換相失敗下STATCOM助增暫態過電壓機理與優化策略

梁卓航，時純，李巖松，劉君

( 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

0 引 言

我國能源負荷分布不均衡，基于電網換相換流器的高壓直流輸電(line commutated converter high voltage direct current, LCC-HVDC)成為我國資源優化配置的一項重要手段[1-2]，在我國得到迅猛發展與廣泛應用。這種輸電方式能滿足我國大規模新能源發電集中外送的要求，也能提高輸送功率的穩定性[3-6]。但隨著偏遠地區的風電等新能源發電廠大規模地接入系統，LCC-HVDC送端往往為弱交流系統，其網絡結構簡單，短路容量小，無法對直流系統起到強有力的靜止同步補償器(static synchronous compensator, STATCOM)支撐作用，電網整體呈現出“強直弱交”的特性[7-8]。當受端系統發生故障引發直流換相失敗時，送端系統也會受到沖擊，出現暫態過電壓等[9-10]。在我國西北地區，大量風電場匯集在直流送端，而送端的暫態壓升可能會傳遞到近區風電場，從而引發風機高壓脫網等不良后果。

STATCOM具有可從感性到容性全范圍內連續調節、無功輸出相當于同容量靜止無功補償器(static var compensator, SVC)的1.4～2.0倍等優點，在系統無功補償與電壓暫態穩定性等方面表現出了優越的性能[11-12]。因此，STATCOM常用于送端換流站內提供無功支撐，提高系統電壓的暫態穩定性，改善LCC-HVDC運行特性。

STATCOM輸出無功功率動態補償電網電壓變化是通過改變控制系統輸出指令實現的[13]，無可避免地存在一定的滯后延時。當控制指令無法立即響應電壓的迅速變化[14]時，STATCOM可能會助增系統的過電壓。文獻[15]提出直流發生換相失敗故障，會將能量傳遞到送端，破壞送端交流系統穩定。文獻[16]提出弱送端系統在抵御直流系統帶來的擾動時，抗干擾能力弱，送端母線會因無功過剩從而引起送端暫態過電壓。文獻[17]和[18]提出換相失敗下，STATCOM可能會助增過電壓，呈現電壓“反調”特性。文獻[19]對STATCOM控制器進行了分析，但未對滯后效應與響應時間進行詳細的分析推導。文獻[20]提出STATCOM在換相失敗下的動態無功補償性能不如大容量調相機，而未對STATCOM提出相應的優化策略。同時，針對直流輸電系統中交流側暫態過電壓的抑制，學界也提出了一定的方法。一部分策略利用改變系統參數以抑制暫態過電壓，如文獻[21]提出了改進整流站定電流控制器的時間常數以抑制暫態過電壓數值。文獻[22]與[23]則分別提出通過換相失敗期間逆變站主動投旁通對，并調節直流電流指令以及在逆變站直流側出口增加直流斬波器降低暫態過電壓數值。另一部分策略則主要通過改進無功補償裝置降低其對暫態過電壓的助增作用。如文獻[24]提出采用響應速度較快的TCR型SVC裝置,故障時進行緊急閉鎖以避免助增暫態過電壓。另一方面，對于小容量的無功補償裝置STATCOM，也曾提出采用雙閉環控制，即采用電流內環控制和電壓外環控制的方法降低其對暫態過電壓助增作用。但對大容量STATCOM助增暫態過電壓現象進行機理分析及相應策略改進的文獻仍相對較少。顯然，STATCOM滯后特性不利于系統的安全穩定運行[25]，因此，STATCOM滯后特性的研究及相應優化策略的提出具有十分重要的意義。

針對上述問題，文章首先詳細分析換相失敗下弱送端系統的電壓特性，揭示暫態壓升的產生機理；其次根據STATCOM的控制結構，分析其頻率響應特性，并揭示輸入信號頻率與響應滯后時間之間的關系；最后針對STATCOM的滯后特性，提出一種基于阻尼投切的優化策略，以抑制STATCOM對暫態過電壓的助增作用，并通過仿真驗證優化策略的有效性。

