（电力系统及其自动化专业论文）基于hht的可控并补输电线路保护的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于h h t 的可控并补输电线路 保护的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：型亟 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期：塑! 里：! ：堡 j p 咄j j 瓤 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 静止同步补偿器s t a t c o m 是f a c t s 家族的重要成员之一，近年来在工程中 得到越来越多的应用。本文在分析了s t a t c o m 原理的基础上，利用 p s c a d e m t d c 仿真软件建立了含s t a t c o m 的线路模型，并着重分析了含 s t a t c o m 线路产生的谐波及其对线路继电保护的影响，针对s t a t c o m 对距离保 护产生的误动问题，提出了一种适合并补线路的距离保护新方案，仿真结果证明了 该新方案的正确性。本文针对传统h i l b e r t h u a n g ( h h t ) 算法的缺点进行了改进， 提出了一种改进h h t 算法，消除了模态混叠现象且提高了该算法的准确性，并运 用改进h h t 算法对区内外故障时保护安装处测量电流的谐波谱特征进行了分析， 根据区内外故障时信号谱能量的差别提出了一种适合并补线路的暂态保护新方案， 仿真结果证明该方案能准确区分出各种故障情况下的区内区外故障。 关键词：s t a t c o m ；继电保护；暂态保护；h h t 算法 a b s t r a c t s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) i si m p o r t a n tm e m b e ro ff a c t sa n d i th a sb e e nm o r ea n dm o r ea p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e p r i n c i p l eo fs t a t c o m ，t h i sp a p e re s t a b l is h e sal i n em o d e lw i t hs t a t c o mi ni t s m i d p o i n tb yp s c a d e m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f o c u s e so ni m p a c t so ft h eh a r m o n i c s g e n e r a t e db yl i n e sw i t hs t a t c o ma n dt h ei m p a c t st ot h el i n ep r o t e c t i o n b e c a u s e a d d i n gs t a t c o mw i l lc a u s ef a u l ta c t i o no ft h ed i s t a n c ep r o t e c t i o n ，i tp r o p o s e san e w m e t h o do fl i n ed i s t a n c ep r o t e c t i o nw h i c hi ss u i t a b l et ot h es h u n t - c o m p e n s a t i o nl i n e ，a n d i t p r o v e st h e c o r r e c t n e s so ft h en e wm e t h o db ys i m u l a t i o n t h ep a p e rp r o p o s e sa n i m p r o v i n gh i l b e r t - h u a n g ( h h t ) a l g o r i t h mt oe n h a n c et h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft h e t r a d i t i o n a lh h ta l g o r i t h m i ts t u d i e st h es p e c t r u mc h a r a c t e r so fi n - z o n ea n do u t z o n e f a u l ti nt h es i m u l a t i o nm o d e l b a s eo nt h ed i f f e r e n c e so ft h es p e c t r u mb e