极弱受端交流系统情况下利用STATCOM启动LCC-HVDC系统研究

李 丹，倪俊强，赵成勇，郭春义

(1．华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206;

2．国家电网公司上海金山供电公司，上海 200540)

极弱受端交流系统情况下利用STATCOM启动LCC-HVDC系统研究

李 丹1，倪俊强2，赵成勇1，郭春义1

(1．华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206;

2．国家电网公司上海金山供电公司，上海 200540)

传统电网换相高压直流输电 (LCC-HVDC)要求交流电网提供换相支撑，因此受端交流系统要有足够的强度。当受端系统为极弱交流系统时，LCC-HVDC系统的启动和运行就十分困难。将静止同步无功补偿器(STATCOM)接入LCC-HVDC逆变侧的交流母线，组成混合直流输电系统，来启动受端是极弱交流系统的LCC-HVDC系统。首先，搭建了由STATCOM和LCC-HVDC组成的混合直流输电系统的模型，设计了STATCOM和LCC-HVDC的控制策略，提出一种混合直流输电系统的启动控制方法。采用分步启动的方式，先启动STATCOM，然后启动LCC-HVDC系统，在启动时，STATCOM串联了限流电阻，并采用了基于DQ轴解耦的控制策略。LCC-HVDC系统则采用软启动的方式，启动过程中逐渐增大电流调节器整定值至额定值，直到系统完全切换为正常运行时的控制策略，启动结束。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该启动控制方法的可行性和有效性。

LCC-HVDC;极弱交流系统;启动控制;STATCOM

0 引言

传统电网换相高压直流输电(Line-Commuta-ted-Converter High Voltage Direct Current transmission，LCC-HVDC)以其技术上和经济上的独特优势［1］，在我国电力系统中得到广泛应用，并且迅速发展。截止到目前，我国投入商业运营的LCCHVDC工程达21项。2020年前，中国规划的LCCHVDC工程达到20多项，大于世界上其他国家高压直流输电工程的总和。

LCC-HVDC工程的换流器采用无自关断能力的普通晶闸管作为换流元件。因此，其运行需要交流系统提供换相电流实现换相，使得 LCCHVDC运行可靠性受两端交流电网强度影响［2，3］。因此要保证可靠换相，LCC-HVDC的受端交流系统必须具有足够的容量，即足够的短路比。这一要求在一些工程中并不容易，如青藏直流，作为受端的拉萨电网，是典型的弱交流电网，导致换相失败经常发生［4，5］;另外在南方电网和广东电网，随着LCC-HVDC工程数量的不断增多，容量的不断增大，交流系统的容量相对变小，系统的强度在显著降低，容易发生换相失败和级联换相失败，使系统安全面临严重威胁［6］。

FACTS技术自1980年问世以来的短短 30年，得到飞速的发展。作为第二代FACTS产品，STATCOM在电力系统中的作用［7～9］主要有:(1)补偿电力系统无功，提高电网电压稳定性;(2)增大电力系统阻尼，抑制系统中的振荡;(3)提高电力系统静态稳定极限与暂态稳定极限。

在无功补偿方面，与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高、调节速度快等优点［10，11］。此外，当电力系统电压下降时，固定电容器发出的无功功率会降低，将会使得系统的电压更加恶化。SVC是以电容器为基础的，在其达到运行极限时，装置输出的无功电流将随着电压的下降迅速下降，而STATCOM即使在系统电压降到较低的情况下，其输出的容性电流仍然可以维持不变，不依赖电压值。与其他无功补偿设备相比，STATCOM在抑制母线电压振荡、提高系统暂态电压稳定水平方面作用突出［12～14］。

因此，将STATCOM接入受端是极弱交流系统的LCC-HVDC的逆变侧交流母线，组成一个新的混合直流输电系统，对抵御LCC-HVDC的换相失败，提高LCC-HVDC系统的运行独立性，具有重要意义。本文重点研究利用STATCOM对电压的控制支撑能力，来启动极弱受端交流系统中的LCCHVDC系统。首先建立了混合直流输电系统中LCC-HVDC和STATCOM的模型，设计了模型中的主要电气参数;然后，设计了利用STATCOM来启动极弱受端交流系统中的LCC-HVDC系统的启动控制方法;最后，在PSCAD/EMTDC仿真环境下验证了该启动控制方法的有效性。本文在一定程度上解决了LCC-HVDC自身存在的极弱受端系统中的启动和运行问题，拓展了LCC-HVDC在电力系统的功能和作用。

