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简析动态无功补偿装置STATCOM的动态无功储备

2017-08-11 10:23:46来源:广东电力 作者:辛拓、王延纬、孙吉波浏览:评论:0

  今天带给大家的是来自广东电网有限责任公司电力调度控制中心有关团队的研究成果:STATCOM动态无功储备及其影响因素分析。STATCOM是一种连续可调的动态无功补偿装置,相比其他无功补偿设备其响应速度更快(小于20ms),调节范围更宽(可发出容性和感性无功),是目前世界上最先进的动态无功补偿设备。

  1、研究背景

  为提高广东电网的动态无功支撑能力,在500kV东莞变电站、水乡变电站、北郊变电站、木棉变电站分别加装了±200Mvar的链式静止同步补偿器

  (staticsynonouscompensator,STATCOM)(其暂态过负荷能力为300Mvar)。其中,水乡变电站STATCOM是我国目前容量最大、直挂电压等级最高、串联级数最多(27个阀单元)的STATCOM。

  STATCOM是一种连续可调的动态无功补偿装置,相比其他无功补偿设备其响应速度更快(小于20ms),调节范围更宽(可发出容性和感性无功),是目前世界上最先进的动态无功补偿设备。具有快速响应特性的STATCOM通过检测电网电压瞬时变化情况,迅速调出无功,从而达到及时控制系统电压的目的,为受端电网提供快速动态无功支撑,改变了广东电网多回直流换相失败后的电压恢复特性。目前动态无功储备的定义与评估仍有模糊和分歧,且多针对发电机等传统动态无功源,并未考虑STATCOM等新兴装置的暂态动作特性。面对复杂多变的电网运行状态,如何评估STATCOM的动态无功储备,并确保其储备容量在暂态过程中按需释放,给予系统最大程度的动态无功支撑,让新技术在大电网运行中“水土相符”,是当前电网运行面临的新课题。

  2、主要研究内容

  2.1STATCOM动态无功储备的概念

  动态无功储备的目的是保证系统有足够无功储备以支撑故障过程中及故障切除后的系统电压,维持系统电压稳定。不同故障下,系统对应的无功储备释放能力不同。

  传统上,将STATCOM装置的最大无功出力与当前稳态无功出力的差值定义为STATCOM装置的动态无功储备。

  实际运行中,受STATCOM装置能力、故障类型、短路点远近等因素制约,即使STATCOM装置拥有足量无功储备,也存在部分容量无法完全释放的现象。传统评价STATCOM无功储备的方法已不适用。图1为STATCOM动态无功储备的三维有效性概念示意图。受装置级、系统级因素的影响,电网遭受扰动时,需要格外关注STATCOM暂态响应的有效性、方向性和延续性。

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  图1STATCOM动态无功储备的三维有效性

  STATCOM动态无功储备有效性的概念为在各种故障形式下,STATCOM能发挥作用的无功储备。与之相对的是无效动态无功储备,即系统在遭受扰动时,STATCOM没有调用的无功储备。进一步,当STATCOM在暂态响应期间发出容性无功则为正向有效动态无功储备,反之为负向有效动态无功储备。延续性的概念是指在故障过程中及切除后,STATCOM装置均保持无功输出,而不是保护动作闭锁无功输出。

  2.2STATCOM动态无功储备影响因素

  2.2.1系统级影响因素

  实际运行中,受装置暂态控制策略、网架拓扑结构、开机方式、负荷水平、容抗器投入、故障类型等因素的影响,STATCOM的动态无功储备是动态变化的。一般地,系统故障后,电压下降、负荷无功骤增、充电功率及离散无功补偿无功骤降,故STATCOM动态无功储备方向多为容性。图2为STATCOM输出最大容量随控制母线电压变化曲线。

  X轴表示STATCOM控制母线电压(标幺值);Y轴表示STATCOM输出最大容量,Mvar。

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  图2STATCOM容量–电压释放特性

  由图2可以看出:

  a)当系统发生近端故障时(电网电压小于0.5),STATCOM由电压控制变为零无功控制;当电网电压大于0.5时(认为故障切除,电压开始恢复),立即恢复电压控制,加速电网电压的恢复。

  b)当系统发生远端故障时(电网电压大于0.5小于0.9),STATCOM放开±300Mvar暂态无功输出限幅,最大能力地释放动态无功储备。

  c)当系统电压恢复到0.9~1.1,并持续100ms,STATCOM无功限幅逐渐减小至±40Mvar稳态输出限幅,开始进行无功储备。

  可见,故障点距离STATCOM电气距离远,且故障类型不接地,受控母线电压跌落幅度小、速率慢,STATCOM不易进入暂态模式。针对此类“远端不接地”故障集的STATCOM动态无功储备有限,±300Mvar的装置最大容量不易释放。相反地,若STATCOM近区发生故障,受控母线电压跌落幅度大、速率快,STATCOM易进入暂态模式,瞬间调出±300Mvar最大无功储备。

  由上述分析可知,系统遭受扰动下的受控母线电压跌落特性是决定STATCOM有效动态无功储备的关键因素。但是,大电网的故障形式多样,不同故障集对应的电压跌落特性也各有不同,故认为这部分影响因素为不可控部分。

  2.2.2装置级影响因素

  STATCOM装置在异常工况尤其是三相电压不平衡时的运行区域是决定STATCOM稳定运行的根本性因素。受控母线电压严重突降或电压三相不平衡都有可能导致STATCOM装置本体直流侧电容过压或环内阀组过流,进而装置闭锁,退出运行。STATCOM在稳、暂态模式切换过程中发生的过流和超调是在装置控制器参数设定过程中需要格外注意的问题。制约STATCOM有效动态无功因素归纳结果如图3所示。

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  图3STATCOM无功释放制约因素

  3、结论

  a)由于电网发生电压崩溃的主要原因是缺乏容性动态无功、电压跌落,因此大多数场合STATCOM的动态无功储备方向应为容性。

  b)为留出尽可能多的动态无功储备,一般需要投入站内并联电容器组,该类设备在电压跌落时输出无功按平方关系递减。因此,在有条件的场合,稳态时应尽可能把变电站母线电压调到较高的水平。

  c)优化控制器参数,减小稳态模式切换到暂态模式时的过渡过程的过流和超调。

  d)STATCOM应针对非对称工况设计合理的电流控制策略,防止由于电网电压不平衡引起装置过流及闭锁。

 

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