t w e e ni n - z o n e a n do u t z o n ef a u l t ，i tp r o p o s e san e wm e t h o do ft r a n s i e n tp r o t e c t i o n ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a tt h i sn e wm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yd i s t r i c ti n z o n ea n do u t - z o n ef a u l ti n a l 】f a u l ts i t u a t i o n k e yw o r d s ：s t a t c o m ， a l g o r i t hm z h a n gy u a n ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i c ) d i r e c t e db yp r o f iw a n gz e n g p i n g r e l a yp r o t e c t i o n ，t r a n s i e n t - b a s e d ，h h t 0 、 ，i 1 l 矿 i l 饥 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言j 1 1 1 研究背景：1 1 2 研究现状：2 1 2 1 s t a t c o m 的国内外研究现状一2 1 2 2 高压线路保护的研究现状3 1 2 3f a c t s 装置对线路保护影响研究现状4 1 3 本课题的研究意义一5 1 4 本文所做的工作6 第二章s t a t g o m 原理及参数模型8 2 1s t a t c o m 原理8 2 1 1s t a t c o m 的稳态模型8 2 1 2s t a t c o m 的准稳态模型9 2 1 3s t a t c o m 的伏安特性1 0 。 2 2s t a t c o m 的拓扑结构1l 2 3s t a t c o m 控制方法1 l 2 4 本章小结1 2 第三章改进的h h t 算法1 3 3 1 瞬时频率和单分量信号1 3 3 2h il b e r t h u a n g 变换( h h t ) 1 4 3 2 1e m d 方法1 4 3 2 2h il b e r t 变换1 6 3 3 改进的h h t 变换1 7 3 3 1 传统h h t 算法存在的问题1 7 3 3 2 改进h h t 算法1 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 3 改进h h t 算法的仿真验证1 8 3 4 小结1 9 第四章s t a t c o m 对继电保护的影响分析2 0 4 1s t a t c o m 对继电保护的谐波影响2 0 4 1 1f a c t s 谐波对继电保护的影响2 0 4 1 21 2 脉波s t a t c o m 产生的谐波2 0 4 1 3s t a t c o m 产生谐波影响的仿真2 l 4 1 3 1 稳态谐波影响一2 2 4 1 3 2 暂态谐波影响：2 4 4 2s t a t c o m 对距离保护的影响2 6 4 2 1s t a t c o m 对测量阻抗影响的理论分析j 2 6 4 2 1 1 故障发生在s t a t c o m 之前2 6 4 2 1 1 故障发生在s t a t c o m 之后2 7 4 2 2s t a t c o m 对距离保护的影响的仿真分析2 8 。4 2 2 i 欠范围拒动2 8 4 2 2 2 超越动作3 l 4 2 2 3 基于电压判据的并补线路距离保护新方案3 2 4 2 2 3 距离保护新方案的仿真验证3 4 4 3s t a t c o m 对继电保护的其它影响3 5 4 3 1s t a t c o m 不同主电路和控制策略引起暂态过程对继电保护的影响3 5 4 3 2s t a t c o m 对继电保护灵敏度的影响3 6 4 3 3s t a t c o m 不同安装位置对继电保护的影响3 6 4 4 小结3 6 第五章基于改进h h t 的并补线路暂态保护新方案3 7 5 1 暂态量保护简介3 7 5 1 1 暂态保护的发展和现状3 7 5 1 2 暂态保护在并补线路上的适应性3 8 5 2 基于h h t 的并补线路区内外故障特征分析3 8 5 2 1 含s t a t c o m 的仿真系统模型3 8 i i j p 簟 华北电力大学硕士学位论文目录 5 2 2 并补线路正常运行和故障时h h t 谱特征分析3 9 5 2 3 并补线路区内外故障时h h t 谱特征分析3 9 5 3 基于h h t 的s t a t c o m 线路暂态保护新原理4 l 5 3 1 保护方案：4 1 5 3 2 新方案的仿真验证4 2 5 4 小结 4 5 第六章结论与展望4 7 参考文献：4 8 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 、 | r 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 近年来，社会和国民经济各部门对电力的需求越来越大，对电网的安全可靠性 要求也越来越高，针对电网的特点以及电力市场发展可能出现的“输电阻塞等问 题，我国制定了“西电东送、南北互供、全国联网 的电网发展战略，以推进跨区 输电、跨区联网。