黄伟雄，刘锦宁，王永源，姜齐荣，袁志昌，杜 威

（1.广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523000；2.清华大学 电机系，北京 100084）

0 引言

根据对广东电网电压稳定性分析，为了提高广东电网的暂态电压稳定性，需要在广东电网多个关键节点安装大容量动态无功补偿装置[1-2]。在综合考虑动态无功补偿装置运行损耗及容量、技术可行性的基础上，STATCOM装置以其响应速度快、运行损耗小、占地面积小等优点，成为首选。作为广东电网推广应用STATCOM补偿装置的第一步，在东莞站安装±200 Mvar STATCOM装置对提高东莞地区电压稳定性具有最佳的效果。同时，以该STATCOM装置为示范，可以从响应速度、无功输出、运行损耗、占地面积及提高电网稳定性效果等方面对装置进行评估考核，为系列STATCOM装置的应用奠定坚实的基础。

本文针对东莞变电站的要求，对STATCOM的主电路及控制策略等进行了分析比较，提出了可满足高电压与大容量需求的双三角连接链式结构的主电路；在控制方面，给出了一种新的锁相环技术并应用于该STATCOM，并提出了适合系统需求的多目标控制策略。本文分为5个部分，第1部分介绍STATCOM主电路的选择，第2部分提出了一种新的锁相环技术，第3部分给出了相应的控制与保护策略，第4部分进行仿真分析，验证了所设计方案的可行性，第5部分介绍了STATCOM现场运行情况，尤其是系统发生故障时STATCOM装置的动作情况，验证了STATCOM装置可在电网发生故障时提高系统的电压水平和电压稳定性。

1 STATCOM装置主电路选择

根据对广东电网的仿真研究及现有技术条件，东莞站STATCOM装置性能要求及技术指标如下：额定容量为±200 Mvar，电压等级为35 kV直挂，响应速度不大于20 ms，额定容量时损耗不大于0.6%。

在目前的电力电子技术水平及生产工艺条件下，±200 Mvar STATCOM装置的主电路可以采取如下5种形式：变压器串联多重化方案、功率单元并联变压器多重化方案、开关器件串联三电平方案、链式方案与模块化多电平（MMC）方案[3-4]。

早期的大容量STATCOM装置均采用变压器多重化方案，如1991年日本三菱、关西电力154 kV／80 Mvar STATCOM，1993年日本东芝、日立、东京电力66 kV／100 Mvar STATCOM，1996年美国西屋电气、EPRI、TVA 161 kV／100 Mvar STATCOM 等均采用了变压器串联多重化方案；而2001年日本三菱设计的美国 Essex 115 kV／86 Mvar STATCOM，2003年富士设计的日本Numazu 77 kV／60 Mvar STATCOM，2003年日本三菱、美国SDG&E设计的Talega 138 kV／100 Mvar STATCOM装置均采用了功率单元并联的变压器多重化方案。虽然采用变压器可以较容易地实现变流器功率单元的串并联，实现大容量，但变压器的引入造成了磁路非线性，存在变流器与变压器绝缘水平要求高、损耗严重、占地面积大、成本高昂等缺点，因此目前应用越来越少。开关器件串联三电平方案是ABB公司采用的一种STATCOM主电路结构，目前在世界上已有多台投入运行，但是IGBT器件串联实现困难，三电平结构的谐波较大且d u／d t很高，造成STATCOM连接电抗器设计非常困难，目前只有ABB掌握了较成熟的技术。况且，容量要达到±200 Mvar，除IGBT串联外还需要引入IGBT并联，更增加了技术难度。基于模块化多电平的方案尚不成熟，目前只有柔性直流输电中有几个示范工程，其应用还未在STATCOM中普及，未得到充分的验证。因此，采用35kV链式结构成为±200Mvar STATCOM装置的首选。

