STATCOM与HVDC综合协调控制策略

1、STATCOMSTATCOM 与 HVDCHVDC 综合协调控制策略高本锋，毛亚鹏（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）摘要 ：目前，针对 STATCOM 与 HVDC 协调控制进行详细研究的文献较少。提出了一种兼顾系统暂、稳态 特性的 STATCOM 和 HVDC 综合协调控制策略，该协调控制策略共包括稳态调压控制、稳态恒无功控制、 暂态控制和闭锁控制 4 种模式，并为进一步抑制换相失败的发生提出暂态控制模式下的附加控制。基于实际 工程控制逻辑和参数，搭建逆变侧含链式 STATCOM 的高压直流输电 PSCAD/EMTDC 模型，在多种工况下 对所提协调控制策略

2、进行仿真验证。研究表明：稳态工况下，该协调控制策略能减少电压波动，提高系统对 电压控制的精确度；暂态工况下，该协调控制策略能抑制换相失败的发生，改善系统恢复特性，附加控制的 加入能进一步改善系统暂态特性。关键词 ：高压直流输电；换相失败；协调控制控制；静止同步补偿器；PSCAD/EMTDC中图分类号 ：TM72文献标识码 ：B文章编号 ：1001-1390（ 2018）00-0000-00CoordinatedCoordinated controlcontrol strategystrategy ofof STATCOMSTATCOM andand HVDCHVDCGao Benfeng, M

3、ao Yapeng(State Key Laboratory of Alternate Electric Power System with Renewable Energy Sources, North China ElectricPower University, Beijing 102206, China )AbstractAbstract ：At present, there are few literatures about the coordinated control of STATCOM and HVDC. A coordinated control strategy is p

4、roposed to balance the system stable and transient characteristics of STATCOM and HVDC. This coordinated control strategy includes steady-state voltage control, steady state constant reactive power control, transient control and interlocking control of 4 modes, and additional control transient contr

5、ol mode to further inhibit the commutation failure. Based on the actual engineering control logic and parameters, the HVDC PSCAD/EMTDC model with STATCOM on the inverter side is constructed. And the coordinated control strategy is simulated and verified under various conditions. Research shows that

6、in the steady state conditions, the coordinated control strategy can reduce the voltage fluctuation, and improve the system of voltage control accuracy. In the transient conditions, the coordinated control strategy can restrain commutation failure, and improve the system recovery characteristics. An

7、d the additional control can further play its positive role. KeywordsKeywords： HVDC, commutation failure, coordination control, STATCOM, PSCAD/EMTDC 0 0 引 言 端，而这些受端交流系统强度通常较弱，在送端传高压直流输电（ 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、大功率输电第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电

8、测与仪表Measurement & InstrumentationVol.44No.504Dec.2007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 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 。K 电压 无功1 nQini 1 Uaci1）STATCOM 具有低谐波、

9、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

10、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 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Fig.1 System

11、level control block diagram 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

12、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 =0.5 Qc。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

13、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-第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电测与仪表Measurement & InstrumentationVol.44No.504Dec.2007电压

14、即可。 其中， Q ac以直流系统流向交流系统为正方向； U ac_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（ 1）计算得出。式（ 1）中， n为采集样本数量， Qi与Uaci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第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电测与仪表Measurement &

15、 InstrumentationVol.44No.504Dec.2007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。STATCO控M延迟 t制模式判断稳态调压 控制模式Uac Uac_ref否QS QS_MIN QacU ac U ac_ref判断 是 U UU ac U ac_max否是是是是Q死区下限 Qac投入一组容器禁投禁止切除否Q死区上限 Qac是否N N 最小是绝对最小 切除一组电容器 禁切图2 稳态调压模式控制框图Fig.2 Control block diagram of stea

16、dy voltage regulation mode 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：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（ 2）式成立，表明单组无功电容器的切除能 满足无功需求

17、，进入步骤 2。2）步骤2：若满足公式 （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；若公式（ 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

18、 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

19、3所示。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。图3 稳态恒无功控制框图Fig.3 Block diagram of constant state reactivepower

20、control1.2.3 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Fig.4 Block diagram of additional cont

21、rol structure 图4中， *和分别为HVDC 逆变侧关断角指令值 与实际值； Iq*为 STATCOM 无功电流指令值。附加控制启动后， 首先计算逆变侧关断角的指令 值* 与实际值 的偏差 ，然后比较 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 max，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