因此，保证电网稳定、安全地运行是电网发展中要解决的重要问 题。这就迫切需要一种灵活可靠的交流输电技术，实现电网的“充足、可靠、优质、 经济”供电和运行。 1 9 8 6 年，美国电力科学院n g h i n g o r a n i 博士提出了柔性交流输电系统f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的概念，被喻为是“现代电力系统中三项具有变 革性影响的前沿课题之一”。它是综合电力电子器件、微处理和微电子技术、通信技 术和控制技术，为交流输电网提供快速、连续和精确的控制而形成的用于控制交流 输电的新技术，其主要内涵是：用大功率电力电子器件代替传统的阻抗、功角、电 压控制元件上的机械式高压开关来提升优化潮流功率的能力，在不改变网络结构的 前提下提高电力网络的输电能力，增强对潮流和电压的可控性，同时可以提高系统 稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的大面积停电事故等。其中，“柔性 是指对电压电流的可控性。 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 是f a c t s 家族 的重要成员之一，也是f a c t s 的核心装置和核心技术之一。它在电力系统中的作 用是进行无功补偿，维持连接点的电压，提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态 性能和动态性能。s t a t c o m 基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开 关器件( 如g t o 和i g b t ) 组成自换相逆变器，辅之以小容量储能元件( 如电容器 等) 构成无功补偿装置，与现有的静止无功补偿器( s v c ) 相比，具有调节速度更 快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器容 量及安装面积大为降低等优点。 随着g t o 、i g b t 等大功率全控型器件的出现，以及相控技术、脉宽调制技术 ( p w m ) 的日趋成熟，使得电力电子逆变技术得到快速发展，s t a t c o m 正是基于 此技术而发展起来的。1 9 8 0 年日本研制出第一台2 0 m v a r 的s t a t c o m ，这项技术 到9 0 年代取得了突破性的研究进展。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成功一 套8 0 m v a r 和一套1 0 0 m a r 的采用g t o 晶闸管的s t a t c o m 装置，并成功地投入商 业运行。德国西门子公司制造的的单机容量为8 m v a r 的s t a t c o m 装置也与1 9 9 8 华北电力大学硕士学位论文 年投入运行。美国e p r i 与西屋电气公司开发研制了第一台实验性的容量为+ 1 m v a r 采用g t o 的d s t a t c o m ( 用于配电系统) ，并于1 9 8 6 年1 0 月在纽约州的o r a n g e & r o c kl a n du n i t i e s 示范投入运行。此后，美国e p r i 与田纳西电力局( t e n e s s e ev a l l e y a u t h o r i t y ，t v a ) 和西屋电气公司再次合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电 站建造了一套当时世界上容量最大的l o m v a rs t a t c o m ，该工程耗资1 0 0 0 万美 元，单位容量造价1 0 0 美元l k v a r ，自1 9 9 6 年1 0 月投入运行至今，运行情况良好。 此外，英国国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ) ，缩写为n o c ) 将在4 0 0 k v 系统内 安装正由法国a l s t o m 输配电公司研制的基于+ 7 5 0 m v a r 的静止无功补偿系统，整个 静止无功补偿系统的容量将是0 2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输功 率。 