±100 Mvar高压STATCOM直接电流分相谐振控制参数整定方法及RTDS仿真实验

张 扬，常 亮，杨小品



±100 Mvar高压STATCOM直接电流分相谐振控制参数整定方法及RTDS仿真实验

张 扬1,2，常 亮2，杨小品1

(1.南昌工程学院，江西 南昌 330099；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

高压直流输电换流站采用的是±100 Mvar等级高压STATCOM，对可靠性要求较高，控制系统设计需要较高的响应速度来应对金属性接地故障等极限工况。提出了基于直接电流的分相谐振控制策略，并首次完整地提出了适用于高压STATCOM的参数整定方法。按照该方法设计了南网富宁-广西直流换流站±100 Mvar的控制参数，并通过RTDS硬件在环试验，验证了该参数整定方法的动态响应速度和金属性接地故障穿越。实验结果表明，所提出的直接电流分相谐振控制参数整定方法完全满足±100 Mvar等级高压STATCOM的工程需要。

参数整定；直接电流控制；分相控制；谐振控制；RTDS试验；高压STATCOM

0 引言

高压直流输电是电力远距离传输的主要方式之一。但以晶闸管为换流器件的直流输电中，无功率因数校正的换流变压器会产生大量的无功功率，给线路的安全可靠性造成了不利影响[1]。因此，直流输电换流站往往需要采取无功补偿设备来补偿无功功率。常规换流站较常采用的是分组投切电容器的补偿方式，如哈密-郑州直流工程、贵广二回直流工程[2]和糯扎渡-溪洛渡直流工程等都采用这种方式。但是，该方式存在补偿方式固定、动态响应较差等缺点。因此，南网富宁-广西直流输电工程中，采用了目前国内单台容量最大的±100 Mvar高压STATCOM[3]。

与应用到配电网的小容量高压STATCOM不同，大容量高压STATCOM需要具有极强的可靠性。这体现了两个方面的要求：一是控制系统自身必须可靠；二是在输电系统发生故障，例如金属性接地故障时必须能够有效地支撑电网。这就需要对控制器的设计进行研究。高压STATCOM的控制方法主要有两大类，一是间接电流控制方法[3-4]，如电网电压定向矢量控制和功率定向的矢量控制[5]等。其能够对有功电流和无功电流实现解耦，控制器参数整定较容易，但由于采用了坐标变换，动态响应较慢。二是直接电流控制，其响应速度较快。但是有功电流与无功电流存在强耦合，目前缺乏工程实用的高压STATCOM参数整定方法。大容量高压STATCOM需要考虑接地故障穿越，因此对无功阶跃响应速度要求较高，一般在30 ms以内，因此本文采用直接电流控制。

本文基于直接电流控制的分相控制策略，提出其参数整定方法。通过RTDS硬件在环仿真验证了在阶跃响应下和单相金属性接地故障下的控制性能，证明了该策略满足高压STATCOM应用于直流输电换流站中的所有工况。RTDS是目前世界上最先进的实时仿真系统，可以与控制硬件通过Aurora等协议物理连接，被广泛地采用到超高压直流输电试验中。目前几乎所有的直流工程都必须通过RTDS实验才能通过控制系统的验收。

1 高压大容量STATCOM的分相策略

高压STATCOM一般采用的是级联多电平结构。对于±100 Mvar容量来说，一般采用三角形接线方式，也即将换流链首尾相连，从而得到主回路拓扑如图1所示。

图1 高压大容量STATCOM主回路拓扑

1.1 三角形接线下的三相独立性分析

三角形拓扑等效电路如图2所示[6]。、、是高压STATCOM所在电网接入点的三相线电压；、、是逆变器换流链的逆变电压。、、是换流链的电流，是电抗器的电感，是电抗器的等效电阻。

图2 三角形接线下的STATCOM等效电路

由基尔霍夫定理，可得

考虑到在正常工作时，直流电压的目标值是一致的，以AB换流链为例，则有每个模块的目标直流电压必须满足：

(2)

依次类推，对于三相换流链，其功率方程为

(4)

由式(4)可以得出，三角形连接的三相换流链之间完全独立，因此可以进行分相控制。

1.2 分相控制的设计

采用矩阵形式整理式(1)和式(4)，可得

由此，可得

因此，分相控制的整体控制框图如图3所示。

图3 STATCOM分相控制框图

2 谐振控制器的设计

图3中的控制器，在文献中采用的是PI调节器[7]，但是该调节器在交流下存在静差。本文采用的是谐振控制器，谐振频率定为50 Hz，其具有在基波上的最大增益。本文研究该控制器在高压大容量STATCOM中的设计方法。

2.1 比例谐振控制器和准比例谐振控制器

比例谐振控制器，即PR调节控制器，由比例环节和谐振环节组成，可对正弦量实现无静差控制。理想PR控制器的传递函数如式(7)所示。

理想比例谐振控制器在特定频率上有极高的增益，但是通带频率很窄，如图4(a)。而实际工程存在扰动，因此理想比例谐振控制器无法适用。

准比例谐振控制器的传递函数为

图4 50 Hz下的比例控制器的伯德图

Fig. 4 Bode graph of PR control loop under 50 Hz

2.2 高压STATCOM电流跟踪控制的传递函数

如图3所示，准比例谐振控制器在高压STATCOM中应用于电流的跟踪控制中。则以AB换流链为例，电流控制环可以等效为图5。

(9)

