基于WAMS的多STATCOM穩態協調控制策略

劉 策，霍利民

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

基于WAMS的多STATCOM穩態協調控制策略

劉 策，霍利民

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

隨著電網電力需求不斷的增大，電力系統的電壓穩定能力和動態無功補償能力顯得格外重要。STATCOM在穩態運行時與無功補償設備協調控制，可以實現母線電壓的有效控制和系統的無功補償。為了實現協調控制，根據STATCOM現有的5種控制模式，借助廣域測量系統(WAMS)，形成多個STATCOM穩態模式協調控制策略。該策略利用WAMS實測信息靈活切換STATCOM控制模式，且與有載調壓變壓器配合，實現STATCOM穩態模式與有載調壓的協調控制，提升區域電壓穩定性。在IEEE39節點測試系統內進行了分析與驗證。分析結果表明，該策略能改善區域系統電壓過低情況，提高了電網系統的電壓穩定性。

靜止同步補償裝置；廣域測量系統；控制模式；協調控制

0 引言

柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission System，FACTS)提升現代電力系統運行的效率和安全穩定的能力尤為突出，很好地確保了電網安全、可靠、經濟和優質的運行[1-2]。靜止同步補償裝置(Static Synchronous Compensator，STATCOM)作為并聯型的FACTS，具有吸收或補償無功功率的能力，在遠距離交流輸電系統和風電并網系統中發揮著改進電能質量、提高輸送容量以及增強系統阻尼等方面的作用[3]。廣域測量系統(WAMS)能精確快速地測量系統各節點的電氣量，為電力系統的參數辨識提供了方便，在更好地進行全網控制方面起到了關鍵的作用，展示了良好的應用前景[4]。

在電網電力需求量大，負荷高度密集的地區。一旦因為動態無功支撐不足而使負荷中心出現故障，系統的電壓潮流就會發生劇烈變化，就可能造成系統電壓嚴重失穩，使整個系統崩潰。通過利用STATCOM的技術，能夠有效改善電網系統的電壓可靠性和穩定性，并使其抵御電網事故的能力得到提升。

近年來，國內外對STATCOM接入系統的控制策略方面的研究和利用取得了部分成果。文獻[5]提出了統一潮流控制策略，該策略中輸電線路末端的母線電壓是根據本地測量的電氣量再經過潮流計算得到的，計算過程較復雜。此時可以直接用WAMS中的PMU裝置直接實時測得兩線路末端母線電壓幅值和相位角等信息，更簡單地實現了線路有功功率和無功功率協調控制的過程。WAMS系統信號傳輸滯后對控制效果影響較大[6]，時滯的存在使得電力系統的穩定控制變得更加復雜和困難，也是系統不穩定的根源之一。文獻[7]根據自由權矩陣理論和優化算法，提出一種抗時滯的多FACTS廣域協調控制算法，采用WAMS信號給出一種多FACTS集中協調控制形式，以保持多機系統的暫態穩定性。但是該控制算法計算相對復雜，權的不確定性較大，優化過程的結果不易得到。文獻[8]針對裝有PSS、大型風電場和FACTS設備的電力系統，基于廣域信號設計的廣域協調控制器利用粒子群算法進行全局參數優化，提高系統穩定性。但是該粒子群算法網絡權重的編碼和遺傳算子的選擇都比較復雜，因此全局參數的優化不易實現。文獻[9]提出了一種可控制動電阻控制器(Thyristor Controlled Braking Resistor, TCBR)廣域協調優化策略，該策略采用三級共態預估算法對本地控制器進行全局的非線性遞階最優化協調。該控制策略能參考實時系統的運行狀態，根據WAMS提供的實時信息來確定和校正每個本地控制器的控制參數，由此使控制器適應不斷變化的系統運行情況，保證隨時獲得最優的控制效果。

本文參照STATCOM 5種基本控制模式，根據廣域測量系統的原理、功能及應用現狀，針對多STATCOM系統，結合PMU實時信號，利用系統級、裝置級的分層控制的思想，提出系統運行在不同狀態時各STATCOM之間協調控制策略。該策略能充分利用WAMS實測信息來靈活切換STATCOM合適的控制模式及目標，使各STATCOM與其臨近動態無功補償裝置間的控制相互協調，同時有載調壓變壓器也隨時配合STATCOM動作，實現STATCOM穩態模式與有載調壓的協調控制，從而提升區域電壓穩定性。

