STATCOM与HVDC综合协调控制策略

高本锋，毛亚鹏

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室， 北京102206)

0 引 言

高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)以其输送容量大、不存在稳定极限、可实现异步联网等优点，成为远距离、大功率输电的首选，为解决我国能源、负荷分布不均等诸多问题作出重要贡献[1-5]。

随着直流输电的发展，多条直流线路馈入同一受端，而这些受端交流系统强度通常较弱，在送端传输功率波动时容易引起无功电容器组频繁投切和电压波动，当单台无功电容器容量较大时，其投切引起的电压波动容易超标；同时，系统对故障抵御能力较低，容易引起换相失败，导致直流电流剧增、换流阀寿命缩短、直流传输功率降低以及导致逆变侧弱交流系统电压不稳定等严重后果，使系统安全面临严重威胁[6-8]。

STATCOM具有低谐波、响应快、连续可调的优势，可以对系统交流母线电压进行动态支撑[9]。文献[10-12]研究STATCOM对HVDC系统暂、稳态性能的影响，文献[13]研究了STATCOM和电容器组的配合方案，文献[14]针对换相失败提出特定场合下的附加控制策略，但所提控制都较为简单。

综上可知，以上文献均针对STATCOM和HVDC的协调配合进行了有意义的研究，为本文提供了参考，但都未能提出一个完善地综合考虑系统暂、稳态工况的协调控制策略。本文以国内某(800 kV特高压直流输电实际工程为基础，利用仿真软件PSCAD/EMTDC建立了含链式STATCOM的特高压直流输电系统模型，同时提出兼顾系统暂、稳态性能的综合协调控制策略，并在此模型上进行验证。

1 综合协调控制策略

1.1 系统级控制策略

本文所提出的综合协调控制策略，主要是指将STATCOM和HVDC无功小组(尤指无功电容器)进行无功协调配合的控制策略。

协调控制策略共分为4种控制模式：稳态调压控制模式、稳态恒无功控制模式、暂态电压控制模式和闭锁控制模式。其中，稳态控制模式和暂态电压控制模式是通过换流母线电压变化幅度和变化速率进行判断选择，而闭锁控制模式通过换流母线电压下降幅度和人工控制进行选择，最终根据具体工况选择合适的控制模式，其具体框图如图1所示。

图1 系统级控制框图

图1中，Qs_ref为STATCOM无功指令值，Us_ref为交流母线电压指令值。

不同控制模式的具体判据如下所示：

(1)当接收到定无功控制指令信号，交流电压高于0.9 pu且电压变化率不高于设定值时，判定恒无功控制动作；

(2)当接收到稳态调压控制指令信号，交流电压高于0.9 pu且电压变化率不高于设定值时，判定稳态调压模式动作；

(3)当交流电压低于0.9 pu且大于0.4 pu，或电压变化率高于门槛值时判定暂态电压控制动作；

(4)当交流电压低于0.4 pu时，为保护设备安全，选择闭锁控制模式，此时STATCOM输出无功为0。同时，手动控制也能实现STATCOM闭锁。

STATCOM控制模式优先级从低到高分别为：稳态控制模式、暂态控制模式和闭锁模式；控制模式从低优先等级切换到高优先等级设置一定的滞环延迟，以防止模式来回切换，确保有足够的的无功限额和保护设备安全。

1.2 不同模式详细控制策略

1.2.1 稳态调压控制模式

稳态调压控制起作用时，设置STATCOM稳态容量最大值Qs_MAX为电容器容量Qc的一半：Qs_MAX=0.5Qc。

由于STATCOM响应速度较快，可对电压进行连续调节，因此在控制策略规划时，设计STATCOM判定条件的优先级在电容器组之上，以保证STATCOM优先动作。同时，在判定STATCOM容量能满足无功需求时，无功电容器不动作于投切；当无功需求超出STATCOM容量范围时，进行无功电容器投切判定，其动作判据通过无功死区计算得出。

HVDC无功小组通常采用无功控制和电压控制两种模式，下文以无功小组处于无功控制为例进行分析，对于其处于电压控制方式时的控制机制，将交直流交换无功Qac替换为(Uac_ref-Uac)×K无功-电压即可。其中，Qac以直流系统流向交流系统为正方向；Uac_ref和Uac为交流系统电压指令值与实际值，K无功-电压为无功-电压灵敏度，可由公式计算得出。

(1)

式中n为采集样本数量;ΔQi与ΔUaci为系统无功增量和交流母线电压增量。

稳态调压控制的具体策略结构框图如图2所示。其中，Qs为STATCOM输出无功实际值，Q死区上限与Q死区下限为无功小组动作死区上限和下限值，QS_MIN为STATCOM输出容量下限，N为此时投入无功小组数，N余留为此时备用无功小组数，N绝对最小是为了防止滤波设备过负荷的最小滤波器组数，N最小为满足谐波要求所投入的最小滤波器组数。

