STATCOM與HVDC綜合協調控制策略

高本鋒，毛亞鵬

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室， 北京102206)

0 引 言

高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)以其輸送容量大、不存在穩定極限、可實現異步聯網等優點，成為遠距離、大功率輸電的首選，為解決我國能源、負荷分布不均等諸多問題作出重要貢獻[1-5]。

隨著直流輸電的發展，多條直流線路饋入同一受端，而這些受端交流系統強度通常較弱，在送端傳輸功率波動時容易引起無功電容器組頻繁投切和電壓波動，當單臺無功電容器容量較大時，其投切引起的電壓波動容易超標；同時，系統對故障抵御能力較低，容易引起換相失敗，導致直流電流劇增、換流閥壽命縮短、直流傳輸功率降低以及導致逆變側弱交流系統電壓不穩定等嚴重后果，使系統安全面臨嚴重威脅[6-8]。

STATCOM具有低諧波、響應快、連續可調的優勢，可以對系統交流母線電壓進行動態支撐[9]。文獻[10-12]研究STATCOM對HVDC系統暫、穩態性能的影響，文獻[13]研究了STATCOM和電容器組的配合方案，文獻[14]針對換相失敗提出特定場合下的附加控制策略，但所提控制都較為簡單。

綜上可知，以上文獻均針對STATCOM和HVDC的協調配合進行了有意義的研究，為本文提供了參考，但都未能提出一個完善地綜合考慮系統暫、穩態工況的協調控制策略。本文以國內某(800 kV特高壓直流輸電實際工程為基礎，利用仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了含鏈式STATCOM的特高壓直流輸電系統模型，同時提出兼顧系統暫、穩態性能的綜合協調控制策略，并在此模型上進行驗證。

1 綜合協調控制策略

1.1 系統級控制策略

本文所提出的綜合協調控制策略，主要是指將STATCOM和HVDC無功小組(尤指無功電容器)進行無功協調配合的控制策略。

協調控制策略共分為4種控制模式：穩態調壓控制模式、穩態恒無功控制模式、暫態電壓控制模式和閉鎖控制模式。其中，穩態控制模式和暫態電壓控制模式是通過換流母線電壓變化幅度和變化速率進行判斷選擇，而閉鎖控制模式通過換流母線電壓下降幅度和人工控制進行選擇，最終根據具體工況選擇合適的控制模式，其具體框圖如圖1所示。

圖1 系統級控制框圖

圖1中，Qs_ref為STATCOM無功指令值，Us_ref為交流母線電壓指令值。

不同控制模式的具體判據如下所示：

(1)當接收到定無功控制指令信號，交流電壓高于0.9 pu且電壓變化率不高于設定值時，判定恒無功控制動作；

(2)當接收到穩態調壓控制指令信號，交流電壓高于0.9 pu且電壓變化率不高于設定值時，判定穩態調壓模式動作；

(3)當交流電壓低于0.9 pu且大于0.4 pu，或電壓變化率高于門檻值時判定暫態電壓控制動作；

(4)當交流電壓低于0.4 pu時，為保護設備安全，選擇閉鎖控制模式，此時STATCOM輸出無功為0。同時，手動控制也能實現STATCOM閉鎖。

STATCOM控制模式優先級從低到高分別為：穩態控制模式、暫態控制模式和閉鎖模式；控制模式從低優先等級切換到高優先等級設置一定的滯環延遲，以防止模式來回切換，確保有足夠的的無功限額和保護設備安全。

1.2 不同模式詳細控制策略

1.2.1 穩態調壓控制模式

穩態調壓控制起作用時，設置STATCOM穩態容量最大值Qs_MAX為電容器容量Qc的一半：Qs_MAX=0.5Qc。

由于STATCOM響應速度較快，可對電壓進行連續調節，因此在控制策略規劃時，設計STATCOM判定條件的優先級在電容器組之上，以保證STATCOM優先動作。同時，在判定STATCOM容量能滿足無功需求時，無功電容器不動作于投切；當無功需求超出STATCOM容量范圍時，進行無功電容器投切判定，其動作判據通過無功死區計算得出。

HVDC無功小組通常采用無功控制和電壓控制兩種模式，下文以無功小組處于無功控制為例進行分析，對于其處于電壓控制方式時的控制機制，將交直流交換無功Qac替換為(Uac_ref-Uac)×K無功-電壓即可。其中，Qac以直流系統流向交流系統為正方向；Uac_ref和Uac為交流系統電壓指令值與實際值，K無功-電壓為無功-電壓靈敏度，可由公式計算得出。

(1)

式中n為采集樣本數量;ΔQi與ΔUaci為系統無功增量和交流母線電壓增量。

穩態調壓控制的具體策略結構框圖如圖2所示。其中，Qs為STATCOM輸出無功實際值，Q死區上限與Q死區下限為無功小組動作死區上限和下限值，QS_MIN為STATCOM輸出容量下限，N為此時投入無功小組數，N余留為此時備用無功小組數，N絕對最小是為了防止濾波設備過負荷的最小濾波器組數，N最小為滿足諧波要求所投入的最小濾波器組數。