1 STATCOM的不同的控制模式

根據電網的調度和控制的需要，STATCOM 需要儲備部分無功容量參與日常系統運行的穩態調壓環節，同時作為AVC系統的子單元，參與到全網無功和電壓控制當中。為維持暫態電壓穩定并減少低壓釋放的負荷，就要求STATCOM動態補償容量要大且響應速度要快。

在進行協調控制之前，首先要對STATCOM的不同控制模式進行總結。根據系統的不同運行情況，STATCOM的控制模式分為暫態控制、穩態控制和阻尼控制；其中暫態控制就是暫態電壓控制，而穩態控制又包括穩態電壓控制、恒無功控制和遠方控制[10]。

(1)暫態電壓控制模式

系統遭遇諸如線路故障或較大感性無功負荷投入或切除等大擾動時，系統的電壓會迅速跌落至0.9 p.u.以下或上升至1.1 p.u.以上，當在時間檢測窗口內檢測到電壓瞬時值變化速率持續超過2～3 p.u./s或任一相電壓不在區間[0.9,1.1]范圍內時，STATCOM將切換至暫態電壓控制模式。當檢測到電壓跌落至0.3 p.u.以下時，即判定為近端短路故障，此時閉鎖STATCOM控制系統，避免其響應使短路電流增大。

(2)遠方控制模式

非耦合點電壓受到干擾超過界限在可控范圍內時，STATCOM通過遠方通信接收指令進入穩態電壓控制或恒無功控制模式，在保證STATCOM自身耦合點電壓穩定前提下，調節無功輸出使區域內遠方母線的電壓維持在穩定范圍內。遠方控制的優先級低于暫態電壓控制。

(3)穩態電壓控制模式

公共耦合點(PCC)處的電壓穩定在[0.9,0.95]或者在[1.05,1.1]區間時，STATCOM進入穩態電壓控制模式，在該模式下PCC電壓參考值可以進行人工設定，裝置根據系統的電壓變化而進行自動反饋調節。在系統遭遇小擾動或需要分鐘級的長期電壓調節時，STATCOM可以自動調節無功輸出以維持節點電壓的恒定。

需要注意的是，在實際的系統運行中，當電壓超過系統要求時，需要通過投入電抗器來降低電壓；當電壓低于系統的要求時，則需要投入電容器來提升電壓。故STATCOM 的穩態控制策略中需要考慮與臨近的可機械投切的無功補償設備進行配合。同樣，為了保證裝置留有足夠的動態無功備用，處于穩定調壓的可用容量需要設定上限和下限。這樣做即可以保證無功調節的連續可調性，又減少了STATCOM大功率運行的有功損耗。

(4)恒無功控制模式

PCC電壓在[0.95,1.05]時，STATCOM將切換至恒無功控制模式。初始狀態下為了減小損耗并保留無功備用，STATCOM不補償感性無功或只吸少量的感性無功，在該控制模式下STATCOM對小擾動不作響應。為避免PCC電壓在恒無功控制與穩態電壓控制模式分界點附近波動時STATCOM頻繁切換控制模式，切換方式將遵循繼電動作特性。

(5)阻尼控制模式

在主控制回路中附加阻尼控制回路，該回路由線路功率為輸入，修正無功電流為輸出。可在系統發生低頻振蕩時減小由功率振蕩造成的電壓波動，從而增強系統阻尼。

2 基于WAMS的多STATCOM穩態協調

由WAM、WAC和WAP組成的廣域測量系統(WAMS)將發電機的轉速以及母線電壓幅值、相角等實時信號作為FACTS的輸入信號，起到了簡化控制器協調控制的控制算法的作用。

近年來在電力系統控制中應用WAMS技術收效顯著，因此，為實現大電網的優化穩定控制，在開展多STATCOM協調控制研究時，可以考慮與WAMS結合起來，依據實測信息達到更好的控制效果。

2.1 基于WAMS的協調控制整體方案

基于WAMS的多個STATCOM協調控制整體結構如圖1所示。

圖1 基于WAMS的協調控制整體方案

首先利用相量測量單元獲取電壓、電流等實時同步信號，經通信線路傳送至控制主站。控制主站對接收到的實時數據進行預處理，根據時間標簽將數據進行分類，并辨別和去除錯誤信息。得到正確的信息以后，控制主站將利用實測信息對系統狀態進行估計，并制定系統級協調控制策略，該策略經系統級控制層將動作命令傳輸至本地控制層，選擇各STATCOM長期穩態控制或短期暫態運行模式，協調控制STATCOM、變壓器等其他動態裝置。