对于我国这样的一个发展中国家，虽然建国以来电力系统一直以较高的速度发 展，但网架薄弱、电源不足的问题依然十分严重，也急需采用各种新技术提高电网 的输送能力和稳定水平。目前，我国正在发展大区互联电网，各大电网都缺乏有效 的无功调控手段且5 0 0 k v 超高压网架相对薄弱，使得我国5 0 0 k v 电网的电压稳定问 题成为了电力系统的主要问题，严重威胁着大区域电网的安全运行。然而，原有的 静态调压手段不连续、响应速度慢，静止无功补偿器在系统电压降低时无法有效工 作，就使得使用s t a t c o m 提供动态电压补偿成为有效的调压手段。然而，这一领 域刚刚起步。已有的研究报告指出，华中电网2 0 1 0 年大约需要l gm v a r 左右的 s t a t c o m 动态提供无功补偿来提高电压稳定性。上海电力局与上海交通大学相关 的仿真研究也表明在上海地区安装s t a t c o m 将对上海电网黄埔地区电压起较大的 支撑作用。为此，1 9 9 5 年8 月，由清华大学和河南省电力公司合作共同研制了一台 3 0 0 m v a r 的s t a t c o m 工业样机，并在清华大学并网成功。1 9 9 9 年3 月，由清华 大学和河南省电力公司共同研制的2 0 m v a r s t a t c o m 在河南省朝阳变电站并网成 功。这是我国首台投入应用的大容量柔性交流输电装置，它于1 0 月2 5 日通过河南 省电力试验研究所的7 2 h 满载测试，1 1 月1 5 日又通过了中国电力科学研究院进行 的性能测试，测试结果表明该垃0 m v a r s t a t c o m 达到了预期的各项指标，2 0 0 0 年 6 月7 日在洛阳成功地进行了鉴定【l 】。2 0 0 1 年2 月1 7 日国家电力公司南京电力自动 化研究院也将5 0 0 m v a r 的s t a t c o m 投入了运行，此外，5 0 m v a r 的s t a t c o m 工业装置也已于2 0 0 6 年在上海西郊变电站成功运行。 1 2 研究现状 1 2 1s t a t c o m 的国内外研究现状 关于s t a t c o m 的研究有以下几个方面：一是研究介绍了s t a t c o m 的基本原 理与应用。文献 2 】综述了静止同步补偿器技术的发展现状，分析了s t a t c o m 的基 2 华北电力大学硕士学位论文 本原理、类型、主电路结构及几种控制方法，并提出今后s t a t c o m 技术的发展趋 势。文献 3 】构建了1 2 脉晶闸管s t a t c o m 样机装置，并设计了基于现场可编程逻 辑器件和数字信号处理器的数字控制器，以提高晶闸管出发脉冲精度，满足样机装 置触发要求。二是对s t a t c o m 进行建模与仿真【4 巧】：有的在不考虑有功损耗的情 况下，对s t a t c o m 在基频调制下的电压、电流进行了理论分析，同时利用所建数 学模型，对s t a t c o m 的瞬时有功与无功功率变化情况以及电压和电流波形进行了 仿真分析；有的建立了s t a t c o m 基于功率注入法的稳态模型和基于受控电流源的 动态模型，并利用电力系统分析软件的用户自定义功能实现了这些模型，还对应用 到实际的s t a t c o m 装设方案进行了仿真分析。三是研究了s t a t c o m 的控制策略， 例如文献【6 】介绍了s t a t c o m 的主电路图结构及其控制策略：p i 控制、无功功率 控制和直流电容控制的解耦控制和p w m 控制策略；文献 7 】利用模糊系统的逼近能 力，提出了一种模糊控制综合优化设计方法；文献【8 】通过引入两个增广的母线类型， 实现了s t a t c o m 的线性p w m 控制及相角控制模式及其交流电流极限处理，给出 了模型在牛顿潮流及连续潮流中的详细实现。四是s t a t c o m 对继电保护的影响， 在这一方面，国外有少数几篇文章对此作了研究，而国内在这一方面还鲜有研究。 1 2 2 高压线路保护的研究现状 近几十年来，高压线路保护经历了机电型、晶体管型、集成电路型和数字计算 机型四个阶段。计算机在继电保护领域的广泛应用成为继电保护发展历史的一个重 要里程碑。1 9 6 5 年初，英国剑桥大学的p g m c l a r e n 等人提出利用采样技术实现输 电线路的距离保护；到2 0 世纪7 0 年代后期，随着微处理技术的快速发展和其价格 的急剧下降，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入系统试运行，到8 0 年代 微机保护的硬件结构和软件技术方面已趋成熟。进入9 0 年代，微机保护已在我国 大量应用，主运算器由8 位机、1 6 位机，发展到目前的3 2 位机、6 4 位机；数据转 换与处理器件由模数转换器( a d ) 、电压频率转换器( v f c ) 发展到数字处理器 ( d s p ) 。