1 換相失敗對弱送端系統的影響

隨著邊遠地區的光伏、風電等新能源大規模接入系統，弱送端電網結構簡單，抗干擾能力弱，無法強有力地支撐直流輸電系統穩定運行的特點越來越明顯。而由受端交流電網故障引發的直流系統換相失敗是LCC-HVDC中的常見故障，這種故障會引起對弱送端系統的沖擊，帶來暫態壓升等問題。這種暫態壓升可能會傳遞到近區風電場，引發風機高壓脫網。

在直流輸電系統中，換流站通常需要吸收一定的無功功率以維持正常運行，這些無功一般由換流站附近的無功補償裝置提供。直流換相失敗后，常常伴隨著無功功率的急劇變化，這會對換流站電壓穩定性產生影響[26]。

以直流標準模型為例，直流送受端在正常運行時與交流系統交換的無功功率可通過式(1)—(6)計算得出：

(1)

(2)

Vdr-Vdi=RdId

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Vdor與Vdoi分別為整流側與逆變側空載直流電壓(r與i分別代表整流側與逆變側，下同)；Nr、Ni分別代表對應側6脈動換流器個數；Tr、Ti分別代表對應側換流變壓器變比；Vr、Vi分別代表對應側換流母線電壓；Vdr、Vdi代表直流電壓；α代表整流側觸發角；β代表逆變側觸發角；Xcr、Xci分別代表對應側換相電抗；Rd、Id分別為直流線路電阻與直流電流；φr、φi分別代表對應側功率因數角；Pr、Pi代表對應側直流功率；Br、Bi分別代表對應側濾波器電納；Qr、Qi分別代表對應側直流系統與交流系統交換的無功功率。

在暫態過程中，還需要以下方程描述直流線路的動態過程：

(7)

式中：Lr、Li為平波器電抗；Ld為直流線路電感，暫態過程計算中使用式(7)代替式(3)。

當受端(逆變端)系統產生干擾或發生故障，引發直流輸電系統換相失敗后，逆變側的直流電壓將會被限制在較低的水平。在低電壓限流功能(voltage dependent current order limit，VDCOL)的作用下，直流電流指令會被限制在最小值。為了將直流電流降低，控制系統將整流側的觸發角由正常運行時的15°增大至130°左右。但由于控制系統存在的延時性，在觸發角增大的初期，直流電流Id仍會增大(原因：式(7)中有Vdi≈0、Vdr>0或Vdi>0、Vdr>0但有Vdi?Vdr)。此時，直流電流和整流觸發角均同時增加，整流端換流器將消耗大量無功功率(原因：式(5)中Vdr>0，Id?穩態值，導致式(6)中Prtanφr很大)，從而導致交流系統出現無功功率缺額，交流母線的電壓隨之降低。

當整流側觸發角不斷增大時，直流電流Id達到最大值后將會迅速下降，隨著直流電流的迅速減小，整流側換流器消耗的無功功率也隨之迅速減小(原因：Id≈0，導致式(6)中Prtanφr接近于0)，此時濾波器發出的無功功率將出現剩余，并注入交流側電網，從而導致暫態過電壓出現[22]。

綜合上述分析，在直流系統發生換相失敗后，送端交流母線電壓將呈現“先降低后升高”的特性，過高的電壓對電網的安全運行將造成威脅。

2 STATCOM助增暫態過電壓機理分析

2.1 STATCOM基本原理

為改善LCC-HVDC弱送端交流系統的電壓穩定性，提高其換相失敗下的抗干擾能力，換流站處通常會采取一定的無功補償措施。STATCOM采用大功率器件，能夠快速、平滑地實現無功從感性到容性全范圍內連續調節，無功輸出相當于同容量SVC的1.4～2.0倍，是一種快速的動態無功補償裝置，其前景廣闊，發展至今已經得到了十分廣泛的應用[27]。STATCOM等值電路如圖1所示。

