上海西郊變電站50mvarsacom運(yùn)行策略研究

上海西郊變電站50mvarsacom運(yùn)行策略研究

0上海電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功的解決方案在上海、北京和珠江三角洲，三個(gè)負(fù)荷密集的中國三大負(fù)荷密集的區(qū)域形成。尤其是上海,已經(jīng)成為我國最大的城市電力負(fù)荷中心。2003年上海夏季高峰負(fù)荷已達(dá)到13.6GW以上,超過了13.5GW的預(yù)測值。上海電力公司同時(shí)采取了雙休日錯(cuò)峰、避峰、寶能電爐錯(cuò)峰、限電甚至緊急拉電等措施以確保上海電網(wǎng)的發(fā)用電平衡和安全穩(wěn)定運(yùn)行。而負(fù)荷超出預(yù)計(jì)的增長已經(jīng)成為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的巨大隱患,近年來國外一系列的電壓崩潰事故,以及2003年的歐美大停電更給人們敲響了警鐘。國內(nèi)外研究和實(shí)踐表明,配置一定容量的動(dòng)態(tài)無功,不論對于事故后電壓的恢復(fù),還是負(fù)荷突增帶來的電壓問題,都是必需的。上海電網(wǎng)的黃渡分區(qū),除了小火電12MW外,無電源接入,且今后這里可能將是三峽3GW容量的落點(diǎn),原先共1.1Gvar的靜止調(diào)相機(jī)已經(jīng)退出或行將退役。即將投入運(yùn)行的上海西郊±50Mvar靜止補(bǔ)償器(STATCOM)具有快速提供動(dòng)態(tài)無功的能力,對于維持上海黃渡區(qū)的電壓穩(wěn)定具有積極的實(shí)際意義。本文重點(diǎn)研究了上海西郊±50MvarSTATCOM接入系統(tǒng)的運(yùn)行策略和運(yùn)行方式。1stat改造系統(tǒng)運(yùn)行策略上海西郊±50MvarSTATCOM接入點(diǎn)接線如圖1所示。控制目標(biāo)主要有以下兩個(gè)方面:a.調(diào)節(jié)和維持系統(tǒng)電壓。由于日負(fù)荷的變動(dòng)和電網(wǎng)其他因素的影響,系統(tǒng)電壓會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng),由于STATCOM裝置的自動(dòng)控制和快速響應(yīng)功能,因而在一定范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)和電壓水平的維持。這就要求STATCOM裝置具有充足的無功備用和靈敏的調(diào)節(jié)能力。b.抑制系統(tǒng)暫態(tài)電壓變化,提供電壓支撐。在系統(tǒng)發(fā)生線路故障的情況下,或者系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生突變(上升或者下降)的情況下,系統(tǒng)電壓有可能發(fā)生大幅度且快速的變化,有可能出現(xiàn)負(fù)荷低壓釋放等現(xiàn)象,引起電能質(zhì)量下降,甚至發(fā)生系統(tǒng)的暫態(tài)電壓不穩(wěn)定問題。STATCOM裝置需要發(fā)揮自動(dòng)而且快速的響應(yīng)功能,為系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償,支撐系統(tǒng)電壓,防止更嚴(yán)重的系統(tǒng)事故發(fā)生。這就要求STATCOM裝置具有準(zhǔn)確的故障識別系統(tǒng),合理的運(yùn)行策略和快速的響應(yīng)動(dòng)作,以及充足的動(dòng)態(tài)無功備用。綜合以上兩種情況,上海西郊±50MvarSTATCOM接入系統(tǒng)的運(yùn)行策略需要解決以下幾個(gè)問題:①選取合適的控制點(diǎn);②對系統(tǒng)電壓的變化進(jìn)行快速判斷和識別;③裝置具有足夠靈敏的調(diào)節(jié)能力和最快速的響應(yīng)能力。2正常電壓時(shí)裝置的運(yùn)行策略因?yàn)镾TATCOM用于提供動(dòng)態(tài)無功以支撐系統(tǒng)電壓,控制信號宜采用系統(tǒng)電壓信號。安裝點(diǎn)在西郊變電站14號主變110kV母線側(cè),如果控制電壓取自110kV母線,不能直接反映220kV系統(tǒng)電壓變化,裝置根據(jù)110kV母線的電壓變化提供動(dòng)態(tài)無功,可使14號主變110kV側(cè)電壓更快地恢復(fù)到正常水平,一旦該母線電壓恢復(fù)正常,裝置就不再提供無功,因而對220kV母線電壓的支撐作用被削弱。