由于微机型继电保护装置动作正确率高、功能强大、数字化、智能化、 人机交互友好等优点，正逐步地全面代替常规继电保护装置，为电网的安全稳定运 行发挥了极大的作用。 高压线路继电保护主要有两种类型：按功能可分主保护和后备保护，其中主保 护包括线路纵差保护、高频保护( 相差频、方向高频、高频距离、高频远方跳闸) 、 行波保护。后备保护包括距离保护( 接地、相问) 、电流、电压保护( 零序) 等。 零序电流保护原理简单，可以作为中、长输电线路的接地短路保护，但存在整定困 难的问题。距离保护具有保护区间明确，整定相对容易的特点。 按保护的动作原理可分为基于故障后稳态工频量的保护和基于故障分量原理 华北电力大学硕士学位论文 的保护，基于故障分量原理的保护可分为基于工频故障分量的保护和基于暂态分量 的保护，其中基于工频故障分量的保护主要包括突变量距离保护和突变量差动保 护，基于暂态分量的保护主要包括暂态行波保护和暂态频率特性保护，通过采取某 种措施强化故障线路和非故障线路上行波故障分量或者电流、电压故障分量的频率 分量特征的差别，构成了暂态保护的基本思路。 。在高压输电线路保护中，距离保护无疑占有极其重要的地位。而且距离保护具 有很多优点，例如：受电力系统运行方式和结构变化的影响小，保护范围较长且较 稳定，适合于远距离、重负荷的高压线路，具有一定的耐受过渡电阻的能力等等。 因此，距离保护一直是复杂电网中高压输电线路最重要、应用最广泛的保护方案之 一。另外，基于暂态电流高频分量构成的暂态保护方案，它利用故障暂态电流的不 同频率成分的衰减差别来区分内、外故障，能够充分利用电流互感器能够传输高频 分量的特性，因此具有很好的研究和实用背景。考虑到高压线路保护的重要性，本 文选择高压输电线路距离保护和电流暂态保护为主要研究对象。 1 2 3f a c t s 装置对线路保护影响研究现状 随着电力系统电压等级的上升，f a c t s 在电力系统中的应用也越来越广泛， l1 0 k v 及以上电压等级的输电线路中有很多应用f a c t s 装置来提高输电能力和系 统的稳定性。当f a c t s 装置接入电力系统后，肯定会对其产生影响。f a c t s 对继 电保护影响的专题研究最早是由通用电气( g e ) 公司的m a d a m i a k 和r p a t t e r s o n 在工业界1 9 9 2 年的国际大电网会议( c i g r e ) 大会第3 4 工作组提出的。该研究认 为必须对f a c t s 设备在电网中的应用对继电保护产生的可能影响引起关注，主要 包括系统参数如线路阻抗、功角、负荷电流的快速变化和f a c t s 控制器动作产生 的暂态过程两个主要方面。该文从常规串补线路装设金属氧化物非线性电阻( m o v ) 带来的线路阻抗的快速变化导致继电保护引入自适应滤波和能量比较器的实例出 发，指出应从f a c t s 对母线保护、变压器保护和线路保护的影响这三个方面入手 进行分析。文献 9 】中针对t c s c 在超高压系统的应用，分析了各种不同类型故障的 频谱分布，提出了基于两个人工神经网络( a n n ) 的线路保护方案。p k d a s h 在文 献 1 0 】中对基于统一潮流控制器( u p f c ) 的传输阻抗进行了详细的分析，指出u p f c 在线路不同安装位置对保护动作边界有很大的影响，为此，文中提出了一种基于 a n n 的自适应在线保护边界算法，并通过计算机仿真加以验证。文献 1 1 】研究了 s s s c 对距离保护测量阻抗的影响，并提出了利用a n n 来自适应的解决此问题。文 献【1 2 】研究了并补元件s v c 和s t a t c o m 对线路保护的影响：首先在理论上分析了 加入并补元件后距离保护测量阻抗的理论值，然后结合e m t d c 仿真软件分析了在 各种故障情况和系统条件下并补元件的反应和阻抗继电器的情况，最后给出了 r t d s 的仿真情况。f a d h e l a a l b a s r i 在文献 13 】中在理论上分析了安装在中点的 4 华北电力大学硕士学位论文 s t a t c o m 在各种故障条件下对线路距离保护的影响，并仿真验证了其理论分析， 但是没有对如何消除这种影响作出阐述和仿真。 在国内方面，文献【1 4 】在研究了s s s c 基本原理的基础上，详细分析了各种短 路故障下s s s c 对基于工频量和基于突变量元件距离保护的影响；对基于工频量的 阻抗元件，根据m o v 的最大耐压值推导出了判断电压反向的条件，对基于突变量 的阻抗元件利用工作电压变化量推导出了动作方程。华中科技大学的关于f a c t s 设备对继电保护的影响主要的研究内容有t c s c 动态基频阻抗和谐波对距离保护的 影响【1 5 i 矾，文章中说明了t c s c 动态基频阻抗对保护性能基本没有影响，仿真工具 使用自行开发的全时域数字仿真程序。