以检测到交流电压实际值超出电压指令值为例，稳态调压控制的具体策略如下所示：

图2 稳态调压模式控制框图

步骤1：当交流母线电压上升时，首先判断交流电压是否超出电压最大值限制，以避免稳态过电压引起保护动作。当交流母线电压超过限定值时，应判定依次延时切除无功小组，直至达到绝对最小滤波器数；当交流母线电压未超过最大电压限制时，此时应根据式(2)判断单组无功小组容量Qc是否能满足系统恢复额定状态的无功需求。

Qac≤Qc

(2)

若式(2)不成立，表明单组无功电容器的切除不能满足无功需求，进入步骤3。

若式(2)成立，表明单组无功电容器的切除能满足无功需求，进入步骤2。

(2)步骤2：若满足式(3)，则表明STATCOM剩余无功可满足系统无功需求，判定无功小组禁止切除，并经过一定时间延迟t后(防止频繁投切)，进入步骤4；

若式(3)不满足，则表明STATCOM剩余无功不能满足系统无功需求，应进一步判定系统无功需求是否超出电容器动作死区。若无功需求未超过动作死区，则判定电容器禁止投切，进入步骤4；若超过，则进入步骤3。

Qs-Qs -MIN≥Qac

(3)

(3)步骤3：检测无功小组是否小于系统要求最小滤波器组数N最小。

当无功小组数大于最小滤波器组数时，判定切除一组无功小组，在一定延迟t后进入步骤4；若达到最小滤波器数值，则判定STATCOM维持稳态输出最小限值，同时无功小组禁止切除，在一定延迟t后，控制逻辑进入步骤4。

(4)步骤4：检测系统电压、电压变化率、无功指令信号和手动闭锁信号，进行控制模式判断选择，若满足稳态调压控制模式，则再转入步骤1。

在该稳态调压模式下，当电压升高时STATCOM能先动作以减小电压升高，同时与交流滤波器配合能使系统不超过最大交流电压而引起保护动作，而且能维持系统谐波要求和无功设备最大负荷要求；在电压降低时，该协调模式能使系统电压维持稳定。

1.2.2 稳态恒无功控制模式

稳态恒无功控制模式下，STATCOM发出无功不变，结构框图如图3所示。

图3 稳态恒无功控制框图

以交流母线电压低于额定值为例，此时若检测到Qac小于无功小组动作下限Q死区下限，则判断是否有备用无功小组，若有则投入一组无功小组，在一定延时后进入模式判断环节；若无备用则禁止投入。

若检测到Qac不小于无功小组动作下限Q死区下限，则判定禁投备用无功小组，在一定延时后进入控制模式选择判定环节。

在稳态恒无功控制模式下，系统能将交、直流交换无功控制在规定范围内，同时避免设备过电压和无功小组过负荷，而且能保证系统对于滤除谐波的要求。

1.2.3 暂态电压控制模式

暂态控制模式启动时，STATCOM无功容量限制增至其额定值，此时其容量上限大于稳态控制模式。由于暂态模式下电压无功波动较快，设置无功小组禁止投切。同时，为进一步改善HVDC系统暂态特性，本文提出附加控制策略。

STATCOM原控制策略中，外环交流电压控制部分的输入端只包含电压参考值和实测值，而本文所提附加控制在该输入端引入HVDC逆变侧关断角附加值，在判定暂态电压控制模式起动时，附加控制发挥作用，附加控制框图如图4所示。

图4 附加结构控制框图

附加控制启动后，首先计算逆变侧关断角的指令值γ*与实际值γ的偏差△γ，然后比较△γ和该值通过时延环节的输出值，选取两者中较大值。此后，该较大值不断更新以选取最大值△γmax，并通过PI环节引入到STATCOM外环交流电压输入端，保持该最大值直至附加控制功能判定退出，从而使得STATCOM可以在短时间内提供更多的无功补偿，更好地抑制换相失败，帮助系统更快地恢复稳定。

综上，暂态控制模式能在系统逆变侧发生故障时抑制交流电压下降趋势，减少直流电流上升幅度，抑制换相失败，加速系统恢复。

1.2.4 闭锁控制模式

当检测系统交流母线电压满足闭锁判据时，闭锁控制模式启动，STATCOM输出无功为0，同时为防止无功小组投切所带来的短路电流大幅振荡，禁止无功小组进行投切操作。

综上可知，上述各种控制模式可以相互协调配合，从而达到减小电压波动和维持系统无功需求的目的，最终改善系统暂、稳态特性。

2 仿真建模及结果分析

2.1 模型参数

利用PSCAD/EMTDC搭建含STATCOM的高压直流输电模型，如图5所示。其中，HVDC一次参数采用国内某特高压直流输电实际工程参数，接线方式为双极双12脉动换流器结构，电压等级为±800 kV，额定电流为5 kA，额定输送功率为8 000 MW，直流线路长度为2 361.5 km。