如果控制電壓取自西郊站220kV母線,則STATCOM根據(jù)220kV母線的電壓變化提供動(dòng)態(tài)無功,對黃渡區(qū)的電壓穩(wěn)定可以發(fā)揮更大作用。在日常電壓水平波動(dòng)的范圍內(nèi),裝置最實(shí)用的控制方法是PI控制,但由于容量的限制以及考慮應(yīng)對暫態(tài)電壓變化,必須留有一定的動(dòng)態(tài)無功備用,因而需要對裝置的日常調(diào)壓狀態(tài)進(jìn)行輸出限幅,即裝置用于日常調(diào)節(jié)的容量是有限制的。在控制點(diǎn)電壓變化快或者變化大的情況下,為了防止電壓進(jìn)一步大幅跌落,控制環(huán)節(jié)以最快速度發(fā)出指令,立即要求裝置達(dá)到滿發(fā)或者滿吸無功的狀態(tài)。在系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障的情況下,裝置采用分相控制代替三相控制,在保證裝置不過流的前提下最大限度地為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功。綜上所述,上海西郊±50MvarSTATCOM接入系統(tǒng)的基本運(yùn)行策略如下:a.采取電壓控制,控制點(diǎn)選為上海西郊220kV母線;b.日常電壓調(diào)節(jié)采用PI控制,對用于日常調(diào)壓的容量進(jìn)行限幅,留有動(dòng)態(tài)無功備用;c.應(yīng)對暫態(tài)電壓變化,裝置以最快速度達(dá)到滿發(fā)或者滿吸狀態(tài);d.不對稱故障情況下,裝置采用分相控制。STATCOM基本運(yùn)行策略也可以用圖2所示的“無功輸出-電壓”曲線來表示,共有4種工作狀態(tài):①A-G:感性額定運(yùn)行;②B-C:PI閉環(huán)控制;③C-D1:容性限幅輸出;④J-F:容性額定運(yùn)行。一般來說,對裝置本身而言,往往從感性額定容量到容性額定容量的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi),都根據(jù)系統(tǒng)電壓變化進(jìn)行閉環(huán)PI控制。狀態(tài)③的設(shè)計(jì),是為了留有一定的動(dòng)態(tài)無功備用(Q+max—Q+lim)應(yīng)對動(dòng)態(tài)電壓變化。H-G,I-J表示電壓變化率較大時(shí),認(rèn)為發(fā)生了動(dòng)態(tài)電壓問題,直接進(jìn)行額定無功補(bǔ)償。K-L/D-E滯環(huán)控制,是為了防止電壓變化在某一范圍內(nèi)時(shí)發(fā)生狀態(tài)③和狀態(tài)④之間的跳轉(zhuǎn)振蕩,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這里所說的運(yùn)行策略主要是根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化確定所需的無功容量,屬于上層控制。至于故障情況下裝置的保護(hù)和分相不對稱運(yùn)行,屬于底層控制,將另文介紹,這里不再贅述。STATCOM運(yùn)行策略的示意框圖如圖3所示。圖中給出了根據(jù)控制點(diǎn)電壓變化確定無功補(bǔ)償量的過程。3statcom仿真模型為了在仿真中考察裝置運(yùn)行策略的效果,在電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)中建立了系統(tǒng)級的±50MvarSTATCOM的仿真控制模型,并在上海電力系統(tǒng)中設(shè)置故障,檢驗(yàn)了仿真模型的響應(yīng)特性。設(shè)定黃渡一泗涇500kV雙回輸電線路在黃渡側(cè)發(fā)生一回三相故障,故障后80ms切除故障線路。±50MvarSTATCOM一直接入系統(tǒng)。西郊14號主變各母線電壓的變化情況和STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線分別如圖4和圖5所示。由圖5可見,故障發(fā)生后,ΔV的變化率每秒超過0.05(標(biāo)幺值),裝置按照暫態(tài)電壓運(yùn)行策略輸出最大值,經(jīng)30ms裝置由0輸出達(dá)到額定電流的90%左右;故障切除后,電壓逐漸恢復(fù),ΔV變小,在減小到0.05的臨界值后,裝置轉(zhuǎn)入日常調(diào)節(jié)策略,在0.02<ΔV<0.05的范圍內(nèi),裝置限幅輸出+20Mvar;隨著電壓恢復(fù)過程的擺動(dòng),AV<0.02時(shí),裝置進(jìn)行PI調(diào)節(jié)發(fā)出無功。