文献【1 7 】综述了s t a t c o m 对继电保护的影 响：产生的谐波对系统波形产生影响、s t a t c o m 不同主电路和控制策略引起的暂 态过程对继电保护产生影响、s t a t c o m 安装位置对继电保护产生影响并影响继电 保护的灵敏度，文献中只叙述了结论性的内容，并无详细论述。文献 1 8 】在分析 f a c t s 谐波特性的基础上，具体分析了s t a t c o m 谐波对高压输电线路保护的影 响，指出s t a t c o m 安装位置越近，其谐波成分对线路保护的影响越大，但是缺乏 理论依据，并且对于其谐波的研究分析结论还有待于证明。此外，详细论述 s t a t c o m 对继电保护影响方面的内容，在国内还鲜有研究。 1 3 本课题的研究意义 由于s t a t c o m 可能依系统的不同运行工况而发生变化，故障产生的谐波和暂 态分量，其幅值和频率也会因s t a t c o m 而发生变化，s t a t c o m 的投入与切除产 生的暂态过程等，这些不仅给传统保护的整定带来困难，甚至给传统的保护理论也 提出了挑战，不可避免地对继电保护的性能带来了影响。因此透彻分析其对保护产 生的影响将是其应用于电网的前提条件。针对s t a t c o m 等其他f a c t s 元件越来 越多的应用于电网且对传统保护产生一系列影响的现状，探索适合于并补线路的保 护新原理也将成为当前的热点。 此外，有关s t a t c o m 的文献基本上都是基于s t a t c o m 本身的一些特性而进 行的研究，比如它的结构原理和控制特性、s t a t c o m 对系统电压稳定性的影响等 方面。然而对于s t a t c o m 对继电保护的影响、如何消除此影响以及根据s t a t c o m 的特性构成保护新方案的研究还不是很透彻。f a c t s 元件对继电保护的影响，目前 的研究则主要集中在串补线路影响的分析。大部分文献都把文章重点放在故障定位 上，故障定位算法都是把定位算法分成两个子算法，分别计算电源到串补段的故障 和串补段到负载段的故障得到两个预计的故障点，然后通过一定的方法选择正确的 结果【1 8 l 。还有的是提出了串补线路的保护新方法：利用小波作为前置滤波单元，检 测出高频突变量的同时抑制信号中的稳态分量，数学形态学中的多分辨形态梯度用 华北电力大学硕士学位论文 来进行边沿检测，突出波形的暂态特征【1 9 】。这些方法都将串补f a c t s 元件对继电 保护的影响的课题研究得非常透彻和成熟，但是，对于并补线路的影响还停留在分 析阶段。另外在算法方面，目前文献中研究的算法普遍使用傅立叶变换和小波变换， 傅立叶变换和小波变换都存在着不可忽视的问题：例如傅立叶变换存在着一些限制 条件，它要求系统必须是线性的并且无法知道信号中各频率分量出现的时刻以及随 时间变化；小波理论存在一定的分辨极限和小波基选取的难题f 2 们，需要寻求一种有 效地分析信号的新方法。因此有必要对加入s t a t c o m 后继电保护的新方案方面作 深入探讨和研究。 1 4 本文所做的工作 。 本论文在研究s t a t c o m 的基本组成和运行原理的基础上，结合p s c a d 仿真 软件和m a t l a b 计算程序，分析了s t a t c o m 产生的谐波对电力系统保护的影响； 在分析了s t a t c o m 产生的注入电流对线路距离保护产生的欠范围拒动和超越误动 作影响的基础上，提出了消除这种影响的距离保护新方案；最后根据改进的h h t 算法提出了一种适合并补线路的暂态保护新方案。具体工作如下： ( 1 ) 仿真系统的建立 ， 利用p s c a d 中的p r o t e c t i o n 和s t a t e o m1 2 p l s 仿真数据库，搭建含s t a t c o m 的双电源线路距离保护系统，其中包括s t a t c o m 逆变器及其附加的链接变压器模 块和线路距离保护模块。为研究s t a t c o m 对继电保护的影响分析提供了仿真基础。 ( 2 ) s t a t c o m 对继电保护的影响分析 ( a ) 仿真研究s t a t c o m 在不同安装位置下保护安装处测得的稳态和暂态谐波 电压，分析了稳态和暂态情况下含s t a t c o m 线路的谐波特征以及谐波对线路保护 的影响。 ( b ) 理论分析了投入s t a t c o m 后，线路故障时保护测量阻抗的变化规律，总 结出当故障回路包含s t a t c o m 时由于s t a t c o m 的注入电流会对线路距离保护产 生的超越动作和欠范围误动作等错误动作的原因，并仿真研究了各种故障类型、有 无过渡电阻和不同补偿度情况下阻抗继电器的错误动作现象。 ( 3 ) 含s t a t c o m 线路的距离保护新方案 根据不同故障点保护安装处感受到的不同电压，提出了一种由电压判据构成的 适合s t a t c o m 线路的距离保护新方案，即首先判断s t a t c o m 是否包含在故障回 路中，如果在回路中，则在原来测量阻抗的基础上减去有s t a t c o m 注入电流产生 的附加阻抗，以消除s t a t c o m 对距离保护产生的超越动作和欠范围拒动的现象， 并仿真证验证了该方案的正确性。 