2.2 基于WAMS的多STATCOM穩態協調

結合5種不同的STATCOM基本控制模式，本文提出基于WAMS的多STATCOM系統協調控制策略，所得到的控制框圖如圖2所示。

在初始穩態系統中，首先基于WAMS的實時檢測數據找出電壓較低的區域，并確定需要進行控制的節點，即確定系統中需要參與協調控制的STATCOM裝設處。然后對參與協調控制的STATCOM進行遠方控制，即向其發出遠方指令，使其切換到遠方控制模式，此時其他的STATCOM不動作。

圖2 基于WAMS的多個STATCOM協調控制

遠方控制信號根據STATCOM輸出補償容量的不同，控制STATCOM切換不同的控制模式。當STATCOM輸出的容量小于一個電容器組的容量時，遠方信號控制STATCOM進入穩態電壓控制模式并調節節點電壓升高0.01 p.u.；當STATCOM輸出的容量大于一個電容器組的容量但是小于2個電容器組容量時，遠方信號控制STATCOM切換至恒無功控制模式并增加發出的無功容量到穩態無功容量的上限；當STATCOM輸出的容量超過2個電容器組的容量時，STATCOM只能保持最大穩態容量的輸出，此時需要借助有載調壓調節變壓器分接頭到+2.5%。

經過一輪調控，WAMS再次進行實時檢測，若此時節點電壓介于0.95 p.u.和1.05 p.u.之間則控制結束，否則繼續重復上一輪的控制過程，直到節點電壓滿足控制要求結束。

3 測試系統分析與驗證

為了清楚地闡明基于WAMS的多STATCOM協調控制策略下，參與協調的多個STATCOM的工作狀態，需要結合具體的測試系統進行分析。本文采用IEEE39節點標準測試系統，該系統分為3個區域，分別命名為區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，如圖3所示，其中節點1為平衡節點。

圖3 IEEE39節點標準測試系統

3.1 STATCOM協調控制節點選擇

為確定參與協調控制的STATCOM節點，需要對系統的電壓分布和有功分布進行分析，做到維持系統電壓穩定并兼顧提高系統阻尼，根據測試系統電壓的圖譜得到區間分布表，如表1所示。

表1 節點電壓標幺值區間分布表

由電壓分布表可知，區域I和III處的電壓相對較高，而區域II內節點電壓偏低，全系統電壓最低的前10個節點及其電壓值如表2所示。

表2指出電壓最低的10個節點中有9個位于區域II中，且節點38、12、13、16的電壓均低于0.95 p.u.，但不能僅憑電壓選擇區域II中的STATCOM進行動作。

除了衡量節點電壓外，還需考察有功功率較重的非變壓器線路，以及區域聯絡線功率情況。根據系統有功分布得到負荷較重的前10條線路和區域聯絡線功率如表3和表4所示。

表3和表4指出區域I與另外2個區域聯系較緊密，但區域II和區域III之間聯系較弱，因此僅區域II內STATCOM動作不能有效地提高區域III內的暫態穩定以及系統阻尼。

表2 全系統電壓由低到高前10節點

表3 有功由高到低前10線路

表4 區域聯絡線功率

區域II中節點11作為升壓變壓器高壓側節點，任務是將發電機G1的有功經11-12送給負荷的同時將G10的有功經11-15-13也送給負荷。因此節點11是重要節點，考慮到沒有無功補償情況下節點11電壓為0.952 p.u.，非常接近正常區間下限，因此節點11選作為第1個STATCOM控制節點。

區域II中節點35不僅承擔將G10的有功經過10-36-35-16送給負荷，還是區域聯絡節點，其電壓在未補償時僅為0.955 p.u.，為保證節點35不會因為電壓失穩而引起系統解列，因此節點35選作第2個STATCOM控制節點。

區域III中節點32承擔著將G9和G8的有功經線路32-27送給負荷，需要保證該節點電壓穩定并兼具阻尼功能，故選擇節點32為第3個STATCOM控制節點。同時節點27還是聯接區域I的重要節點，故也選擇節點27作為第4個STATCOM控制節點。

