广东电网有限责任公司东莞供电局
摘要：静止无功补偿器（STATCOM）在提高电网系统电压稳定性中发挥着重要作用。广东地区某500kV变电站加装的35kV/±200MVar STATCOM装置，是无功补偿设备在负荷中心的典型应用，对电网起到暂态电压支撑作用。当电网电压跌落或者电压波动突变量启动，故障录波系统将记录电网的状况。由于波形属于数据文件，每次都需要人工转化为STATCOM响应分析报告,分析精度不足，效率较低。本文结合南方电网某变电站STATCOM工程，对暂态响应关键参数进行分析，提出一种基于PSCAD/EMTDC仿真的STATCOM暂态响应分析方法，利用仿真模型和程序对STATCOM暂态响应关键参数进行分析处理，有效提高数据分析精度，提升暂态响应全过程智能分析水平。
关键词：STATCOM；PSCAD仿真；暂态响应分析；故障录波
0引言
目前广东电网主要呈现交直流混合并联运行、西电通道输送功率大、强直弱交、直流落点密集等特点，系统电压稳定性不足的问题比较突出。针对上述问题，南方电网公司提出了在珠江三角洲地区受端电网应用链式静止补偿器（STATCOM） 装置进行动态无功补偿，以增强系统电压稳定性。广东地区某500kV变电站加装的35kV/±200MVar STATCOM装置，是无功补偿设备在负荷中心的典型应用，对电网起到暂态电压支撑作用。当电网电压跌落或者电压波动突变量启动，故障录波系统将记录电网的状况。根据STATCOM运维要求，运维人员需要时刻监视STATCOM装置的故障响应情况。目前只能通过录波软件查看故障发生时的录波文件，人工分析故障时STATCOM的动作情况，包括故障时的电压跌落、故障持续时间、暂态响应时间、进入暂态条件等参数。由于波形属于数据文件，人工转化为STATCOM响应分析报告，分析精度不足，效率较低。本文结合南方电网某变电站STATCOM工程，对暂态响应关键参数进行分析，提出一种基于PSCAD/EMTDC仿真的STATCOM暂态响应分析方法，利用仿真模型和程序对STATCOM暂态响应关键参数进行分析处理，有效提高数据分析精度，提升暂态响应全过程智能分析水平。
1 STATCOM暂态响应过程参数
1.1 STATCOM控制模式
针对南方电网的特点， STATCOM的控制方式分为如下五种模式：1）人工干预模式；2）暂态电压控制模式；3）远方控制模式；4）阻尼控制模式；5）稳态调压模式。本文分析的STATCOM装置主要采用暂态电压控制模式和稳态调压模式。稳态调压模式下装置根据系统的电压变化而进行自动调节，是一种稳态控制模式。暂态电压控制模式，主要针对系统发生接地故障，系统电压发生快速大幅度跌落。稳态模式下，STATCOM输出无功限制在容性40MVar到感性40MVar，暂态模式下，STATCOM为全容量输出，可输出容性200MVar到感性200MVar无功。
1.2 STATCOM暂态响应条件
当系统满足下面的任意一个条件，并且持续大于进入暂态的设置时间5ms，则系统进入暂态。（1）（2）（3）（4）（5）（6）为由电压波动引起的暂态，(7)(8)(9) 为由Du/Dt引起的暂态。
①系统电压Uab小于设定的设定进入暂态的电压低数值209kV
②系统电压Uab大于设定的设定进入暂态的电压低数值252kV
③系统电压Ubc小于设定的设定进入暂态的电压低数值209kV
④系统电压Ubc大于设定的设定进入暂态的电压低数值252kV
⑤系统电压Uca小于设定的设定进入暂态的电压低数值209kV
⑥系统电压Uca大于设定的设定进入暂态的电压低数值252kV
⑦系统电压Uab相邻两次采集(1mS)的电压的差值大于1.1kV参考电压
⑧系统电压Ubc相邻两次采集(1mS)的电压的差值大于1.1kV参考电压
⑨系统电压Uca相邻两次采集(1mS)的电压的差值大于1.1kV参考电压
1.3 STATCOM响应时间
STATCOM实际输出90%设定无功的时间≤10ms，从系统电压跌落到发出设定无功的时间≤16ms。
2 暂态响应传统分析
广东地区某500kV变电站加装的35kV/±200MVar STATCOM配置一套故障录波装置，通过导出故障录波文件，利用故障录波分析软件，可查看故障过程电流电压波形及开关量波形。故障录波装置可实时监视500kV、220kV、35kV母线电压，35kV、220kV侧电流以及各测开关量。故障录波文件可记录故障过程中的电压跌落和恢复过程，记录电流实时变化过程。通过波形功率分析工具，可人工分析故障时无功变化过程。2018年06月07日13时28分57秒电网系统发生故障，造成220kV母线电压降低。STATCOM正常动作，为电网补充无功功率，提供支撑电压。下面以此次电网故障为例进行传统暂态响应过程分析。
2.1 故障时220kV电压变化分析