以檢測到交流電壓實際值超出電壓指令值為例，穩態調壓控制的具體策略如下所示：

圖2 穩態調壓模式控制框圖

步驟1：當交流母線電壓上升時，首先判斷交流電壓是否超出電壓最大值限制，以避免穩態過電壓引起保護動作。當交流母線電壓超過限定值時，應判定依次延時切除無功小組，直至達到絕對最小濾波器數；當交流母線電壓未超過最大電壓限制時，此時應根據式(2)判斷單組無功小組容量Qc是否能滿足系統恢復額定狀態的無功需求。

Qac≤Qc

(2)

若式(2)不成立，表明單組無功電容器的切除不能滿足無功需求，進入步驟3。

若式(2)成立，表明單組無功電容器的切除能滿足無功需求，進入步驟2。

(2)步驟2：若滿足式(3)，則表明STATCOM剩余無功可滿足系統無功需求，判定無功小組禁止切除，并經過一定時間延遲t后(防止頻繁投切)，進入步驟4；

若式(3)不滿足，則表明STATCOM剩余無功不能滿足系統無功需求，應進一步判定系統無功需求是否超出電容器動作死區。若無功需求未超過動作死區，則判定電容器禁止投切，進入步驟4；若超過，則進入步驟3。

Qs-Qs -MIN≥Qac

(3)

(3)步驟3：檢測無功小組是否小于系統要求最小濾波器組數N最小。

當無功小組數大于最小濾波器組數時，判定切除一組無功小組，在一定延遲t后進入步驟4；若達到最小濾波器數值，則判定STATCOM維持穩態輸出最小限值，同時無功小組禁止切除，在一定延遲t后，控制邏輯進入步驟4。

(4)步驟4：檢測系統電壓、電壓變化率、無功指令信號和手動閉鎖信號，進行控制模式判斷選擇，若滿足穩態調壓控制模式，則再轉入步驟1。

在該穩態調壓模式下，當電壓升高時STATCOM能先動作以減小電壓升高，同時與交流濾波器配合能使系統不超過最大交流電壓而引起保護動作，而且能維持系統諧波要求和無功設備最大負荷要求；在電壓降低時，該協調模式能使系統電壓維持穩定。

1.2.2 穩態恒無功控制模式

穩態恒無功控制模式下，STATCOM發出無功不變，結構框圖如圖3所示。

圖3 穩態恒無功控制框圖

以交流母線電壓低于額定值為例，此時若檢測到Qac小于無功小組動作下限Q死區下限，則判斷是否有備用無功小組，若有則投入一組無功小組，在一定延時后進入模式判斷環節；若無備用則禁止投入。

若檢測到Qac不小于無功小組動作下限Q死區下限，則判定禁投備用無功小組，在一定延時后進入控制模式選擇判定環節。

在穩態恒無功控制模式下，系統能將交、直流交換無功控制在規定范圍內，同時避免設備過電壓和無功小組過負荷，而且能保證系統對于濾除諧波的要求。

1.2.3 暫態電壓控制模式

暫態控制模式啟動時，STATCOM無功容量限制增至其額定值，此時其容量上限大于穩態控制模式。由于暫態模式下電壓無功波動較快，設置無功小組禁止投切。同時，為進一步改善HVDC系統暫態特性，本文提出附加控制策略。

STATCOM原控制策略中，外環交流電壓控制部分的輸入端只包含電壓參考值和實測值，而本文所提附加控制在該輸入端引入HVDC逆變側關斷角附加值，在判定暫態電壓控制模式起動時，附加控制發揮作用，附加控制框圖如圖4所示。

圖4 附加結構控制框圖

附加控制啟動后，首先計算逆變側關斷角的指令值γ*與實際值γ的偏差△γ，然后比較△γ和該值通過時延環節的輸出值，選取兩者中較大值。此后，該較大值不斷更新以選取最大值△γmax，并通過PI環節引入到STATCOM外環交流電壓輸入端，保持該最大值直至附加控制功能判定退出，從而使得STATCOM可以在短時間內提供更多的無功補償，更好地抑制換相失敗，幫助系統更快地恢復穩定。

綜上，暫態控制模式能在系統逆變側發生故障時抑制交流電壓下降趨勢，減少直流電流上升幅度，抑制換相失敗，加速系統恢復。

1.2.4 閉鎖控制模式

當檢測系統交流母線電壓滿足閉鎖判據時，閉鎖控制模式啟動，STATCOM輸出無功為0，同時為防止無功小組投切所帶來的短路電流大幅振蕩，禁止無功小組進行投切操作。

綜上可知，上述各種控制模式可以相互協調配合，從而達到減小電壓波動和維持系統無功需求的目的，最終改善系統暫、穩態特性。

2 仿真建模及結果分析

2.1 模型參數

利用PSCAD/EMTDC搭建含STATCOM的高壓直流輸電模型，如圖5所示。其中，HVDC一次參數采用國內某特高壓直流輸電實際工程參數，接線方式為雙極雙12脈動換流器結構，電壓等級為±800 kV，額定電流為5 kA，額定輸送功率為8 000 MW，直流線路長度為2 361.5 km。