22、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 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8

23、00kV ，额定电流为 5 kA ，额定输送功率为 8 000 MW ， 直流线路长度为 2361.5 km 。图 5 含 STATCOM 的 HVDC 拓扑图 Fig.5 Topology of HVDC transmission system with STATCOM该直流模型整流侧交流母线电压额定值为 770 kV 第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电测与仪表Measurement & InstrumentationVol.44No.504Dec.2007，短路比 (short circuit ratio ，SCR) 为5；逆变侧交 流母线电压额定

24、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 120Mvar 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 k。2.2控制模式仿真分析第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电测与仪表Measurement & InstrumentationVol.44No.504Dec.2007520500为验证本文所提协调控制策略优越性， 本文以如 下三种控

25、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 0.5s，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.

26、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。540480图 6 稳态工况对比图Fig.6 Comparison diagram in steady state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

27、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。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

28、 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。9.5 10.5 11.5 12.5 t/s（c）逆变侧交流母线电压方 a方 方方 方方方方方 方方方案 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

29、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。由图 6可知，直流功率上升到 1.1 pu后，由于换流560520480440-5 9.510.5t/s 11.5 12.5方 b方方方方 方方方第 44 卷 第 504 期2007 年 第 12 期Electrical电测与仪表Measurement & InstrumentationVol.44No.504Dec.200740020 r0 va M011.5 方方方方2009.510.5t/s方c 方STATCOM12.5160120rege e 80方方140方方29.5 10.5 t/s 11.

30、5 12.5方d方方方方方方方图 7 暂态工况对比图Fig.7 Comparison diagram in transient state2)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

31、善系统恢复特性。1.51.00.50.0方案 3-0.5-1.0910 11 t/s 12 13 14 （a）直流电压2.51.5up0.5方案3方案2-0.5 9 10 11 t/s 12 13 14 （b）直流电流图8 附加控制对比图Fig. 8 Contrast chart of additional control3 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)

32、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。参考文献1 赵畹君. 高压直流输电工程技术 M. 北京 : 中国电力出版社， 2010: 124-126.2 浙江大学发电教研组直流输电科研组 . 直流输电 M. 水利电力出版 社 , 1985: 180-185.3 中国南方电网超高压输电公司 . 高压直流输电现场实用技术问答 M. 北京: 中国电力出版社 , 2008: 10-15.

33、4 张勇军. 高压直流输电原理与应用 M. 北京 : 清华大学出版社 , 2012: 43-47.5 王超, 李兴源 , 冯明 ,等. 抑制多馈入直流输电系统相继换相失败的 协调恢复控制策略 J. 电测与仪表 , 2016, (13):19-24.Wang Chao, Li Xinnian, Feng Ming, et al. Coordinated recovery strategy for inhibiting continuous commutation failuresin multi-infeed HVDC transmission systemJ. Electrical Measu

34、rement and Instrumentation, 2016, 53(13): 19-24.6 李新年, 易俊, 李柏青 , 等. 直流输电系统换相失败仿真分析及运 行情况统计 J. 电网技术 , 2012, 36(6): 266-271.Li Xinnian, Yi Jun, Li Baiqing, et al. Simulation analysis and operation statistics of commutation failure in HVDC transmission systemJ. Power System Technology, 2012, 36(6): 266

35、-271.7 何朝荣, 李兴源, 金小明 , 等. 高压直流输电系统换相失败的判断 标准J, 电网技术 , 2006, 30(22): 20-23.He Chaorong, Li Xingyuan, Jin Xiaoming, et al. Criteria for commutation failure in HVDC transmission systemJ, Power System Technology, 2006, 30(22): 20-23.8 欧开健, 任震 , 荆勇 . 直流输电换相失败的研究 (一) 换相失败 的影响因素分析 J. 电力系统自动化设备 , 2003, 23(5

36、): 5-8. Ou Kaijian, Ren Zhen, Jing Yong. Research on commutation failure in HVDC transmission system part 1: commutation failure factors analysisJ. Electric Power Automation Equipment, 2003, 3(5): 5-8.9郭春义, 张岩坡, 赵成勇 , 等. STATCOM 对双馈入直流系统运行特 性的影响 J. 中国电机工程学报 , 2013, 33(25): 99-106.Guo Chunyi , Zhang Yanpo , Zhao Chengyong , et al. Impact ofSTATCOM on the operating characteristics of double-infeed HVDC systemJ. Proceedings