忽略系统损耗(电阻部分)、低通滤波器与控制延时环节的影响，则系统开环传递函数为

则增益为

(12)

2.3 参数整定方法

高压STATCOM的无功电流主要是指基波电流(50 Hz)，对应。响应速度在10 ms附近较为合适，因此电流环截止频率应在100 Hz附近。在该频带内，谐振控制器的增益很小，可以忽略，因此将式(10)的谐振项忽略，可得

(14)

准比例谐振允许一定的稳态误差，根据国家电网标准Q/DW241《静止同步补偿器》，控制精度一般要在2.5%以内。设允许误差为(0<<1)，则根据式(12)，则令：

2.4 误差分析

根据控制环路的稳定性-相位裕度，忽略低通滤波器和采样引起的相位延时，式(10)中是积分环节，具有90°的相移，令可得

3 仿真与实验分析

以南网富宁-广西直流输电工程观音岩换流站±100 Mvar高压STATCOM为例，其参数如表1所示。

如图6所示，短路点在500 kV附近。高压STATCOM经过一个500 kV/35 kV变压器接入到电网中。

根据式(14)，可以计算出：

根据式(15)，可以计算出：

如果模拟量采集和控制采用标幺值(电流峰值1 346 A对应为1)进行采样和控制，则该参数需要乘以134 6。则此时标幺化参数，。

因此，控制参数整定为表2。

图6 100 Mvar高压STATCOM系统仿真图

表1 ±100 Mvar高压STATCOM系统参数

注：① 对应、、； ② 对应、、。

表2 控制环参数

采用RTDS实时仿真平台进行仿真[8]，RTDS模拟主回路部分，控制部分采用实际的物理控制器，这种仿真方式为硬件在环仿真(Hardware In Loop，HIL)。

如图7和图8所示，第一行是以500 kV的峰值标幺的三相电网电压，第二行是以35 kV的峰值标幺的换流链电压，第三行是以35 kV的峰值标幺的电网电压，第四行是以100 Mvar标幺的功率，第五行是以额定电流标幺的STATCOM电流，第六行为三相的直流电压(有名值，单位kV)。图7在阶跃响应测试仿真的结果表明，在0.8 s附近，功率从0.3 p.u.阶跃到1.3 p.u.(过载1.3倍)，参考第四行功率的图，根据国家电网企标，阶跃响应的定义为：到目标值的90%所用的时间，因此响应时间在10 ms左右。因此控制环参数满足系统响应的要求。

图7 阶跃响应测试

如图8所示，在发生单相金属性接地故障后，一相电压几乎为0，而电流仍可支撑，且直流电压仍然稳定，因此，该控制参数也能很好地适应金属性接地故障等极限情况。

图8 单相金属性故障接地短路故障

4 结论

本文针对工程实际的需要，首次系统地提出了采用分相谐振控制策略下的参数整定方法，分析了分相控制在高压STATCOM下的可行性，并推导出电流跟踪控制环的控制框图。在该框图的基础上，推导出了高压STATCOM的开环传递函数和闭环传递函数，得到了其增益计算公式。根据典型I阶系统的常用整定方法得到了比例谐振控制器的控制参数p，并根据增益误差小于1%的原则，推导出了控制参数r。

最后，按照南方电网观音岩直流换流站的实际需要，搭建了RTDS仿真系统验证了本文提出的控制器设计以及参数整定方法。仿真表明，该方法满足无功功率阶跃响应时间在10 ms附近的要求，并且在发生单相金属性接地故障时，仍然能够正常运行。

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(编辑 魏小丽)

Parameters setting on independent phase resonant control of STATCOM under higher voltage and RTDS simulation experiment

ZHANG Yang1, 2, CHANG Liang2, YANG Xiaopin1

(1. Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China;2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

HVDC Transaction station usually equips higher voltage level of ± 100 Mvar STATCOM for higher reliability. Thus, control system needs a faster response to deal with metallic ground fault and other extreme conditions. This paper involves a method which depends on independent phase control (IPC) of direct current control (DCC) and parameter settings for STATCOM under higher voltage. According to Funing to Guangxi Transaction Station of China Southern Power Grid, the control parameters are calculated. RTDS hardware in the loop test verifies the dynamic response of the control strategy and metallic ground fault through. Experimental results indicate that the proposed phase resonant DC current control strategy to meet the engineering needs of STATCOM ± 100 Mvar level voltage. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2012AA050206) and National Natural Science Foundation of China (No. 51567018).

parameters setting; direct current control (DCC); independent phase control (IPC); resonant control (RC); RTDS experiment; STATCOM under higher voltage

10.7667/PSPC151554

国家863高技术基金项目(2012AA050206)；国家自然科学基金项目(51567018)

2015-09-01；

2015-11-04

张 扬(1985-)，男，博士，工程师，主要研究方向为电力电子系统的建模与控制，微电网系统的建模与控制；E-mail: rxzhangyang@foxmail.com 常 亮(1979-)，男，本科，工程师，主要研究方向为电力系统保护自动化技术，微机继电保护技术。