图5 含STATCOM的HVDC拓扑图

该直流模型整流侧交流母线电压额定值为770 kV，短路比(Short Circuit Ratio，SCR)为5；逆变侧交流母线电压额定值为525 kV，短路比为2.5。

直流输电系统逆变侧还配备有2台额定容量为±120 Mvar的STATCOM。STATCOM模型采用工程上常采用的角接链式H桥拓扑结构，额定电压35 kV，每相H桥数为39个，每个H桥直流电压2.2 kV，连接电感5.8 mH，子模块电容10 mF，启动电阻3 kΩ。

2.2 控制模式仿真分析

为验证本文所提协调控制策略优越性，本文以如下三种控制方案进行对比分析。

控制方案1：受端交流系统采用传统交流电压控制的STATCOM，无协调控制；

控制方案2：受端交流系统含STATCOM，换流站无功小组和STATCOM采用协调控制策略，暂态模式无附加控制；

控制方案3：受端交流系统有STATCOM，换流站无功小组和STATCOM采用协调控制策略，暂态模式含附加控制。

本文所提协调控制策略中，无功小组投、切间隔设置为0.5 s，仿真运行期间，整流侧无功补偿设备不动作，换流变压器分接头不参与调节。无功小组的投切以先投交流滤波器，先切无功电容器为原则。

2.2.1 稳态电压控制模式

初始时刻，系统工作在1.0 pu直流额定工况，从9.2 s时刻起，到9.3 s为止，将系统直流传输功率提高到1.1 pu，在该过程中，控制方案1与控制方案2对比所得结果如图6所示。

图6 稳态工况对比图

由图6可知，直流功率上升到1.1 pu后，由于换流器吸收无功增大，逆变侧交流母线降低。方案1条件下，STATCOM满发240 Mvar无功，但只靠STATCOM仍不足以使交流母线电压恢复到额定值，最终稳定在520 kV；方案2中，STATCOM先满发130 Mvar无功，满足无功电容器投入条件后，2组无功电容器时隔0.5 s相继投入，STATCOM输出无功最终稳定在50 Mvar，逆变侧交流母线电压恢复到额定值。

2.2.2 暂态电压控制模式

(1)无附加控制。

初始时刻系统工作在1.0 pu直流额定工况，从9.2 s时刻起，到9.3 s为止，将直流传输功率提高到1.06 pu，换流器吸收无功增大，交流母线电压降低，STATCOM输出感性无功，方案1和方案2各电气量对比图如图7所示。

图7 暂态工况对比图

方案1下，STATCOM满发240 Mvar无功，无功电容器组不动作；方案2下，STATCOM稳态工况时只能输出120 Mvar无功，当无功电容器满足动作判据后，判定投入一组无功电容器小组，置换出STATCOM无功容量作为无功备用容量，以应对逆变侧故障。

11 s时，在逆变侧换流母线上设置三相感性接地故障，故障持续时间0.1 s，故障阻抗为0.47 H。

方案1中，STATCOM已经满发240 Mvar无功，在逆变侧发生接地故障时不能再输出更多感性无功，因此逆变侧换流母线急速跌落，逆变侧关断角两次跌落低至零值，系统发生换相失败。

方案2中，STATCOM留有更多STATCOM无功裕度，在逆变侧接地故障发生时，系统能有足够动态无功抑制交流母线的降低，逆变侧关断角降低幅度减缓，首次下降未降低至换相失败临界值，系统未发生换相失败。

(2)含附加控制。

为验证所提附加控制策略的有效性，在10.3 s设置逆变侧发生三相感性接地故障，故障持续时间0.1 s，故障阻抗0.44 H，通过对比有无附加控制的控制模式，以验证附加控制策略的有效性。

由图8可知，在故障发生后，无附加控制的HVDC系统逆变侧关断角降到0°，而含附加控制的HVDC系统直流电压下降趋势得到抑制，直流电流陡增幅度减缓，逆变侧关断角大于7.2°，系统未发生换相失败，表明附加控制能抑制换相失败的发生，且能改善系统恢复特性。

图8 附加控制对比图

3 结束语

本文利用STATCOM设计了涵盖系统暂、稳态工况的综合协调控制策略，并以基于实际工程的系统模型进行仿真分析，仿真结果验证了该协调控制策略的优越性。具体结论如下所示：

(1)稳态工况下，该协调控制策略能提升系统对交流电压的精确控制能力，减少电压波动；

(2)暂态工况下，该协调控制策略能使系统有足够的动态无功支持，减少换相失败的发生。同时，所设计的附加控制模块能进一步提升系统对换相失败的抵御能力，改善系统恢复特性。

综上，本文所提协调控制策略具有良好的暂、稳态控制能力，对整个系统的运行特性具有良好的改善作用。