由圖1可知，STATCOM發出的無功功率Qs為：

(8)

通過控制系統指令調整STATCOM輸出電壓UI，即可平滑地調節Qs的大小和方向，提高弱送端電壓穩定性和抗干擾能力。

2.2 STATCOM拓撲與控制結構

STATCOM拓撲和控制結構如圖2所示。

圖2 STATCOM拓撲和控制結構

STATCOM經變壓器并聯于送端換流站交流母線，用于控制送端交流母線電壓。其組成結構包括直流電容、三相逆變橋和連接電抗3部分。STATCOM控制結構包括測量濾波、超前滯后、比例積分和限幅環節。送端換流站交流母線電壓信號VT經過測量濾波環節與電壓參考值做差得到電壓偏差，電壓偏差經過超前滯后環節與比例積分環節并限幅后，輸出移相角δ，δ經過脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)環節生成逆變器各橋臂上觸發角，實現STATCOM對送端換流站的動態無功補償?？刂平Y構參數值如表1所示。

表1 控制結構典型參數

2.3 STATCOM滯后特性及助增過電壓機理分析

由于兩個超前滯后環節時間常數相等，為方便后續計算，將T4、T5用T2、T3表示，則控制結構的傳遞函數為：

(9)

式中：s為拉普拉斯變換因子。

典型參數下的STATCOM控制結構傳遞函數Bode圖的相頻特性曲線如圖3所示。

圖3 控制系統傳遞函數Bode圖

由圖3可知，控制系統在不同頻段下均呈現出負相頻特性。對于不同頻率的正弦輸入信號，該控制系統會產生不同程度的滯后效應。

為分析滯后時間與輸入信號頻率的關系，以頻率為自變量分析控制系統傳遞函數，如式(10)所示：

(10)

式中：f為輸入信號頻率； j為虛數單位；T1、T2、T3為控制系統時間常數，如表1所示；KP為控制系統比例常數，如表1所示。

則滯后相位φ為：

(11)

則不同頻率的輸入信號在控制系統作用下的滯后時間Δt為：

(12)

為更加直觀地表示滯后時間與輸入信號頻率之間的關系，典型參數下(取k=3時)的輸入信號頻率與控制系統響應滯后時間之間的關系如圖4所示。

由圖4可知，輸入信號頻率越低，STATCOM控制環節響應滯后時間越長。

對發生換相失敗時送端交流母線的“先低后高”型暫態過電壓進行傅里葉頻譜分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，“先低后高”型電壓諧波分量主要集中于低頻段，結合圖4可知，當此電壓信號作為輸入信號輸入至STATCOM控制系統時，將會導致控制系統響應的滯后。

圖4 響應滯后時間隨輸入信號頻率變化趨勢圖

圖5 送端交流母線電壓傅里葉頻譜分析結果

根據2.1節內容，直流系統發生換相失敗后，當電壓處于下降階段時，STATCOM在控制系統指令下發出無功進行補償；當電壓開始恢復并處于上升階段時，控制環節的滯后導致STATCOM無法立即響應電壓變化，仍向換流站輸出無功功率，從而對換流站處的暫態過電壓產生了助增作用。

2.4 STATCOM助增過電壓現象發生邊界分析

為提高工程應用價值，有必要對STATCOM助增過電壓現象發生邊界進行分析。一般而言，暫態過電壓的數值大小與相連交流系統的強度有關。在工程中，常用短路比 (short circuit ratio，SCR)來衡量與直流系統相連的交流系統的強弱，本文用Ksc表示短路比。對于單饋入交直流系統而言，Ksc的計算公式如下：

(13)

式中：Sac為交流系統短路容量；PdN為直流系統容量；UN為換流變壓器網側額定電壓有效值；Zac為交流系統等值阻抗。Ksc越大，則|Zac|越小，證明交流系統越強， 換流站母線電壓對外部注入功率的變化越不敏感。一般在分類時，Ksc≥3的系統稱為強系統，2

