STATCOM在电力系统故障时的动态特性仿真研究

汤亚芳，施怀瑾

（贵州工业大学电气工程学院，贵州 贵阳 550003）

摘  要：采用MATLAB PSB建立了STATCOM的时域仿真模型，以实例对STATCOM在系统故障时的动态运行特性进行了仿真研究。结果表明，当控制器采用常规的算法时，STATCOM的运行可能会严重偏离其正常运行条件，此时STATCOM无论是退出运行或继续存在于系统都可能加剧系统的故障状态。

关键词：静止无功补偿器（STATCOM）；动态特性；故障；仿真

中图分类号：TM743；TM761.1                 文献标识码：A

0  引  言

采用大功率门极可关断晶闸管(GTO)的STATCOM由于具有响应速度快，可以在感性到容性整个范围中连续地进行无功调节，特别是在欠压条件下所需储能电容容量较小，从而可减小装置体积等优点，在电力工业界得到愈加广泛的应用。通过控制器的控制作用，STATCOM具有无功功率控制、维持连接点的电压稳定、防止系统电压崩溃及提高系统的暂态稳定性等功能。而STATCOM对电力系统作用的同时，电力系统的动态和暂态过程都不同程度的影响STATCOM的运行。特别是在系统故障情况下，STATCOM的运行条件突变，此时有必要研究一下它的动态特性，以全面评价STATCOM的性能。

本文利用MATLAB PSB建立了STATCOM时域仿真模型，对系统故障情况下STATCOM的动态特性进行了仿真，得到了一些有用的结论。

1  含STATCOM的简单电力系统的仿真模型的建立

本文利用MATLAB PSB仿真软件进行仿真，仿真系统接线图见图1.利用文献［4］中提出的建模方法建立该电力系统及STATCOM的仿真模型，参数见文献［4］.STATCOM的控制算法采用常规的控制算法：PI控制算法（图2）.

图1  含有STATCOM的单机—无穷大系统接线图      图2  PI逆系统电压控制框图

2  STATCOM受扰状态仿真研究

2.1  STATCOM的运行状态的变化

STATCOM在运行过程中要受到直流侧电容电压Udc和输出电流IA的，它们应满足以下条件：

Udcmin≤Udc≤Udcmax

              IA≤IAmax                               (1)

一旦Udc或IA超出范围，STATCOM装置本身将会受到损坏。当系统出现故障时，STATCOM的控制器将调节输出无功，以提高系统的暂态稳定性，此时Udc或IA很可能超出范围，STATCOM安全将受到威胁。

假定t=0.1s时，图1所示电力系统线路1在STATCOM连接点处出现三相接地短路故障，t=0.2s短路线路切除并保持单回线路运行。由仿真结果（图3）可以看出在故障期间，STATCOM的电容电压及输出电流均超出正常运行范围，这将引起STATCOM的故障。

(a)STATCOM直流侧电容电压                (b)STATCOM输出电流曲线

图3  系统故障时STATCOM运行状态变化曲线

2.2  STATCOM退出系统运行时的仿真分析

由以上仿真分析可知，系统故障期间STATCOM的工作条件变得很恶劣。当输出电流及电容电压超过STATCOM的安全运行范围时，保护系统将动作，封锁GTO脉冲或使STATCOM退出运行。

当系统出现故障时，STATCOM接入点系统电压变化较大。此时STATCOM的控制器将动作，使得δ不断变化，由于STATCOM输出的无功功率可表示为Q=Us/(2r)sin2δ（式中Us为STATCOM接入点系统电压；r为STATCOM等值电阻；δ为STATCOM输出电压与系统电压之间的相角差），因此其输出的无功也在不断变化中。如果在STATCOM向系统输出较大无功时自身又出现故障，为保证STATCOM安全，它的保护系统将会动作将其切除，这时系统出现无功缺额。如果系统无功备用足够的话，经过发电机的励磁调节器的调节作用，电压还能恢复到原有水平。如果无功备用不足，则电压将会出现较大的波动。

此时，STATCOM不仅不能起到原有的控制作用，反而可能因为它的退出又将使受扰系统受到新的扰动，系统的暂态稳定将遭到更大的考验。

假设在t=0.5ms时，STATCOM接入点处线路1发生三相短路故障；t=0.7ms线路1被切除；而在t=0.6ms时，因为出现过电流STATCOM退出系统。仿真结果（图4）显示由于STATCOM的退出使得系统振荡加剧，并最终失去稳定。可见在系统故障期间，应尽量提高STATCOM的生存能力，不应随意的将其退出。这样一可以避免它的退出对系统所产生的冲击，二来也避免了STATCOM缓慢的再投入过程。

(a)STATCOM未接入系统            (b)STATCOM在系统故障时退出

图4  系统故障时STATCOM退出运行的仿真分析

2.3  STATCOM继续运行时的仿真研究

如果STATCOM的控制系统采用的是常规的潮流控制方式（电压控制及无功控制）时，在系统正常运行情况下，这些控制方法确实能起到应有的作用。但是一旦系统运行在特殊的运行方式时（如负荷突增，短路故障），这些控制方法有可能会减弱系统的阻尼，甚至使系统出现“负阻尼”的现象，使系统的振荡加剧。

