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大容量分布式STATCOM对南方电网交直流系统影响的实时仿真研究

第40卷第8期:2586-2592 高电压技术V ol.40, No.8: 2586-2592 2014年8月31日High V oltage Engineering August 31, 2014 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.08.045

大容量分布式STATCOM对南方电网交直流系统

影响的实时仿真研究

郭郓闻,张建设,胡云,韩伟强,廖梦君

(南方电网科学研究院,广州510080)

摘 要:为了2013年南方电网北郊、木棉、水乡STATCOM一期工程投产需要,进行了STATCOM对系统影响的专题研究。基于RTDS实时仿真软件建立了南方电网STATCOM试验研究系统模型,采用大扰动下暂态稳定时域仿真分析了多套STATCOM对故障时暂态期间电压恢复以及(特)高压直流功率恢复的影响。研究表明,多套STATCOM的投入对直流系统逆变站换流母线电压、严重故障下直流长期换相失败的持续时间以及直流功率恢复有明显改善,且母线接地短路开关拒动等严重故障下的改善效果更加明显,而对故障瞬间发生的换相失败改善效果不明显。

关键词:STATCOM;220 kV及以上交直流电网系统;RTDS仿真;换相失败;母线电压支撑;直流功率恢复

Real-time Simulation Analysis of the Impacts of Distributed Large-capacity STATCOM

on AC/DC Parallel System in China Southern Power Grid

GUO Yunwen, ZHANG Jianshe, HU Yun, HAN Weiqiang, LIAO Mengjun

(Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

Abstract:In need of preparing Beijiao, Mumian and Shuixiang STATCOM first-stage projects in China Southern Power Grid in 2013 for operation, we studied the effect of STATCOM on power system, and established a model of the STATCOM in the RTDS real-time simulation system to analyze the influences of multi-STATCOM on voltage recov-ery and (U) HVDC power fault recovery. The results show that the system operating with multi-STATCOM greatly improves in the bus voltage recovery of inverter stations, decreasing the commutation failure duration under serious failure, and improves the DC power recovery. The improvement is obvious for some fault conditions such as circuit breaker rejection fault, but quite limited for commutation failure conditions at the fault moments.

Key words:STATCOM; AC/DC network above 220 kV; RTDS simulation; commutation failure; bus voltage support;

HVDC power recovery

0引言

南方电网拥有着输电密集的“八交五直”共13条500 kV及以上输电通道,东莞[1]、北郊、水乡及木棉的多个静止同步补偿器(static synchronous compensator, STATCOM)工程相继投产,使得ms级响应时间的直流系统和STACOM系统强暂态及其相互影响动态特性更趋复杂。随着电网规模不断扩大,受端电网一旦发生交流系统故障,容易引起多回直流系统同时发生换相失败[2,11],严重时甚至会

———————

基金资助项目:国家高技术研究发展计划(863计划) (2012AA050201)。Project supported by National High-tech Research and Development of China (863 Program) (2012AA050201).导致多回直流系统同时闭锁。

STATCOM是一种理想的、灵活可控、可自动调节、响应迅速的无功补偿装置。其补偿容量可以根据系统电压的变化快速连续地自动调节,既解决了投切电容器的投切时刻选择、投切容量分级等确定,避免了补偿无功注入对系统的冲击,又可以保证在系统电压降低的情况下提供较大无功[4]。与同样可以为系统提供无功支持的静止无功补偿器(static var compensator, SVC)相比,STATCOM具有响应速度快以及故障导致系统电压跌落时输出无功稳定等特点。

动态电力系统分析的基本方法主要有电力系统大扰动下暂态稳定分析时域仿真法、暂态能量函

郭郓闻,张建设,胡云,等:大容量分布式STATCOM对南方电网交直流系统影响的实时仿真研究 2587

数法和电力系统在小扰动下的静态稳定、动态稳定分析方法等[3]。考虑到STATCOM无功电流响应时间约20 ms,且STATCOM在动态或者暂态状态下按照系统稳定性要求,可调节无功功率量以提高稳定极限或者抑制某个方式的振荡[4],本文采用大扰动下暂态稳定时域仿真对比分析法[5],利用RTDS 实时数字仿真系统分别研究在有无STATCOM情况下,直流落点附近的交流系统发生故障时电网电压的跌落以及对直流系统功率恢复特性,分析多STATCOM投入对南方电网交直流系统特性的影响。

1 STATCOM动态无功补偿原理分析

STATCOM将自换相桥式变流电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当调节交流侧输出电压的相位和幅值,或者直接控制交流侧电流,使得该电路吸收或者发生满足要求的无功电流或电压,实现动态无功功率补偿。