1 混合直流输电系统模型

LCC-HVDC和STATCOM组成的混合直流输电系统的模型如图1所示。

图1 混合直流输电系统模型Fig．1 Hybrid HVDC system model

混合直流输电系统包括LCC-HVDC子系统和STATCOM子系统两部分。

LCC-HVDC子系统与国际大电网标准直流测试系统(CIGRE)模型［15］的基本参数相同。额定容量为1 000 MW、直流电压500 kV;但是逆变侧交流系统短路比改为1.5。文献［16，17］指出，当短路比小于2时，LCC-HVDC的逆变侧为极弱交流系统。而LCC-HVDC在极弱受端交流系统条件下不能运行，本文中逆变侧短路比改为1.5后即为极弱交流系统，所以如果没有STATCOM的存在，该LCC-HVDC不能正常运行;而且PSCAD/EMTDC环境下的电磁暂态仿真结果也表明该系统在逆变侧短路比为1.5时，不具备运行能力。

在该混合直流输电系统中，STATCOM的容量为300 Mvar，其简要模型如图2所示。

如图2所示，当STATCOM采用正弦脉宽SPWM调制时，其输出交流基波线电压如式(1):

图2 STATCOM子系统简要模型Fig．2 STATCOM subsystem brief model

考虑STATCOM的运行范围限制，对换流电感设计。通过研究换流站在稳态下交流电压、直流电压与换流电抗器取值之间的内在联系，来确定换流电抗的取值，从而确定STATCOM子系统的相关参数，具体参数如表1所示。

表1 混合直流输电系统模型主要参数Tab．1 Primary parameters of hybrid HVDC system model

2 混合直流输电系统的启动控制

2.1 启动控制策略

在启动时，采用分步启动的方式。首先是STATCOM子系统的启动，此时LCC-HVDC系统处于闭锁状态。启动过程中STATCOM子系统串联了限流电阻，采用了基于DQ轴解耦的定直流电压和定交流电压的控制策略。STATCOM启动最初期，闭锁STATCOM触发脉冲，交流系统通过限流电阻和续流二极管向STATCOM直流电容充电;之后解锁STATCOM触发脉冲并切除限流电阻，STATCOM通过自身定直流电压来完成电容充电;当STATCOM子系统启动成功后，就可以为LCCHVDC子系统的启动提供无功功率支撑，通过定交流电压来稳定母线电压保持LCC-HVDC子系统逆变侧交流母线电压的稳定。LCC-HVDC子系统采用软启动方式，启动过程中逐渐增大电流调节器整定值［1］，直到启动结束，LCC-HVDC子系统完全切换为正常运行时的控制策略。

在混合直流输电系统正常运行时，LCC-HVDC子系统整流侧采用定直流电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制［1～3］;STATCOM子系统采用定直流电压和定交流电压的控制策略。STATCOM定直流电压和定交流电压控制的控制系统结构图如图3所示。

图3STATCOM控制系统结构图Fig．3 Structure of control system for STATCOM

2.2 启动控制方法

混合直流输电系统的启动，即利用STATCOM启动极弱受端系统中的LCC-HVDC系统共分为两个过程:首先是STATCOM子系统的启动，此时LCC-HVDC子系统处于闭锁状态;其次是LCCHVDC子系统启动，此时STATCOM子系统已经启

其中，U为LCC-HVDC子系统逆变侧交流母线电压基波相量，id，iq分别为LCC-HVDC子系统逆变侧交流母线与STATCOM交流侧母线之间交换电流的d轴、q轴分量;Uc为STATCOM交流侧母线电压基波相量;δ为Uc滞后U的角度;Udc为STATCOM的直流电压;Uref和Udcref为被控量U和Udc的参考输入，即设定值;L为STATCOM和LCCHVDC逆变侧交流母线之间的等效电感;M为STATCOM所采用脉宽调制技术(PWM)的调制度。STATCOM控制系统单元1的控制关系为动成功，利用STATCOM启动极弱受端交流系统中的LCC-HVDC系统。

