壓的振蕩是由同步調(diào)相機及其勵磁系統(tǒng)的調(diào)整引起的；有功功率P也出現(xiàn)幅值較大的振蕩，振蕩的峰峰值最高達8.12 p.u.，相應(yīng)的振蕩持續(xù)時間長達1.5 s；無功功率Q振蕩的最大幅值達3.0 p.u.，相應(yīng)的振蕩持續(xù)時間大約為20 ms；轉(zhuǎn)子角速度ω的振蕩頻率有兩個，頻率較低的和有功功率P的振蕩頻率相近，頻率較高的和勵磁電壓Ef、勵磁電流If中高頻振蕩的振蕩頻率相近。

圖7 電壓相角的階躍響應(yīng)曲線Fig.7 Step response waveforms of voltage phase angle

有功功率的振蕩體現(xiàn)出同步調(diào)相機具有正的整步功率系數(shù)特性，但這一特性也帶來電壓幅值的振蕩，對電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定來說，這應(yīng)該是不利的。

3 STATCOM的仿真和分析

3.1 仿真條件的說明

圖8 給出了仿真分析時STATCOM 的等值系統(tǒng)。按閩粵聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程來設(shè)置相應(yīng)的等值阻抗、變壓器、STATCOM 主電路及其參數(shù)。

圖8 STATCOM 的等值系統(tǒng)Fig.8 Equivalent system of STATCOM

STATCOM 三相額定容量為± 120 Mvar，每相換流鏈由16 個H 橋功率模塊串聯(lián)而成，其中，1 個功率模塊是冗余的。換流鏈采用星形接法，中性點直接接地，并通過升壓變壓器接入500 kV 電網(wǎng)。功率模塊直流電壓的期望值為2.1 kV，功率模塊直流電容額定容值為10 mF。功率模塊的開關(guān)頻率為275 Hz，采用單極倍頻PWM 調(diào)制方式，通過載波移相使整個換流鏈等效的開關(guān)頻率為8.8 kHz。升壓變壓器采用Y0/Y0接法，變比為500 kV/ 35 kV，額定容量為180 MVA，基波正序漏抗為12.0 %。連接電抗L額定電感值為2.0 mH。按直流輸電額定容量的短路比為2.3 來設(shè)置電網(wǎng)的等值阻抗，即按照相對較弱的交流系統(tǒng)來設(shè)置。

STATCOM 確實可以采用類似電網(wǎng)構(gòu)造（grid forming）型［30］的控制策略，從而獲得不一樣的階躍響應(yīng)時間，但是，現(xiàn)有工程中應(yīng)用的STATCOM 幾乎都是采用電網(wǎng)跟隨（grid following）型的。鑒于此，本文也選用電網(wǎng)跟隨型策略。

當電網(wǎng)電壓在正常范圍內(nèi)時，STATCOM 通常采用無功控制和電壓控制這兩種模式；當超出約定范圍時，STATCOM 通常采用電流控制模式，即輸出允許的最大容性或感性電流［6］。STATCOM 采用分相控制策略，從而具有較強的電網(wǎng)不對稱運行能力。分相瞬時電流控制由單相鎖相環(huán)、無功電流參考值、有功電流參考值、瞬時電流控制等4 個部分組成，并采用準比例諧振（quasi-proportional resonant，QPR）控制實現(xiàn)對瞬時電流參考值的無靜差跟蹤，詳見文獻［6］。

3.2 仿真分析

如無特殊說明，僅給出a 相波形。vdcMax、vdcMin、vdcAve分別為STATCOM 的a 相16 個級聯(lián)H 橋功率模塊直流電壓中的最大值、最小值和平均值。

3.2.1 無功電流參考值的階躍

圖9 給出了STATCOM 無功電流參考值Iqref在1.0 s 時刻從0 p.u.階躍到1.0 p.u.容性的仿真波形。仿真結(jié)果顯示階躍響應(yīng)時間約為19.2 ms，比理想值18 ms 僅慢了1.2 ms，這是因為：a）STATCOM 輸出電流跟蹤參考電流大約需要1.0～2.0 ms 時間［3］，這可以從電流i波形曲線可以看出；b）由于電流的快速跟蹤需要換流器輸出電壓的劇烈變化，從而導致電壓v波形產(chǎn)生畸變，使無功功率值變小，即階躍響應(yīng)時間變長。毫無疑問，與圖4仿真結(jié)果相比較，STATCOM 參考值階躍響應(yīng)時間要小許多。

圖9 無功電流參考值的階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Step response waveforms of reactive current reference

此外，vdcMax、vdcMin和vdcAve波形都沒有出現(xiàn)振蕩發(fā)散和越過限值等現(xiàn)象，說明H 橋直流電壓的均壓和穩(wěn)壓控制都能正常工作。

3.2.2 等值電源電壓幅值躍變

圖10給出圖8中等值電源幅值Vs的階躍響應(yīng)曲線。在1.0 s 時刻，幅值Vs由1.0 p.u.瞬間跌到0.5 p.u.，相應(yīng)地，VH由1.0 p.u.跌到0.534 p.u.。與圖5 的同步調(diào)相機結(jié)果相比，下跌得更多，這是由于STATCOM 過載能力相對較弱，所提供的無功功率較小造成的。電壓幅值的階躍響應(yīng)時間約為22.6 ms，比同步調(diào)相機圖5 的3.540 s（穩(wěn)態(tài)值的對應(yīng)值）要小許多，但比同步調(diào)相機圖6 的14 ms（瞬態(tài)響應(yīng)時間的對應(yīng)值）略大些。除在3.2.1 中提到的輸出電流跟蹤參考電流需要1.0 ms～2.0 ms 時間之外，參考電流Iqref本身也有相應(yīng)的響應(yīng)時間，即圖10 中所示的4.7 ms。這是因為在實際工程中，通常采用電網(wǎng)電壓有效值進行判斷［6］，盡管VH能瞬時突降，有效值VH變化則要慢不少。