不计电抗器和变流器损耗,电网和STATCOM 输出的交流电压分别用相量U s和U statcom表示,连接在电抗X上的电压U L即为U s和U statcom的相量差,而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的[8],见图1,图中I表示电流。改变STATCOM交流侧输出电压的幅值及其相对U s的相位,就可以改变连接电抗上的电压,从而控制STATCOM从电网吸收的电流和幅值,即STATCOM吸收无功功率的性质和大小。

图2显示了STATCOM分别吸收容性无功即电流超前(图2(a))和吸收感性无功即电流滞后(图2(b)的工作原理相量图。当U statcom>U s时,电流超前电压90°,STATCOM吸收容性无功功率;当U statcom

2 南方电网RTDS仿真模型

2.1 南方电网大系统RTDS仿真模型

RTDS是目前电力系统广泛应用的实时仿真手段,与其他实时仿真工具相比,RTDS在实际电力系统工程应用较多,南方电网仿真实验室建立的220 kV及以上RTDS仿真系统在系统研究、工程应用以及设备检验等方面都取得了突出的成绩。电网仿真实验室承担南方电网STATCOM一期推广工程RTDS建模、功能和性能试验及其系统影响专题研究工作,系统影响专题研究是检验多

图1 STATCOM原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of STATCOM

图2 STATCOM工作原理矢量图

Fig.2 STA TCOM operating vector diagram

STATCOM能否发挥电压支撑集群效应的关键内容。

南方电网仿真实验室具有目前南网全部直流实际控制保护系统,具有33个Rack的世界最大规模RTDS仿真系统。南方电网220 kV及以上系统实时仿真模型与实际直流控制保护装置、STATCOM 控制保护装置相连,形成闭环实时仿真平台,可以实时精确模拟出南方电网220 kV及以上电网系统的电磁暂态特性和直流控制保护特性,可以真实地保留原始电网的固有特性[9-10]。区别于机电暂态仿真工具(例如BPA)不能进行STATCOM精确建模、离线电磁暂态仿真工具(例如EMTDC)不能接入STATCOM实际控制保护装置,该仿真平台在STATCOM一、二次系统以及大电网特性仿真精度方面更具优势。RTDS仿真模型示意图如图3所示。

此次仿真试验采用的模型是南方电网2013年丰大方式模型,包含南方电网现有的5回直流,其中云广直流、兴安直流和天广直流的控制保护系统采用实际装置,三广直流和高肇直流控制保护系统采用RTDS软件模型。同时该模型包含南方电网目前所有的4套STATCOM系统,其中500 kV木棉站、东莞站STATCOM采用实际控制保护装置,北

2588 高电压技术 2014,

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郊站和水乡站采用RTDS软件控制保护系统。图4为南方电网220 kV及以上系统建模示意图,图中包含了南方电网的5回直流、4套STATCOM,实心节点表示试验故障点的位置。模型占用30个RTDS 硬件处理单元(RACK),规模庞大、直流系统和STATCOM控制保护系统完善,可以更加真实地模拟电网的动态特性。

2.2 STATCOM软件控制RTDS模型

STATCOM 的RTDS仿真模型采用RTDS小步长技术多换流链模型[12-14],阀组单元模型为全桥结构,每相由3组阀组单元链串联而成,阀组单元链的RTDS模型如图5所示。图中R和L分别是STATCOM交流侧线路电阻和电抗器。STATCOM 三相阀组单元为三角形接线方式,每相链式阀组模型单独置于一个小步长模块中并通过小步长虚拟线路相连接,最后STATCOM通过专用变并入电网系统,如图6所示,图中L35、C35分别是变电站35 kV 侧无功补偿电感和电容,L t、C t分别是在做STATCOM试验时扰动测试的无功装置电感和电容。

STATCOM软件控制RTDS模型的稳态控制系统包括控制模式选择单元、主控制逻辑单元、定电压控制模块、定无功控制模块、直流侧电容电压平衡控制单元及暂态控制单元[15-16],可以有效地在系统发生故障时打开无功限幅对系统提供支撑。保护系统与实际装置基本相同,包括了交流低压保护单元、交流过压保护单元、交流过流保护单元,可以有效避免故障对STATCOM内部元件造成的破坏。

STATCOM软件控制RTDS模型已经与实际装置做过比对试验,试验结果显示STATCOM输出的无功电流、无功功率等动态响应与实际装置输出基本一致,可以真实体现STATCOM的基本运行特性。