在理论上证明这种现象的存在性：利用文献［9］提出的方法来建立安装有STATCOM的电力系统的Phillips-Heffron模型，并利用该模型来分析电力系统的稳定性。

根据图5所示的电力系统的等值电路图可得出系统的Phillips-Heffron模型为：

式中：Δδ为发电机相角增量；Δω为发电机转速增量；ΔEq′为发电机暂态电势增量；ΔEfd为空载电势增量；ΔVdc为STATCOM直流侧电容电压增量；Δψ为STATCOM输出电压与系统电压相角差的增量；M为发电机转动惯量；TA和KA为励磁机等值时间常数和增益；Td0′为励磁绕阻时间常数。

如果STATCOM采用电压PI控制，设PI控制的微分系数为K1,比例系数为K2.则有以下控制算法：

由式（5）可看出，STATCOM是否向系统提供正的阻尼转矩取决于系数Kpψ的正负。Kpψ>0时，STATCOM向系统提供负阻尼；Kpψ<0时，STATCOM向系统提供正阻尼。

因为，因此在系统负荷变化比较大或故障期间电压波动大时，由于控制器的控制作用使得ψ角不断增大，也就是说STATCOM向系统输入的有功功率Pe增大，使得Kpψ>0，STATCOM就向系统提供负阻尼，从而加剧系统的故障。

下面以仿真来证明这种现象的存在性。

假设在t=0.3ms时，STATCOM接入点处线路1发生三相短路故障，故障在t=0.5ms时被切除。图6（a）表示STATCOM未接入系统时，发电机的转速变化曲线。图6（b）表示STATCOM接入系统后的发电机变化曲线，由图中可以看出此时发电机转速的波动更加剧烈。因此在系统故障期间，STATCOM不能采用一些常规的控制方式，而应采用其他的一些控制措施。

(a)STATCOM未接入系统             (b)STATCOM接入系统

图6  STATCOM对系统产生负阻尼作用的仿真分析

3  结  语

本文利用MATLAB PSB对STATCOM在系统故障时的动态特性进行了时域数值仿真。仿真结果表明：

1．采用常规控制的STATCOM，在系统故障情况下其输出电流及直流侧电容电压将会增大，此时STATCOM的安全将受到极大的威胁。

2．系统故障时，为STATCOM的安全着想将其退出运行，此时有可能引起系统运行的不稳定。

3．系统故障期间，采用常规控制的STATCOM会使系统的振荡加剧。

基于以上分析，在系统故障时，要对STATCOM采取特殊的措施，使其本身的安全及系统的安全都不受影响。目前在一些文献中（如［1］、［5］）已经提出了一种STATCOM的保护性控制方式，这种保护性的控制方式可以在一定程度上避免这些情况的产生。作者在文献［8］中提出了一些解决措施，并用仿真方法加以了检验。

参考文献：

[1] 梁旭．基于大功率GTO的静止无功发生器反故障系统研究 ［D］ ．北京：清华大学电机系，1998．

[2] J D Ainsworth,M Davies,P Jfitz，et al．Static VAR compensator(STATCOM) based on single-phase chain circuit converters［Ｊ］．IEE Proc-Gener Transm Distrib,1998,145(4):381-386.

[3] 汤亚芳，施怀瑾，杨赢,等．利用MATLAB PSB进行电力系统仿真［J］．贵州工业大学学报，2001，30(3):46-49.

[4] Rahman M，Ahmed M，Gutman R，et al．UPFC Application on the AEP System：Planning Considerations[J]．IEEE Trans on PWRS,1997,12(4):350-358.

[5] Clark Hochgraf, Robert H Lasseter．STATCOM Control for Operation with Unbalanced Voltage[J]．IEEE Trans on Power Delivery ,1998,13（2）：538-544.

[6] Loren H Walker．10-MW GTO Converter for Battery Peaking Service［J］．IEEE Trans on Industry Application ,1990,26（1）：63-72.

[7] 姜齐荣，沈东，韩英铎,等．ASVG在系统不对称情况下的运行及控制［J］．清华大学学报（自然科学版）,1997,37(7)：26-29.

[8] 汤亚芳．FACTS设备保护系统的研究［D］．贵阳：贵州工业大学，2001．

[9] H F Wang.Phillips-Heffrons Model of Power System Installed with STATCOM and application［J］.IEE proc-Gener Transm Distrib,1999,146(5):521-527.

The Application of the Protective Control on the SATCOM

TANG Ya-fang, SHI Huai-jin

(College of Electrical Engineering, GUT, Guiyang 550003,China)

Abstract:A simulation model of a simple power system with STATCOM is built by MATLAB PSB. The dynamic characteristics of the STATCOM in the fault of power system are studied by simulation. The simulation results show that under large disturbance, the normal condition of the power system with STATCOM cannot be maintained. Whether STATCOM maintains in or retreats from the power system, in both cases STATCOM could aggravate the fault status.

Key words:static VAR compensator (STATCOM); dynamic characteristics; fault; simulation