论文部分内容阅读
【摘要】首先分析了一起因35kV系统电压过压，导致STATCOM子模块过压保护动作跳闸的事件;为提高STATCOM跟随系统电压变化的速度，通过缩短控制延时等手段对控制程序进行了优化和完善，在RTDS平台进行仿真分析取得了不错的效果并应用于实际。
【关键词】STATCOM;过压保护;控制延时;仿真
引言
STATCOM——静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。对于高压直流输电系统受端为弱交流系统的情况，在逆变侧交流系统发生扰动或故障时，逆变器很容易发生换相失败，通过在逆变站配置大容量STATCOM装置，可以在交流系统暂态情况下，提供动态无功支撑，优化直流系统故障恢复特性，减少换相失败的发生。同时，在交流系统稳态情况下，参与换流站交流母线的电压和无功调节，跟踪电压指令曲线或无功曲线，提高电压稳定性。
本文首先分析了一起因500kV交流电网故障，导致35kV STATCOM子模块故障保护动作跳闸的事件， 并提出了相应的控制措施，然后通过仿真对优化的控制措施进行了验证，有效解决了工程中STATCOM子模块容易过压导致跳闸的问题。
一、某换流站STATCOM跳闸简况
2016年07月，某换流站500kV交流电网产生故障，导致直流输电系统发生一次换相失败，同时，35kV #1 STATCOM子模块过压造成模块冗余不足，导致35kV #1 STATCOM发生跳闸，35kV #2 STATCOM穿越故障，1秒后电网再次发生扰动，35kV #2 STATCOM也因子模块过压冗余不足而跳闸。
二、跳闸原因分析
2.1 子模块过压保护原理
IGBT过压过流保护主要是为了防止桥臂上IGBT发生的短路故障引起的过电压和过电流引起的器件损坏，该保护功能由子模块驱动板上自带的硬件电路保护实现，该保护动作后子模块将退出运行（旁路）。
子模块过压保护原理：IGBT的耐受电压为3300V，考虑一定的裕度，对子模块的过电压保护定值设置为2350V，无延时。子模块过电压保护集成在SMC（Sub-Module Control）板卡中，该保护动作后，SMC上报“过压故障”至VBC，由VBC下发子模块旁路指令。当每相子模块旁路数超过4个时，VBC将上报“冗余不足”至PCP装置，PCP发出跳闸指令。
2.2故障波形
跳闸发生后，调取其中一套STATCOM（#1 STATCOM为例）相关跳闸波形如下：
通过以上波形可以看出，由于在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致35kV #1 STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。
故障时BC相电容电压较高，具体值如下：
从表中可以看出，其中11、15、17、23、27、32、34、36、38、39、40、41、42号子模块超过了过压保护定值。
2.3原因分析
综上波形分析可得，由于在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。在35kV交流系统过电压的情况下，STATCOM设备容易发生模块过压。
2.4故障模拟
采用现场的故障波形及与现场同样的程序在厂家RTDS进行了故障模拟，模拟后两套STATCOM均未导致跳闸，以#1STATCOM为例，第一次系统故障波形如下：
第二次系统故障波形如下：
从以上RTDS故障模拟波形看，STATCOM两次电网故障时电容电压瞬时值为2000V以内，距离过压点较远，与现场实际波形有一定的差距。
电网电压故障时，由于输出的阀端电压与实际电网电压的相角差，导致电容电压存在一定的波动，平均电压距离过压保护值很近，导致多个模块超过保护动作值。但RTDS故障模拟过程相比故障前电容电压平均值升高了250V左右，距离过压保护值存在较大的裕量。
三、优化控制措施
结合本次STATCOM发生子模块过压跳闸现场波形，根本原因为在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。为提高STATCOM跟随系统电压变化的速度，對控制程序做以下优化措施：
3.1升级程序缩短控制延时
梳理整个控制系统回路的延时，即从采样开始，到IO装置、主控制器、阀控制器、模块级控制器整个控制环路及硬件滤波的延时时间，该延时时间直接反应前馈电压跟随电网电压的速度，延时时间越小STATCOM跟随电网电压越精确，最终可将故障过程中STATCOM输出电流控制至较小幅度并且对电容电压的扰动也相应减小。