6 华北电力大学硕士学位论文 、 ( 4 ) 基于h h t 的暂态保护方案 运用改进的希尔波特黄( h h t ) 算法，提出了一种基于h h t 的并补线路的暂 态保护新原理。应用改进的h h t 算法分析并补线路模型区内外故障时保护安装处测 量电流的高频分量的谱特征，根据在各种故障情况下区内故障时高频分量的谱能量 均明显高于区外故障时的谱能量的特征，构成了并补线路的暂态保护方案。研究表 明该方案可有效正确地区分区内、区外故障，且不受故障类型、过渡电阻、母线分 布电容和s t a t c o m 补偿度的限制，具有良好的性能。 华北电力大学硕士学位论文 第二章s t a t c o m 原理及参数模型 s t a t c o m 是一种并联型无功补偿装置，它能够发出或吸收无功功率，并且其 输出功率可以变化以控制电力系统中的参数。它是一种固态开关变流器，当其输入 端接有电源或储能装置( 如电容) 时，其可独立发出或吸收可控的有功和无功功率。 s t a t c o m 具有控制动态电压、阻尼功率振荡、提高系统暂态稳定性、控制电压闪 变等提高电网质量的性能。此外，s t a t c o m 具有占地面积小，现场工作和调试时 间少，对环境影响小等优点。 2 1s t a t c o m 原理 2 1 1s t a t c o m 的稳态模型 s t a t c o m 的基本原理就是将逆变电路通过电阻和电抗器( 包括变压器的漏抗 与电路中其它电抗) 并联在电网上，根据输入系统的无功功率、有功功率或电压指 令，适当地调节交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以 使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿。s t a t c o m 装置原理总框图如图2 1 所示。图中p t 、c t 、分别是电压互感器和电流互感器，。、 玩k 分别是系统三相电压和系统三相电流，万为s t a t c o m 输出交流侧电压与系统 电压之间的相角差。 图2 1s t a t c o m 装置原理总框图 s t a t c o m 主要采用的是基于电压源( v s c ) 的变换器，使用具有关断能力的 g t o 、i g b t 等器件，调节能力较s v c 强。图2 2 为s t a t c o m 三相连接示意图、 等效图以及在不计损耗和计及损耗情况下的稳态向量图，其直流侧使用电容作为储 能元件提供电压支撑，通过三相直流交流变换器将直流侧电容c 的直流电压变换 为三相交流电压输出玑。输出电压通过耦合变压器与系统相连与系统电压保持同 步，通过调节阢的大小可以调节输出的无功。 华北电力大学硕士学位论文 磁 j x g l g u g r g 。0 气乒0 ( a ) b ) ( c )( d ) 图2 - 2s t a t c o m 示意图及稳态向量图 s t a t c o m 与系统间的联系电抗包括连接变等值阻抗和电路中的其它电抗，数 值较小，标幺值约为o 1 0 1 5 p u 。若不计损耗，即r = 0 ，设皈与阢相角差为0 ， 联系阻抗为x ，则： ，：v s - v , ，q ：v ；- u , v ,。(2-1) 。x g x g 由示意图和式2 - l 可知，如果哝 虬， s t a t c o m 发出感性无功。若将s t a t c o m 损耗计及在电阻足上，贝t s t a t c o m 在正 常运行下要吸收有功功率以补偿内部损耗并维持直流侧电容电压恒定。此时， s t a t c o m 输 电压不再与系统电压虬同相位，而是存在一个角度差矧= 1 9 0 - # i 。 在逆变器调制比不变的情况下，控制直流电容的电压睨即可控制交流侧的输出电 压玑，从而控制无功输出。通过调节输出电压和系统电压间的相位差也可以控制 s t a t c o m 输出和吸收的无功功率。如果在直流侧安装储能元件( 大电容或超导磁 体) ，则可以使s t a t c o m 有能力控制有功和无功交换，成为一个四象限的静止同 步电源。 2 1 2s t a t c o m 的准稳态模型 s t a t c o m 准稳态模型分析的前提条件是： ( 1 ) 交流电源三相对称纯正弦波，互差1 2 0 度； ( 2 ) 变换器处于稳定运行状态，功率管换向有序正确； ( 3 ) 变换器直流侧电压在一周期内保持不变； ( 4 ) 变换器仅输出三相正序电压并与系统电压同步； ( 5 ) 为分析方便，暂不考虑损耗r ，s t a t c o m 所有电感等效为集中电抗l 。 