圖6展示了送端系統Ksc為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5，受端系統Ksc為2.5時，逆變側發生換相失敗后裝有STATCOM的整流側母線電壓變化情況。

圖6 不同送端SCR交流母線暫態過電壓示意圖

從圖6中可以看到，隨著Ksc的增大，換流站母線電壓的最大值也在下降，也即隨著與直流系統相連的交流系統短路比的增大，整流側的暫態過電壓嚴重程度顯著下降。

圖7展示了當送受端均為弱系統(送受端Ksc=2.5)以及送受端有一端為強系統(送端Ksc=4.0，受端Ksc=2.5，反之亦然)時的電壓變化情況。

圖7 不同送受端SCR整流側交流母線暫態過電壓示意圖

從圖7仿真結果可以得出，當送受端有一端為強系統時，STATCOM助增暫態過電壓的現象均會得到較大幅度削弱。因此，對加裝于送受端均為弱系統的STATCOM裝置提出相應策略，抑制其對暫態過電壓的助增作用是有必要的。

3 基于直流阻尼投切的STATCOM優化策略及驗證

3.1 基于直流阻尼投切的STATCOM優化策略

由于控制系統的固有滯后特性，當STATCOM用于弱送端系統進行無功補償時，會導致其補償效果欠佳，還會出現無功電壓反調現象，助增暫態過電壓數值。因此本文提出了一種針對STATCOM用于弱送端系統補償時的優化策略，以改善STATCOM性能。

由式(8)可知，在穩態過程中，UI≈Us，STATCOM發出的無功約為0；在暫態過程中，由于母線電壓的跌落，UI

STATCOM采用PWM方式產生觸發脈沖時，其輸出電壓UI與逆變橋直流側電壓Udc的關系為：

(14)

式中：m為PWM調制比。

將式(14)代入式(8)得：

(15)

降低調制比m與直流側電壓Udc均可使Qs減小，但由于調制比m是由控制系統響應改變的，具有滯后性，因此，暫態過程中可以減小直流電壓Udc來降低系統吸收的無功功率。

由于直流電壓Udc的減小可以通過直流電容串聯阻尼的結構實現，基于此，文章提出一種基于阻尼投切的策略對STATCOM滯后特性進行優化，在STATCOM助增暫態過電壓的暫態過程中，短時投入阻尼引起Udc驟降，從而降低STATCOM輸出電壓UI，減少STATCOM發出的無功功率，其優化策略結構如圖8所示。

圖8 基于阻尼投切的STATCOM優化策略結構

圖中，R為直流阻尼，S為直流阻尼投切裝置，正常運行期間，S閉合，阻尼被短路；過電壓期間，S斷開以投入阻尼?？刂谱枘嵬肚械幕经h節如圖9所示。

圖9 阻尼投切控制環節示意圖

控制環節工作的原理如下：當檢測到STATCOM接入點電壓USTATCOM低于Umin時，按一定時間延遲多次采樣系統電壓，若電壓數值采樣效果持續遞減，可判斷電壓跌落條件成立，系統發生故障，滿足直流阻尼投入初步條件。當檢測到系統電壓數值處于上升狀態且大于一定數值時，直流阻尼投入策略生效，投入直流阻尼抑制STATCOM發出的無功功率。在系統電壓穩定后斷開直流阻尼，使得STATCOM繼續正常運行。

STATCOM發出的無功可通過式(8)計算,為將暫態過電壓降低到電力系統允許范圍內，STATCOM發出的無功功率與其額定無功功率QN有：

Qs=KQN

(16)

式中： 0

對于采用PWM方式產生觸發脈沖的STATCOM來說，存在式(14)的關系，故聯立式(8)、(14)、(16),得到STATCOM逆變側直流電壓Udc為：

(17)

直流阻尼上應分得的電壓可通過式(18)計算：

UR=UC-Udc

(18)

式中：UR為直流阻尼兩端電壓；UC為直流電容兩端電壓。配合STATCOM工作時逆變橋側直流電流值Idc即可求得所需阻尼參數范圍。本仿真模型中直流電容大小為3 000 μF。基于上述理論計算結果，本文采用的阻尼阻值為100 Ω。