故障过程中，220kV电压情况如下：在13时28分57秒时刻发生三相电压跌落，其中B相二次电压有效值从60.02V（母线一次线电压有效值228.7kV）跌落至55.418V（母线一次线电压有效值211.2kV），下降约为0.077pu。故障持续时间约70.8ms，故障过后三相电压逐步恢复正常。如图1、图2所示。
2.2 STATCOM输出最大无功
STATCOM由#8主变专供， #8主变故障录波器录得波形如图3所示。#8主变的低压侧电流互感器(CT）的变比为4000:1，电压互感器（PT）的变比为350:1，根据主变变低电压通道和变低电流通道可模拟无功通道。根据图中无功功率曲线，人工判断STATCOM输出最大无功为154.499Var，因而#8主变变低三相无功功率总和在峰值时刻约为154.499×4000×350=216.3MVar。
2.3 STATCOM响应时间
STATCOM检测到满足输出无功暂态响应的条件后，进入响应暂态模式，输出最大无功功率216.3MVar。此次STATCOM响应电网故障输出无功迅速达到最大值，当电压恢复后逐渐减小无功输出。根据录波图无功曲线，找到90%额定无功功率，人工测得其从故障开始至输出90%额定无功功率的时间，即响应时间约为24.2ms。如图4所示。
3暂态响应仿真分析
3.1 仿真模型
EMTDC是一个新型电磁暂态计算程序，它具有精确的元件模型，方便的数据输入方式及强大的分析功能，是系统分析和工程研究的有力工具。PSCAD使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能，从而方便地使用EMTDC进行大型电力系统电路的仿真计算。仿真模型如图5、图6所示。
3.2 仿真分析
通过文件转换软件将录波文件中电流电压数据转换成txt格式，通过PSCAD读取为可用数据。根据进入暂态的条件，通过逻辑原件搭建模型，对转换后的txt数据进行分析处理。
2014年03月30日10时32分58秒电网系统发生A相跳闸并重合成功，造成电网的A相发生跌落， STATCOM正常动作，为电网补充无功功率，提供支撑电压。下面以此次电网故障为例进行暂态响应过程仿真分析。
STATCOM判断进入暂态可有2个条件，满足其中之一均可进入暂态：
a.母线线电压瞬时值跌落至小于209kV，或者母线线电压瞬时值越限至大于252kV。
b.母线线电压变化率du/dt差值大于1.1kV且保持5ms。
针对故障中的电压跌落数据进行条件a仿真比较，母线线电压跌落后均大于209kV，不满足暂态判别条件，因而条件不满足不能进入暂态。如图7所示。
针对故障中的电压变化率du/dt差值数据进行条件b仿真比较，当条件满足du/dt差值大于1.1kV时将一个临时变量设置为3。如图8所示。
图9为图8某一部分的放大。左侧黄色箭头部分标示为220kV母线线电压Du/Dt变化率引起进入暂态，则将临时变量设置为3，从左侧箭头到右侧箭头持续时间大于5mS，满足进入暂态条件。从图9可以看出，临时变量被设置为3的时刻有多次，但是持续时间不够5ms，因而故障时刻没有立刻启动进入暂态，而在故障过后一段时间后临时变量被设置为3的情况可以持续5ms，因而STATCOM此时才进入暂态。
3.3 仿真结果
在这次电网故障初期，电压跌落数值没有达到低压进入暂态条件，所有在初期没有进入暂态条件。当电网检测到故障以后，保护动作，母线电压恢复，恢复过程中引起Du/Dt变化进入暂态，STATCOM能成功启动并迅速响应，为电网补充无功，减少电网电压跌落。
4结论
通过暂态响应传统分析和仿真分析两种方式的介绍和对比可知，采用传统录波文件进行人工分析的方法，存在效率低，无法确切判断进入暂态的时间和条件的不足。本文提出的基于PSCAD/EMTDC仿真的STATCOM暂态响应分析方法，利用录波数据，搭建仿真模型，应用仿真程序对STATCOM暂态响应关键参数进行分析处理，可有效提高数据分析精度，为电网故障的暂态响应过程提供详细、精确的过程分。方法简单，可在其他STATCOM应用站点推广应用，提升暂态响应全过程智能分析水平。
参考文献
[1]李春华,黄伟雄,袁志昌,张永康,姜齐荣,王亮.南方电网±200 Mvar链式STATCOM系统控制策略[J].电力系统自动化,2013,37(03):116-121.
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[3]赵晋泉,孙晓明,龚成明,杨志宏.含FACTS元件的电力系统电压稳定评估[J].电力系统自动化,2011,35(16):21-26.
论文作者:陈浩平
论文发表刊物:《中国电业》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/31
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