设s t a t c o m 处于间接法控制模式下，通过调节直流侧电压来控制输出交流电压幅 0 华北电力大学硕士学位论文 值，系统电压为u , o ，s t a t c o m 输出电压以么一万，直流侧电压， 抗耳，均取标么值，则： t = c 警 = k 联系等值电 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) = 警= 等等= 半+ 歹( 鼍竽卜+ 几亿4 ， t j x tj x t。xtx t ) 懿飘 由交直流侧功率平衡关系， 纠脚k 卜。蛐m 小q 半2 t k u , u 如咖剐 乞：l ：c 堕箬：矿匕 ( 2 6 ) 其中，k 为交直流系统取标幺值引入的比例系数，可得： 盟：n k u , s i n 万 ( 2 7 ) d t c x r 式2 7 是s t a t c o m 的准稳态描述方程。上述方程s t a t c o m 得控制器方程联 立可构成比较完整的s t a t c o m 的准稳态模型，可用于机电暂态过程的分析。 2 1 3s t a t c o m 的伏安特性 一 s t a t c o m 的典型v 一，特性如图2 4 所示。 i c i c m a x 0 i m 戢 l l 电容性卜+ 电感性 图2 4s t a t c o m 的矿一，特性 从图中可以看出，s t a t c o m 可以提供容性或感性补偿，并且可以在额定的最 大容性和感性范围内，独立控制其输出电流，而与交流系统的电压值无关。也就是 l n 华北电力大学硕士学位论文 说，s t a t c o m 可以在任何电压下提供全额的容性无功功率( 甚至在系统电压低到 0 1 5 p u 时) 。 s t a t c o m 的伏安特性表明其在电压较低时电流仍有较高输出。这种特性使它 在故障发生时出现电压崩溃的情况下仍能进行补偿。图2 4 还展示了不管在容性区还 是感性区s t a t c o m 都具有扩大的暂态容量。容性区可达到的最大暂态过电流是由 变流器开关的最大电流关断能力决定的。而在感性区，变流器开关是自然换向的， 因此s t a t c o m 得暂态电流额定值受变流器开关最大允许结点温度的限制。 2 2s t a t c o m 的拓扑结构 s t a t c o m 拓扑结构对提高容量和改善谐波特性至关重要，其主要结构为大功 率开关器件构成的电压源变换器，有的文献称为逆变器结构【2 2 艺3 1 。基本的结构为单 相桥h 桥、三相两电平六脉桥、三相三电平1 2 脉桥。每个桥臂可由多个3 1 0 个功率 管模块串联而成来提高整体耐压水平，每个功率管模块由g t o 与反向二极管并联而 成，此外还有s n u b b e r 缓冲器件( 控制d i d t 和d u d t ) 。有的器件则将这几个部分集 成在单个功率模块中。通过控制出发脉冲，桥臂可产生方波、半方波或p w m 输出电 压，每相得上下桥臂不能同时导通( 相差1 8 0 度) ，各相桥臂导通时间相差固定的 角度( 通常三相各差1 2 0 度) ，最终组合成逆变器单元的输出电压。通过连接组合 变成多重化结构使各逆变器单元输出的电压相位不同，可以消除部分谐波成分最终 叠加输出近似正弦的电压波形。通过多电平、高脉变数和多重化等措施可有效抑制 s t a t c o m 产生的特征谐波含量，但受成本和结构复杂化的约束，一般最高为三电 平、4 8 脉、八重化结构。 2 3s t a t c o m 控制方法 s t a t c o m 的控制方法是s t a t c o m 极其相关技术的重点研究课题之一【2 4 1 。在 控制方法上，s t a t c o m 与s v c 存在很大的区别。在s v c 控制中，由外闭环调节 输出的控制信号作为s v c 等效电纳的参考值，并且以此信号来控制s v c 调节所需 的等效电纳。而在s t a t c o m 控制中，外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿 器应产生的无功电流、电压或无功功率的参考值，并且由参考值调节s t a t c o m 真 正产生所需的无功电流或无功功率。根据补偿要实现的功能和应用场合，目前 s t a t c o m 的控制主要从控制策略和外闭环的反馈控制量的选取两方面来考虑，可 以分为电流间接控制和电流直接控制。所谓间接控制，就是将s t a t c o m 当作交流 电源来看待，通过对s t a t c o m 装置中逆变器所产生的交流电压基波的相位和幅值 的控制，来间接控制s t a t c o m 交流侧电流；而直接控制【2 2 引。就是对电流波形瞬 时值进行反馈控制，s t a t c o m 可看作一个受控电流源。 f 华北电力大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要内容包括以下几个方面： ， ( 1 ) 介绍了$ t a t c o m 的特点、性能、运行原理和伏安关系；基于交直流侧功 率平衡关系，推导了s t a t c o m 的准稳态方程式，此方程式适用于各种结构的 s t a t c o m 的准稳态建模。 ( 2 ) 介绍了s t a t c o m 的