该换流站35kV #1、#2 STATCOM波形调制采用的是最近电平逼近调制，由于主控置器发送调制波到阀控装置之间的延时相对实际产生的调制波存在1到2个控制周期（1个控制周期为100us）的延时，决定对该环节进行调整，缩短相应的延时时间。
3.2增加STATCOM欠压闭锁逻辑;
增加故障期间500kV电网电压跌落较大的情况下STATCOM的闭锁逻辑：当500kV电网电压低于0.75pu延时20ms或低于0.5pu延时5ms进入暂时性闭锁逻辑，当电网电压正常时快速解锁输出无功，防止交流系统严重故障或扰动情况下STATCOM直接跳闸。
3.3程序优化后故障模拟分析
通过升级STATCOM程序，将控制延时缩短了100us左右，并增加了STATCOM欠压闭锁逻辑，现场程序做修改后在厂家RTDS平台进行故障回放，以1#STATCOM为例。故障较为轻微，未满足故障闭锁条件。
第一次交流系统故障波形如下：
第二次交流系统故障波形如下：
从上述故障模拟波形看，优化后的程序同样未出现跳闸现象。对比优化前的故障波形，故障期间的电流及电容电压的峰值相对较小。峰值电流减小了300A左右（对比图8和图12），程序改善后电容电压减小了约100V（对比图9和图13）。
结语
本文针对一起STATCOM子模块过压保护跳闸进行了分析，通过对现场故障波形进行分析，原因为在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。为提高STATCOM跟随系统电压变化的速度，将主控置器发送调制波到阀控装置之间的延时缩短了100us左右，同时增加STATCOM暂态情况下的欠压闭锁逻辑，最终故障模拟显示STATCOM输出电流和模块电压得到了有效控制，并在实际工程中应用，有效解决了区外故障或系统扰动导致STATCOM子模块过压跳闸的问题。
参考文献
〔1〕郑茂然，黄佳胤，王剑.STATCOM跳闸事件分析及其直流电压控制逻辑优化.南方电网技术.2014，8（6）：94-97.
〔2〕吴小丹，王舯，朱信舜，葛健.应用于直流换流站的百兆乏STATCOM控制策略.2016，50（4）：48-50.
〔3〕罗承廉，纪勇，刘遵义.静止同步补偿器（STATCOM）的原理与实现[M].北京：中国电力出版社，2005.
【关键词】STATCOM;过压保护;控制延时;仿真
引言
STATCOM——静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。对于高压直流输电系统受端为弱交流系统的情况，在逆变侧交流系统发生扰动或故障时，逆变器很容易发生换相失败，通过在逆变站配置大容量STATCOM装置，可以在交流系统暂态情况下，提供动态无功支撑，优化直流系统故障恢复特性，减少换相失败的发生。同时，在交流系统稳态情况下，参与换流站交流母线的电压和无功调节，跟踪电压指令曲线或无功曲线，提高电压稳定性。
本文首先分析了一起因500kV交流电网故障，导致35kV STATCOM子模块故障保护动作跳闸的事件， 并提出了相应的控制措施，然后通过仿真对优化的控制措施进行了验证，有效解决了工程中STATCOM子模块容易过压导致跳闸的问题。
一、某换流站STATCOM跳闸简况
2016年07月，某换流站500kV交流电网产生故障，导致直流输电系统发生一次换相失败，同时，35kV #1 STATCOM子模块过压造成模块冗余不足，导致35kV #1 STATCOM发生跳闸，35kV #2 STATCOM穿越故障，1秒后电网再次发生扰动，35kV #2 STATCOM也因子模块过压冗余不足而跳闸。
二、跳闸原因分析
2.1 子模块过压保护原理
IGBT过压过流保护主要是为了防止桥臂上IGBT发生的短路故障引起的过电压和过电流引起的器件损坏，该保护功能由子模块驱动板上自带的硬件电路保护实现，该保护动作后子模块将退出运行（旁路）。
子模块过压保护原理：IGBT的耐受电压为3300V，考虑一定的裕度，对子模块的过电压保护定值设置为2350V，无延时。子模块过电压保护集成在SMC（Sub-Module Control）板卡中，该保护动作后，SMC上报“过压故障”至VBC，由VBC下发子模块旁路指令。当每相子模块旁路数超过4个时，VBC将上报“冗余不足”至PCP装置，PCP发出跳闸指令。
2.2故障波形
跳闸发生后，调取其中一套STATCOM（#1 STATCOM为例）相关跳闸波形如下：