3.2 仿真驗證

文章基于CIGRE-HVDC模型，在PSCAD仿真軟件中搭建交直流互聯系統，其中送受端均為短路比為2.5的弱交流系統。直流系統的額定電壓為±500 kV，額定容量為1 000 MW，送端與受端交流母線電壓分別為345 kV和230 kV。兩側換流站裝有交流濾波器。在送端交流母線處并聯容量為500 MV·A的STATCOM提供動態無功補償，STATCOM電壓控制點為送端換流站交流母線。系統結構如圖10所示。

圖10 仿真電路結構

3.2.1 單相接地仿真驗證

受端交流母線第3 s單相接地故障，導致直流換相失敗，0.05 s后清除故障。故障發生期間，逆變側換流閥γ的波形如圖11所示。

圖11 逆變側γ波形

由圖11可知，逆變角γ在故障發生后，降低到0°，直流系統發生換相失敗。

對基于阻尼投切的STATCOM滯后特性優化策略進行仿真驗證，優化策略前后控制點母線電壓和STATCOM發出的無功功率對比分別如圖12 (a)、(b)所示，運行過程中控制阻尼投切的斷路器信號變化示意圖如圖13所示，暫態壓升及電壓下降時間等詳細數據如表2所示。

圖12 優化前后對比

圖13 阻尼投切信號示意圖

從圖13中可以看出，系統正常運行時，與阻尼并聯的斷路器S處于閉合狀態，阻尼未投入使用，對應的斷路器控制信號為低電平值。在故障發生后，阻尼投入，抑制系統吸收無功，相應的控制信號值變為高電平，并在投入50 ms后重新斷開，證明阻尼投切控制環節按照設定的邏輯正常工作。由表2可知，在優化策略下，暫態壓升由0.177 pu下降至0.034 pu；控制點電壓下降時間由3.112 s提前至3.071 s。STATCOM發出無功量最大值下降了417.6 MV·A。

表2 對比量詳細數據

3.2.2 三相接地仿真驗證

受端交流母線第3 s發生三相接地故障，導致直流換相失敗，0.05 s后清除故障。優化策略前后控制點母線電壓數值與系統吸收無功對比分別如圖14 (a)、(b)所示。暫態壓升與電壓下降等數據則如表3所示。

圖14 三相接地故障時優化前后對比

表3 三相接地故障時對比量詳細數據

在三相接地故障情況下，通過優化策略，暫態壓升由0.191 pu下降至0.072 pu；控制點電壓下降時間由3.081 s提前至3.071 s。STATCOM發出無功量最大值下降了415.8 MV·A。

綜上，基于阻尼投切的優化策略不僅能夠抑制STATCOM在弱系統下對暫態過電壓的助增作用，有效減少送端過電壓時間，而且可以及時減少STATCOM在暫態過電壓期間發出的無功功率，提升了送端電網暫態穩定性，有利于HVDC系統穩定運行。

4 結 論

1)當受端交流電網故障引發直流系統換相失敗時，弱送端系統不能合理消納盈余的無功，其交流電壓先低后高，會出現暫態過電壓現象；

2)STATCOM利用控制系統響應電網電壓變化，文章分析了STATCOM控制系統在各個頻段下的頻率特性響應，揭示了控制系統輸入信號頻率與控制系統響應滯后時間之間的關系，得出隨控制系統輸入信號頻率降低，其響應滯后時間增加的結論；

3)文章提出了一種基于直流阻尼投切的STATCOM優化策略：在暫態過電壓期間，投入直流阻尼，通過減小STATCOM直流側電壓來降低輸出的逆變電壓，從而減少STATCOM發出的無功功率，抑制其對暫態過電壓的助增作用。最后，基于CIGRE直流輸電模型，通過仿真驗證了在換相失敗情況下，基于阻尼投切的優化策略對抑制弱系統STATCOM助增暫態過電壓的有效性。