因此，綜合考慮系統電壓分布與有功分布特性，在該系統中參與協調控制的4臺STATCOM，分別位于節點11、35、32、27。其中，4臺STATCOM的臨近的電容器組容量為40 Mvar/組，其具體參數如表5所示。

表5 STATCOM的主要元件參數

3.2 STATCOM穩態控制模式與有載調壓變壓器協調配合過程

系統的初始狀態為4臺STATCOM接入系統但輸出感性無功為零，節點11、35處STATCOM檢測到耦合點電壓0.952 p.u.和0.955 p.u.，故進入恒無功控制模式；32和27處STATCOM進入恒無功控制模式。

WAMS測量系統檢測到區域II內多個節點電壓過低，第一輪控制對節點11、35處STATCOM采取遠方控制模式，調節節點11、35電壓值至0.962 p.u和0.965 p.u.，保持節點32和27處的STATCOM不動作。第一輪控制結束后，區域II中節點電壓變化情況如表6所示。

表6 第一輪控制結束后各節點電壓

由表6可知，第一輪控制后，除節點38電壓仍低于0.95，其他節點電壓均處于區間[0.95,1.05]。此時節點11、35處STATCOM分別發出無功70.5 Mvar、50 Mvar，此時節點11處STATCOM無功輸出與2組電容器容量(2×40 Mvar)非常相近，節點35處STATCOM距離2組電容器容量上限還有30 Mvar的備用容量。故第二輪控制時，節點11和35處STATCOM切換為恒無功控制模式，節點11、35分別增發9.5 Mvar、30 Mvar的無功功率，到達規定的穩態無功上限。結果如表7所示。

表7 第二輪控制結束后各節點電壓

第二輪控制后，2臺STATCOM均達到穩態調壓輸出容量的上限，因此在第三輪控制中為保證STATCOM至少50%的無功備用，將不再繼續增發無功。故第三輪控制將調節對應升壓變的變比，將升壓變38-39的變比調節為1.025。結果如表8所示。

表8 第三輪控制結束后各節點電壓

由表8可知，第三輪控制結束后，節點12、13、15、11和39電壓相比第二輪略有下降，但仍在[0.95,1.05]區間內，相反節點38、16、35、36和34電壓上升，且節點38電壓值升至0.95 p.u.以上進入正常區間。

經過了三輪控制，電壓分布與初始狀態對比如表9所示。

表9 初始電壓與穩態電壓協調控制結果對比

對比控制前后可知，初始狀態時區域II內電壓較低的節點區域在協調控制后明顯得到改善，證明協調控制能有效提高區域電壓。

4 結論

本文對STATCOM現有的5種控制模式進行了梳理，并根據這些控制模式，借助廣域測量系統(WAMS)提出多個STATCOM穩態模式協調控制策略。該策略利用WAMS實測信息，選擇合適的STATCOM動作，即根據系統運行狀態的變化進行穩態模式間的靈活切換，同時還與有載調壓相結合，在改善區域系統電壓過低的同時，依然保留較大的無功備用容量以應對緊急狀態，進而提高了電網系統的電壓穩定。

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Steady State Coordinated Control Strategy for Multiple STATCOMs Based on WAMS

LIU Ce，HUO Limin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

With the increasing consumption demands for power grid, the capability of voltage stability and dynamic reactive power compensation of power system become particularly important.When the STATCOM (Static Synchronous Compensator) is coordinated with the reactive power compensation device in the steady state operation, the control of the bus voltage and reactive power compensation of the system can be realized.In order to realize the coordinated control, the coordinated control strategy of multi STATCOM steady state mode is formed according to the existing five control modes of STATCOM as well as the use of the wide area measurement system (WAMS).By using the information of WAMS to flexibly switch the STATCOM control mode, the strategy cooperates with the on-load tap changer transformer to realize the coordination control, and improve the voltage stability region as well.Analysis and verification in the IEEE39 node test system is conducted.The results show that the proposed method can improve the voltage stability of the system.

STATCOM；WAMS；control model；coordination control

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.005

2017-03-31。

河北省自然科學基金(2008000357)。

TM761

A

1672-0792(2017)06-0027-07

霍利民(1965-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統自動化技術和智能電網。

劉 策 (1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統自動化和智能電網。