通过以上波形可以看出，由于在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致35kV #1 STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。
故障时BC相电容电压较高，具体值如下：
从表中可以看出，其中11、15、17、23、27、32、34、36、38、39、40、41、42号子模块超过了过压保护定值。
2.3原因分析
综上波形分析可得，由于在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。在35kV交流系统过电压的情况下，STATCOM设备容易发生模块过压。
2.4故障模拟
采用现场的故障波形及与现场同样的程序在厂家RTDS进行了故障模拟，模拟后两套STATCOM均未导致跳闸，以#1STATCOM为例，第一次系统故障波形如下：
第二次系统故障波形如下：
从以上RTDS故障模拟波形看，STATCOM两次电网故障时电容电压瞬时值为2000V以内，距离过压点较远，与现场实际波形有一定的差距。
电网电压故障时，由于输出的阀端电压与实际电网电压的相角差，导致电容电压存在一定的波动，平均电压距离过压保护值很近，导致多个模块超过保护动作值。但RTDS故障模拟过程相比故障前电容电压平均值升高了250V左右，距离过压保护值存在较大的裕量。
三、优化控制措施
结合本次STATCOM发生子模块过压跳闸现场波形，根本原因为在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。为提高STATCOM跟随系统电压变化的速度，對控制程序做以下优化措施：
3.1升级程序缩短控制延时
梳理整个控制系统回路的延时，即从采样开始，到IO装置、主控制器、阀控制器、模块级控制器整个控制环路及硬件滤波的延时时间，该延时时间直接反应前馈电压跟随电网电压的速度，延时时间越小STATCOM跟随电网电压越精确，最终可将故障过程中STATCOM输出电流控制至较小幅度并且对电容电压的扰动也相应减小。
该换流站35kV #1、#2 STATCOM波形调制采用的是最近电平逼近调制，由于主控置器发送调制波到阀控装置之间的延时相对实际产生的调制波存在1到2个控制周期（1个控制周期为100us）的延时，决定对该环节进行调整，缩短相应的延时时间。
3.2增加STATCOM欠压闭锁逻辑;
增加故障期间500kV电网电压跌落较大的情况下STATCOM的闭锁逻辑：当500kV电网电压低于0.75pu延时20ms或低于0.5pu延时5ms进入暂时性闭锁逻辑，当电网电压正常时快速解锁输出无功，防止交流系统严重故障或扰动情况下STATCOM直接跳闸。
3.3程序优化后故障模拟分析
通过升级STATCOM程序，将控制延时缩短了100us左右，并增加了STATCOM欠压闭锁逻辑，现场程序做修改后在厂家RTDS平台进行故障回放，以1#STATCOM为例。故障较为轻微，未满足故障闭锁条件。
第一次交流系统故障波形如下：
第二次交流系统故障波形如下：
从上述故障模拟波形看，优化后的程序同样未出现跳闸现象。对比优化前的故障波形，故障期间的电流及电容电压的峰值相对较小。峰值电流减小了300A左右（对比图8和图12），程序改善后电容电压减小了约100V（对比图9和图13）。
结语
本文针对一起STATCOM子模块过压保护跳闸进行了分析，通过对现场故障波形进行分析，原因为在电网电压故障时35kV系统电压过压，导致STATCOM输出的阀端电压无法完全跟踪系统电压，与其偏差增大，最终引起部分模块电容电压升高，子模块过压保护动作。为提高STATCOM跟随系统电压变化的速度，将主控置器发送调制波到阀控装置之间的延时缩短了100us左右，同时增加STATCOM暂态情况下的欠压闭锁逻辑，最终故障模拟显示STATCOM输出电流和模块电压得到了有效控制，并在实际工程中应用，有效解决了区外故障或系统扰动导致STATCOM子模块过压跳闸的问题。
参考文献
〔1〕郑茂然，黄佳胤，王剑.STATCOM跳闸事件分析及其直流电压控制逻辑优化.南方电网技术.2014，8（6）：94-97.
〔2〕吴小丹，王舯，朱信舜，葛健.应用于直流换流站的百兆乏STATCOM控制策略.2016，50（4）：48-50.
〔3〕罗承廉，纪勇，刘遵义.静止同步补偿器（STATCOM）的原理与实现[M].北京：中国电力出版社，2005.