仿真證明STATCOM控制仿真模型能夠根據(jù)運(yùn)行策略正確響應(yīng),可以用于STATCOM接入系統(tǒng)的仿真研究。與傳統(tǒng)的投切電容相比,STATCOM是一種理想的靈活可控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、響應(yīng)迅速的無功補(bǔ)償裝置。其補(bǔ)償容量可以根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化快速、連續(xù)地自動(dòng)調(diào)節(jié),既解決了投切電容器的投切時(shí)刻選擇、投切容量分級等缺點(diǎn),避免了補(bǔ)償無功注入對系統(tǒng)的沖擊,又可以保證在系統(tǒng)電壓降低的情況下給出較大的無功(投切電容器的無功容量要隨電壓呈平方關(guān)系下降),起到電壓支撐的作用。STATCOM的這些特點(diǎn)可以從圖5中得到證明,在1.08s故障切除后,STATCOM提供了接近額定容量的快速、連續(xù)無功補(bǔ)償,加速了電壓的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程;當(dāng)在1.5s電壓恢復(fù)到0.95以上后,STATCOM的無功輸出開始逐漸減小,保持系統(tǒng)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。在STATCOM的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償過程中,故障切除后系統(tǒng)電壓的變化是連續(xù)平滑的,并未受到任何沖擊。4加工裝置的配合上海西郊變電站現(xiàn)有人工投切電容器60Mvar,分兩組30Mvar分別安裝在13號和14號變壓器負(fù)荷側(cè),可以考慮一組電容器配合STATCOM控制的運(yùn)行方式,以改善動(dòng)態(tài)無功的補(bǔ)償效果。正常運(yùn)行情況下,STATCOM處于感性狀態(tài),吸收無功,與電容器發(fā)出的無功相平衡,維持電壓在正常的水平。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障,節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí),STATCOM迅速響應(yīng),由感性狀態(tài)進(jìn)入容性狀態(tài),發(fā)出大量的無功功率,維持節(jié)點(diǎn)電壓在較高的水平。這種混合式STATCOM具有響應(yīng)速度快、可連續(xù)調(diào)節(jié)、阻尼特性好等優(yōu)點(diǎn),而且由于固定電容器可以始終在系統(tǒng)中運(yùn)行,解決了固定電容器投切時(shí)間選擇、對系統(tǒng)沖擊、不能連續(xù)調(diào)節(jié)等問題,克服了電容器無功輸出對電壓敏感的缺點(diǎn)。與單一的STATCOM相比,具有造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。世界上近期投運(yùn)的STATCOM大都采用了這種配合電容器的運(yùn)行方式?？紤]與并聯(lián)在14號變壓器上的原有的一組30Mvar電容器相配合。電容器組始終投入運(yùn)行,STATCOM工作在-50Mvar～+50Mvar的可調(diào)區(qū)域,±50Mvar的STATCOM與30Mvar的電容器相配合,對系統(tǒng)來說相當(dāng)于可以工作在—20Mvar～+80Mvar的區(qū)域,縮小了感性運(yùn)行區(qū)域,擴(kuò)大了容性運(yùn)行區(qū)域。由于要設(shè)計(jì)留有動(dòng)態(tài)無功備用,STATCOM用于日常調(diào)壓的無功輸出限幅在+20Mvar,這樣,STATCOM與電容器配合后,在日常調(diào)壓工作狀態(tài)將至少有60Mvar的動(dòng)態(tài)無功備用,大于原先的STATCOM本身預(yù)留的30Mvar,從而提高了裝置的容性工作效果。當(dāng)然,當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí),電容器組的無功輸出將減少,此時(shí)STATCOM只能盡最大努力發(fā)出無功,直到達(dá)到其最大能力。裝置與電容器配合后整體的運(yùn)行策略及作用區(qū)域如圖6所示,圖中忽略了部分細(xì)節(jié)。圖7為±50MvarSTATCOM與30Mvar電容器配合使用的混合裝置在故障情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線,故障設(shè)置與本文第3