圖5 含STATCOM的HVDC拓撲圖

該直流模型整流側交流母線電壓額定值為770 kV，短路比(Short Circuit Ratio，SCR)為5；逆變側交流母線電壓額定值為525 kV，短路比為2.5。

直流輸電系統逆變側還配備有2臺額定容量為±120 Mvar的STATCOM。STATCOM模型采用工程上常采用的角接鏈式H橋拓撲結構，額定電壓35 kV，每相H橋數為39個，每個H橋直流電壓2.2 kV，連接電感5.8 mH，子模塊電容10 mF，啟動電阻3 kΩ。

2.2 控制模式仿真分析

為驗證本文所提協調控制策略優越性，本文以如下三種控制方案進行對比分析。

控制方案1：受端交流系統采用傳統交流電壓控制的STATCOM，無協調控制；

控制方案2：受端交流系統含STATCOM，換流站無功小組和STATCOM采用協調控制策略，暫態模式無附加控制；

控制方案3：受端交流系統有STATCOM，換流站無功小組和STATCOM采用協調控制策略，暫態模式含附加控制。

本文所提協調控制策略中，無功小組投、切間隔設置為0.5 s，仿真運行期間，整流側無功補償設備不動作，換流變壓器分接頭不參與調節。無功小組的投切以先投交流濾波器，先切無功電容器為原則。

2.2.1 穩態電壓控制模式

初始時刻，系統工作在1.0 pu直流額定工況，從9.2 s時刻起，到9.3 s為止，將系統直流傳輸功率提高到1.1 pu，在該過程中，控制方案1與控制方案2對比所得結果如圖6所示。

圖6 穩態工況對比圖

由圖6可知，直流功率上升到1.1 pu后，由于換流器吸收無功增大，逆變側交流母線降低。方案1條件下，STATCOM滿發240 Mvar無功，但只靠STATCOM仍不足以使交流母線電壓恢復到額定值，最終穩定在520 kV；方案2中，STATCOM先滿發130 Mvar無功，滿足無功電容器投入條件后，2組無功電容器時隔0.5 s相繼投入，STATCOM輸出無功最終穩定在50 Mvar，逆變側交流母線電壓恢復到額定值。

2.2.2 暫態電壓控制模式

(1)無附加控制。

初始時刻系統工作在1.0 pu直流額定工況，從9.2 s時刻起，到9.3 s為止，將直流傳輸功率提高到1.06 pu，換流器吸收無功增大，交流母線電壓降低，STATCOM輸出感性無功，方案1和方案2各電氣量對比圖如圖7所示。

圖7 暫態工況對比圖

方案1下，STATCOM滿發240 Mvar無功，無功電容器組不動作；方案2下，STATCOM穩態工況時只能輸出120 Mvar無功，當無功電容器滿足動作判據后，判定投入一組無功電容器小組，置換出STATCOM無功容量作為無功備用容量，以應對逆變側故障。

11 s時，在逆變側換流母線上設置三相感性接地故障，故障持續時間0.1 s，故障阻抗為0.47 H。

方案1中，STATCOM已經滿發240 Mvar無功，在逆變側發生接地故障時不能再輸出更多感性無功，因此逆變側換流母線急速跌落，逆變側關斷角兩次跌落低至零值，系統發生換相失敗。

方案2中，STATCOM留有更多STATCOM無功裕度，在逆變側接地故障發生時，系統能有足夠動態無功抑制交流母線的降低，逆變側關斷角降低幅度減緩，首次下降未降低至換相失敗臨界值，系統未發生換相失敗。

(2)含附加控制。

為驗證所提附加控制策略的有效性，在10.3 s設置逆變側發生三相感性接地故障，故障持續時間0.1 s，故障阻抗0.44 H，通過對比有無附加控制的控制模式，以驗證附加控制策略的有效性。

由圖8可知，在故障發生后，無附加控制的HVDC系統逆變側關斷角降到0°，而含附加控制的HVDC系統直流電壓下降趨勢得到抑制，直流電流陡增幅度減緩，逆變側關斷角大于7.2°，系統未發生換相失敗，表明附加控制能抑制換相失敗的發生，且能改善系統恢復特性。

圖8 附加控制對比圖

3 結束語

本文利用STATCOM設計了涵蓋系統暫、穩態工況的綜合協調控制策略，并以基于實際工程的系統模型進行仿真分析，仿真結果驗證了該協調控制策略的優越性。具體結論如下所示：

(1)穩態工況下，該協調控制策略能提升系統對交流電壓的精確控制能力，減少電壓波動；

(2)暫態工況下，該協調控制策略能使系統有足夠的動態無功支持，減少換相失敗的發生。同時，所設計的附加控制模塊能進一步提升系統對換相失敗的抵御能力，改善系統恢復特性。

綜上，本文所提協調控制策略具有良好的暫、穩態控制能力，對整個系統的運行特性具有良好的改善作用。