3 仿真结果与分析

3.1 故障设置

本文研究了故障下多STATCOM无功功率以及

图3 南方电网RTDS仿真模型示意图

Fig.3 Schematic diagram of RTDS model of China

Southern Grid

图4 南方电网220 kV及以上系统示意图

Fig.4 Schematic diagram of network with voltage above 220 kV in CSG

郭郓闻,张建设,胡云,等:大容量分布式STATCOM对南方电网交直流系统影响的实时仿真研究 2589

图5 STATCOM阀组单元链RTDS模型图Fig.5 RTDS model of STATCOM valve chain unit

图6 STATCOM并网RTDS模型图

Fig.6 RTDS model of STATCOM connected to the grid 电流响应特性和多STATCOM对直流受端换流站母线电压、直流功率以及换相失败等的影响。故障设置均在靠近直流系统逆变站的500 kV站点,具体设置如表1所示。

故障类型包含了实际中最频繁发生的单相瞬时金属性接地故障和单相瞬时经过渡电阻接地故障,也研究了变压器跳闸、开关拒动、主保护拒动和直流闭锁等严重故障。

3.2 多STATCOM对交直流系统影响仿真分析

试验结果显示STATCOM对于长时间故障的恢复能力比瞬时性故障较明显,下面通过肇庆开关拒动故障的直流功率比对图和换流站电压比对图进行分析。

图7和图8分别显示了肇庆开关拒动故障发生时刻北郊STATCOM环内电流的响应波形和无功功率的波形。暂态期间无功最大输出达392.2 MV A,电流响应时间约为21 ms。在故障发生期间,STATCOM适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,直接控制交流侧电流,发出满足系统要求的无功,无功的响应速度达ms级,能够动态补偿快速变化的瞬时无功功率。

图9和图10分别显示了500 kV肇庆—砚都甲线(肇庆侧)A相金属性接地砚都侧开关拒动故障北郊站电压比对和云广直流功率比对。图中可以明显看出故障发生后北郊站电压的跌落程度有STATCOM投入(虚线)比无STATCOM(实线)有所缓解。同样,直流功率在有STATCOM的情况下有明显的提升,可以更短时间内恢复稳态时的功率水平。试验结果显示STATCOM对长时间故障时的换流母线电压恢复和直流功率的恢复更加突出,例如开关拒动故障和主保护拒动故障比单相瞬时性故障的换流母线电压和直流功率曲线比对图更加明显。主要

表1 故障设置

Table 1 Faults setting

序号故障类型故障点故障描述

1 单瞬穗东—增城500 kV穗增乙线(距离增城17.6%处)C相电阻接地(5 ?)瞬时短路故障,持续时间100 ms,故障后60 ms穗增乙线两端单相跳开。

2 单瞬穗东—水乡500 kV穗水甲线(距离穗东14 km处)A相电阻接地(5 ?)瞬时短路故障,持续时间100 ms,故障后40 ms穗水甲线两端单相跳开。

3 变压器

跳闸

增城主变 500

kV增城3号主变C相金属性故障,主变三侧开关跳闸,0.1 s切除故障。

4 单瞬北郊—增城500 kV北郊增城甲线A相(北郊侧)金属性接地故障,持续时间100 ms,故障后80 ms北郊增城甲线两端单相跳开

5 开关拒动肇庆—砚都500 kV肇庆砚都甲线A相(肇庆侧)金属性接地砚都侧开关拒动故障,故障后100 ms肇庆砚都甲线肇庆侧开关单相跳开,砚都侧开关拒动。故障后350 ms线路两端开关三相跳开。

6 主保护

拒动

肇庆—砚都

500 kV肇庆砚都甲线A相(肇庆侧)金属性接地砚都侧主保护拒动故障,故障后100 ms肇庆砚都甲

线肇庆侧开关单相跳开,砚都侧主保护拒动。故障后700 ms线路两端开关三相跳开。

7 直流闭锁兴安直流兴安直流线路金属性双极接地故障,兴安直流双极闭锁。

2590 高电压技术 2014,

40(8)

图7 肇庆—砚都开关拒动故障北郊STA TCOM电流波形Fig.7 Current waveforms of Beijiao STA TCOM when

Zhaoqing-Yandu circuit breaker rejection fault happened

图8 肇庆—砚都开关拒动故障北郊STA TCOM无功波形Fig.8 Reactive power waveforms of Beijiao STA TCOM when Zhaoqing-Yandu circuit breaker rejection fault happened

原因取决于STATCOM控制的响应速度,STATCOM 无功输出的响应时间决定了在故障情况下其对电压的支撑能力和功率恢复能力。从试验结果得出,STATCOM可以显著提高受端系统的交流电压,同时减小故障导致的直流功率跌落并改善直流功率的恢复时间。