圖10 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.10 Step response waveforms of voltage amplitude

在此需要補充的是，與同步調(diào)相機圖6 結(jié)果相比，可以認為圖10 輸出電流ia是沒有直流分量的，這對升壓變壓器是有利的。

文獻［31］采用電流來表征STATCOM 響應(yīng)時間，大小為15.8 ms，換算成用無功功率來表征響應(yīng)時間，大小約為31.7 ms。比本文前面的22.6 ms還要大些的原因有兩個，一是文獻［31］中STATCOM 對電流指令的上升率做了限制，二是控制器的延時略大。文獻［31］代表了2012 年STATCOM 的技術(shù)水平。當前，數(shù)字信號處理器的處理能力和處理速度比2012 年都有大幅提升，控制器延時能大幅減小。正如本仿真算例所示，控制策略改進讓STATCOM 不再需要對電流指令上升率等進行限制?？傊凑宅F(xiàn)有技術(shù)水平，STATCOM 應(yīng)能達到本仿真算例的響應(yīng)時間。

如采用電網(wǎng)電壓瞬時值進行判斷，且約定相應(yīng)的判斷延時為0.5 ms 時，圖11 給出對應(yīng)的等值電源電壓幅值階躍響應(yīng)曲線。無功電流參考值Iqref上升時間顯著減少，從而使電壓幅值的階躍響應(yīng)時間由之前的22.6 ms 減小到20.2 ms，不過，仍然比同步調(diào)相機圖6 的14 ms（瞬態(tài)響應(yīng)時間的對應(yīng)值）要略大些。同樣，電流的快速變化也帶來電壓vHa和va波形畸變的問題。

圖11 電壓幅值的階躍響應(yīng)曲線Fig.11 Step response waveforms of voltage amplitude

3.2.3 等值電源電壓相角躍變

圖12 給出圖8 中等值電源vs相角θ的階躍響應(yīng)曲線。在1.0 s 時刻，VS相角θ瞬間躍變90 °，a相電壓vHa和va波形有明顯突變，a相電壓有效值VHa也有明顯波動，相應(yīng)波動的峰峰值達0.161 p.u.，但比圖7同步調(diào)相機VHa的0.235 p.u.還是要小些。與圖7 結(jié)果相比較，STATCOM 有功功率和無功功率的波動完全可以忽略不計。圖12中ω是STATCOM鎖相環(huán)估計出的角速度，最大值達1.243 p.u.，比圖7 同步調(diào)相機轉(zhuǎn)子角速度的最大值1.045 p.u.要大不少?？梢?，盡管STATCOM 鎖相環(huán)估計的頻率也是劇烈變化的，但由于STATCOM 無功電流參考值Iqref沒有隨之劇烈變化，輸出的有功功率和無功功率也就沒有劇烈變化。從無功功率補償?shù)慕嵌龋@是有利電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的。

圖12 電壓相角的階躍響應(yīng)曲線Fig.12 Step response waveforms of voltage phase angle

4 同步調(diào)相機和STATCOM的比較和分析

表1 總結(jié)同步調(diào)相機和STATCOM 的比較結(jié)果。

表1 同步調(diào)相機和STATCOM 的比較Tab.1 Comparison between the synchronous condenser and the STATCOM

對于參考值階躍，同步調(diào)相機端電壓參考值Vref階躍響應(yīng)時間至少為數(shù)百毫秒。STATCOM 無功電流參考值階躍響應(yīng)時間僅為19.2 ms，明顯優(yōu)于同步調(diào)相機。

對于電網(wǎng)電壓幅值由1.0 p.u.瞬時跌到0.5 p.u.這一工況，按穩(wěn)態(tài)值計算時，受勵磁系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的不利影響，同步調(diào)相機階躍時間要大許多，基本上都在1.0 s 以上，引入瞬態(tài)響應(yīng)時間這一新概念后，同步調(diào)相機瞬態(tài)階躍響應(yīng)時間約為14 ms，確實比較小。采用有效值進行電網(wǎng)電壓躍變判斷時，STATCOM 響應(yīng)時間大致為22.6 ms，改為電壓瞬時值進行判斷時，響應(yīng)時間大致能做到20 ms 左右，仍比同步調(diào)相機瞬態(tài)階躍時間要大6.0 ms 左右。如再充分利用裝置的過載能力，讓STATCOM 輸出電流在電壓瞬時跌落后的半個工頻周波內(nèi)略大些，計算得到的響應(yīng)時間還能再小些。

對于電網(wǎng)電壓相角階躍，同步調(diào)相機出現(xiàn)幅度較大的振蕩，對電網(wǎng)電壓暫態(tài)控制應(yīng)該是不利的，與之相反，STATCOM 有功功率、無功功率等幾乎沒有變化，有利于電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文約定階躍響應(yīng)時間的定義及其計算方法，統(tǒng)一了比較基準并消除了高頻振蕩等不利影響。通過簡化的、便于驗證的等值系統(tǒng)降低實際應(yīng)用中諸多因素交叉影響的錯綜復(fù)雜性，并從參考值階躍、等值電源的幅值階躍和相角階躍這3 個維度較為詳細地比較了同步調(diào)相機和STATCOM 裝置自身的階躍響應(yīng)特性。結(jié)果表明：同步調(diào)相機僅在電網(wǎng)電壓幅值階躍時，瞬態(tài)響應(yīng)時間才略優(yōu)于STATCOM。