STATCOM子系统的启动过程如下。

启动初期，闭锁STATCOM的触发脉冲，投入限流电阻(限制启动初期的过电流，一段时间后切除)，通过续流二极管向STATCOM的直流电容充电。直流电压稳定后，检测直流电压后解锁STATCOM的触发脉冲，通过其自身的定直流电压控制来提高STATCOM的直流电压。当STATCOM直流电压稳定在额定值时，STATCOM子系统启动过程结束。

LCC-HVDC子系统的启动过程如下。

(1)LCC-HVDC子系统整流侧和逆变侧换流站换流变压器网侧断路器分别合闸，使得换流变压器和换流阀带电;

(2)LCC-HVDC子系统的逆变侧换流站投入一组交流滤波器;

(3)在触发角大于90°条件下，在3.1 s解锁LCC-HVDC子系统的逆变器，之后解锁整流器;

(4)LCC-HVDC子系统逆变侧关断角调节器升高直流电压，降低关断角整定值至额定值(15°);

(5)LCC-HVDC子系统整流侧电流调节器升高直流电流。直流电流整定值初值设置为0.1 p．u．，按直线规律上升，4.5 s上升至LCC-HVDC子系统运行的额定值;

(6)在此过程中，随直流功率上升，为满足无功补偿要求，逐组投入LCC-HVDC子系统整流侧和逆变侧的交流滤波器和固定电容器;

(7)在LCC-HVDC子系统直流电压和直流电流均升到额定值时，混合直流输电系统转入正常运行，启动过程结束。

2.3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了混合直流输电系统模型，对上述启动控制方法进行仿真验证。按照前文所述混合直流输电系统模型中LCC-HVDC子系统和STATCOM子系统的电气参数和控制策略搭建混合直流输电系统的模型。仿真结果如图4～图8所示。整个启动过程分为两部分，在2.0 s之前，是STATCOM的启动过程，LCC-HVDC处于闭锁状态。2.0 s后开始是LCCHVDC子系统的解锁过程。

首先是STATCOM子系统的启动。在启动初

图4 LCC-HVDC子系统逆变侧交流母线电压有效值Fig．4 RMS voltage of the AC bus in inverter side of LCC-HVDC subsystem

图5 启动过程中LCC-HVDC子系统直流电压Fig．5 DC voltage of LCC-HVDC subsystem during startup

图6 启动过程中LCC-HVDC子系统直流电流Fig．6 DC current of LCC-HVDC subsystem during startup

图7 启动过程中STATCOM子系统直流电压Fig．7 DC voltage of STATCOM subsystem during startup

图8 启动过程中LCC-HVDC子系统逆变侧关断角Fig．8 Extinction angle in inverter side of LCC-HVDC

期0.5 s，闭合断路器，将STATCOM联接于交流系统，闭锁STATCOM的触发脉冲，交流系统通过限流电阻(在STATCOM触发脉冲解锁后切除)和续流二极管向STATCOM直流电容充电，其直流电压稳定在0.7 p．u．左右，未能达到额定值;在0.7 s解锁STATCOM的触发脉冲，通过STATCOM自身的定直流电压控制来完成STATCOM的启动。但是由于LCC-HVDC子系统逆变侧为极弱交流系统，而且STATCOM额定容量达到300 Mvar，对交流母线电压造成一个冲击，此冲击是由于STATCOM触发脉冲的解锁，STATCOM自身的控制造成。如图4所示;直到2.0 s，STACOM直流电压稳定在额定值，STATCOM启动过程结束。如图7所示:STATCOM子系统的直流电压在启动过程中有一个过冲，大约为额定直流电压的20%，但在设备自身允许的范围之内。