本文也研究了STA TCOM对于直流换相失败的影响,表2显示了500 kV穗增乙线C相电阻接地(5 ?)瞬时短路故障换相失败情况,表3显示了500 kV肇庆—砚都甲线(肇庆侧)A相金属性接地砚都侧开关拒动故障换相失败情况。依据阀电流是否换相来判断是否发生换相失败。可见,系统投入STA TCOM后换相失败持续时间没有较大改善(除天广直流外),但后续换相失败时间平均缩短6 ms。试验结果发现换相失败一般发生于故障产生的瞬间而持续时间一般<0.1 s, STA TCOM无功输出的响应时间约0.1~0.2 s。因此STA TCOM对换相失败并无明显改善,但是后续换相失败发生时STA TCOM无功已经响应,因此STA TCOM投入后后续换相失败的持续时间有所减少。但对于长时间故障,STA TCOM可对长期换相失败的持续时间有所缓解。

图9 肇庆—砚都开关拒动故障北郊站电压比对

Fig.9 V oltage comparison of BeiJiao Station Bus when

Zhaoqing-Yandu circuit breaker rejection fault happened

图10 肇庆—砚都开关拒动故障云广直流功率比对Fig.10 DC power comparison of Y unguang HVDC project when Zhaoqing-Yandu circuit breaker rejection fault happened

从试验结果看出,STATCOM对于连接点附近的换流站母线电压以及相近的直流功率在暂态期间有所改善,对直流故障瞬间的换相失败支撑作用不大,但是对于长时间换相失败的持续时间可以改善。

4 结论

1)本文首次提出将STATCOM硬件保护装置与软件控制模型相结合,并在南方电网大系统背景下第1次开展多套STATCOM投入对电网交直流系统特性影响的试验研究。分析了多STATCOM对故障时电压和直流功率恢复以及换相失败的影响,结果表明所提出的多STATCOM实时仿真试验技术与控制策略优化是有效的。

2)STATCOM可以在故障发生后的系统暂态恢复过程中对南方电网直流功率、换流母线电压有一定的支撑作用。STATCOM可以对长时间严重故障下的的长期换相失败有所缓解。

3)后续将会开展的研究工作主要包括南方电网受端系统拥有的多套STATCOM之间的协同作用以及协调控制多STATCOM对交直流系统的影响以及提高STATCOM的可靠性。

郭郓闻,张建设,胡云,等:大容量分布式STATCOM对南方电网交直流系统影响的实时仿真研究 2591 表2 500 kV穗东—增城乙线C相电阻接地(5 ?)瞬时短路故障换相失败持续时间

Table 2 Commutation failure duration time of instantaneous resistive-grounded short circuit of (5 ?) C phase in 500 kV

Shuidong-Zengcheng Yi line

ms

阀组

云广直流兴安直流高肇直流天广直流三广直流无

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

极1Y①高 92

低 91

高 91

低 91

22 12 无无 72 31 无无

极1D①高 92

低 93

高 92

低 91

12 无无无 97 88 12 12

极2Y 高 91

低 90

高91

低90

无 12 无无 34 30 无无

极2D 高 93

低 93

高 91

低 90

无无无无 93 89 12 12

注:①Y表示换流变星接阀组,D表示换流变角接阀组

表3 500 kV肇庆砚都甲线(肇庆侧)A相金属性接地砚都侧开关拒动故障换相失败及后续换相失败持续时间

Table 3 Commutation failure status for fault 5

ms

阀组

云广直流兴安直流高肇直流天广直流三广直流无

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

STATCOM

极1Y 高67

低68

高67

低68

11 11 78,62 75,58 83 82 12 12

极1D 高72

低69

高71

低70

12 12 82 80 92 40 无无

极2 Y 高69

低69

高70

低69

12 21 81,59 76,56 40 18 12 12

极2D 高 71

低70

高70

低70

12 12 82 80 94 76 无无参考文献 References

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GUO Yunwen

郭郓闻

1988—,女,硕士,工程师

主要从事电力系统实时仿真分析、柔性输电技术

及RTDS仿真应用方面的研究工作

E-mail: guoyw@https://www.wendangku.net/doc/0f1529913.html,

ZHANG Jianshe

Ph.D., Professor

张建设

1979—,男,博士,教授级高工,南方电网公司

技术专家

主要从事交直流电网仿真与控制技术方面的研究

工作

E-mail: zhangjs@https://www.wendangku.net/doc/0f1529913.html,

HU Yun

胡云

1983—,男,硕士,工程师

主要从事电力系统数字仿真试验与控制保护技术

研究

E-mail: huyun@https://www.wendangku.net/doc/0f1529913.html,

收稿日期 2014-03-18修回日期 2014-05-23编辑 左文霞

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