然后是LCC-HVDC子系统的解锁(2.0 s之后):闭合整流侧和逆变侧换流变压器的网侧断路器;投入一组交流滤波器并且在3.1 s解锁逆变侧的换流器和整流侧的换流器;逐渐提高 LCCHVDC子系统直流电流并逐个投入交流滤波器和固定电容器。启动过程中LCC-HVDC逆变侧的交流母线电压基本维持在额定值，在不同设备的投入及控制动作时，产生波动，最大波动不超过10%，如图4所示。由图5和图6可以看出，LCCHVDC子系统直流电压和直流电流按照设定值变化，其中产生了几次较大的突变，这是由于LCCHVDC子系统整流侧或者逆变侧大容量无功补偿设备(交流滤波器或者固定电容器)投入造成的;STATCOM子系统在LCC-HVDC启动过程中可以较好地稳定LCC-HVDC子系统逆变侧的交流母线电压，而且其直流电压在整个启动过程中基本维持在额定值附近(图7)。

在整个混合直流输电系统的启动过程中:LCC-HVDC子系统及STATCOM子系统均稳定运行;LCC-HVDC子系统逆变侧的换流器关断角一直大于临界关断角(7°)，没有发生换相失败，如图8所示。

仿真结果表明整个混合直流输电系统在启动过程中有很好的响应特性，从而验证了所提出的利用STATCOM启动受端是极弱交流系统时LCCHVDC控制方法的可行性和有效性。

3 结论

本文研究了极弱受端交流系统下LCC-HVDC和STATCOM组成的混合直流输电系统的启动控制，得到以下结论:

(1)建立了混合直流输电系统的模型，并设计模型中STATCOM子系统和LCC-HVDC子系统的参数;

(2)确定混合直流输电系统中STATCOM和LCC-HVDC的控制策略;

(3)提出一种混合直流输电系统的柔性分步启动控制方法。

(4)在PSCAD/EMTDC仿真环境下，验证了所提出的启动控制方法的可行性，而且在启动过程中LCC-HVDC子系统没有发生换相失败。

(5)本文的工作为发挥LCC-HVDC系统在大电网故障后的电网恢复阶段的作用提供了思路。

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LCC-HVDC system start-up by STATCOM with a very weak receiving AC system

LI Dan1，NI Jun-qiang2，ZHAO Cheng-yong1，GUO Chun-yi1
(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;
2．State Grid Shanghai Jinshan Electric Power Supply Company，Shanghai 200540，China)

Line-commutated-converter high voltage direct current transmission(LCC-HVDC)requires AC system to provide commutation support．So its receiving system must have sufficient strength．If the receiving system is a very weak AC system，the start-up and operation of LCC-HVDC system will be very difficult．Thus，static synchronous compensator(STATCOM)is considered to connect with the AC bus at the LCC inverter side，which composes a hybrid HVDC system，to start up the LCC-HVDC system with a very weak receiving side AC system．First，the model of hybrid HVDC system is developed，and the control strategies of STATCOM and LCC-HVDC in the hybrid HVDC system are designed separately．Then，a step-by-step startup method for the hybrid HVDC system is proposed．The STATCOM starts firstly，followed by LCC-HVDC system．During the start-up period，a current-limiting resistance is connected in series with STATCOM and the control strategy based on decoupled D-Q axis is adopted．For the LCC-HVDC system，a soft-start procedure is used to gradually increase the current setting value to the rated value．When the start-up process ends，the control strategies of the whole system is completely switched to the normal control state．Finally，the simulation results in PSCAD/EMTDC show that the control method of startup is feasible and effective．

LCC-HVDC;very weak AC system;startup control;STATCOM

TM 721.1

A

1007－2691(2014)02－0001－05

10.3969/j.ISSN.1007－2691.2014.02.01

2013－11－20．

国家自然科学基金资助项目 (51177042);国家高技术研究发展计划 (863计划)主题项目课题(2013AA050105)．

李 丹 (1989－)，女，硕士研究生，研究方向为高压直流输电技术;倪俊强 (1988－)，男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电与FACTS技术;赵成勇 (1964－)，男，教授，博士生导师，研究方向为高压直流输电与FACTS，电能质量分析与控制等。