图1 链式结构STATCOM装置主电路Fig.1 Main circuit of STATCOM with cascaded structure

35 kV链式STATCOM目前有3种主电路结构，分别为三角接结构、星接结构与三角星形混合式结构，如图1所示。三角接结构既可以补偿无功、谐波，也可以补偿较大的负序电流，功能较全，也容易实现大容量，但需要串联的H桥多，控制略显复杂；星接结构可以补偿无功、谐波，需要串联的H桥仅为三角接的，但其无法补偿负序电流，否则会引起中点电位偏移，造成设备过压，星接结构的实现容量较小；三角星形混合式结构可以综合三角接与星接的优点，但结构略显复杂，控制也更复杂。根据STATCOM容量要求，35 kV±200 Mvar STATCOM装置额定线电流为3300 A。采用三角接、星接时H桥上电流分别为1905A、3300A。由于目前IGCT、IGBT与IEGT最大单管电流限制，采用三角接结构需要至少2个以上器件的并联，而采用星接结构则需要3个以上器件的并联。综上所述，本文采用了图1（a）所示的三角接结构，该结构具备耐受系统电压不对称故障后冲击的能力，因此更有优势。

根据前文的分析，虽然三角接结构可以将H桥输出的电流降至1905 A，但仍需要采用器件并联才能实现。综合考虑IGCT、IGBT与IEGT器件的电压与电流，本文提出了一种如图2所示的双三角接（双△）链式结构的STATCOM主电路，其中器件采用4500 V ／1500 A 的 IEGT[5-7]，这样每个 H 桥输出的交流电压有效值可达1 500 V、交流电流有效值可达1500 A，从而每相H桥的总数可以降至26个（2个冗余）。由于采用了双三角接结构，每个三角结构内部链接的额定电流仅为1905／2≈953（A）。由此可见，采用基于IEGT的双三角接链式结构，35 kV±200 Mvar STATCOM装置H桥中的IEGT器件无需串并联，可极大简化H桥模块的设计。

图2 采用4500 V／1500 A IEGT的双三角接链式结构的35 kV±200 Mvar STATCOM装置主电路Fig.2 Main circuit of 35 kV±200 Mvar STATCOM with cascaded structure based on 4500 V／1500 A IEGTs

2 新型锁相环

STATCOM作为并网型变换器的一种，电网电压相位是其正常工作的重要参数，若不能准确及时地与电网同步，有可能导致STATCOM直流侧过电压或输出过流，进而导致装置闭锁，严重时会损坏装置。现运行的STATCOM一般使用锁相环来解决同步问题[8-9]。传统锁相环基本原理如图3所示。

图3 三相锁相环原理框图Fig.3 Schematic diagram of three-phase PLL

在电网电压三相对称的情况下，有：

其中，uABC=[uAuBuC]T；θ=ωt+φ，ω 是电网的角频率，φ是初相角。

Park变换之后，有：

传统锁相环在电网电压稳定时，能够很好地实现同步，但从图3的框图可以看出，传统锁相环有2个积分环节，在电网电压发生相位跳变时，响应速度较慢。因此，本文中的35 kV±200 Mvar STATCOM装置使用了一种新的锁相环，其基本原理如图4所示。

图4 新三相锁相环原理框图Fig.4 Schematic diagram of proposed PLL

与传统锁相环相比，新型锁相环省去了一个积分环节，大幅提高了锁相环对电网电压相角跳变的响应速度。

3 控制与保护策略

STATCOM装置的控制可分为系统级控制、装置级控制及底层控制[10-12]。东莞站35 kV ±200 Mvar STATCOM装置的主要功能包括维持220 kV节点电压稳定、提高电网的电压稳定性及阻尼振荡[13]。针对广东电网的特点，可为STATCOM设置5种控制模式：暂态电压控制模式、远方控制模式、稳态调压模式、恒无功输出模式、阻尼附加控制模式，其中远方控制模式和阻尼控制模式根据应用需要选取。为了保证多种控制模式的合理协调，本文提出了装置的系统级多目标协调的控制策略，如图5所示。在正常稳态条件下，STATCOM装置主要用于稳定节点电压并增强系统阻尼；一旦系统出现故障，STATCOM则进入暂态控制模式用于提高系统的电压稳定性。

STATCOM装置级控制目标是跟踪系统控制策略所给出的参考电流并保证直流侧电压稳定。因此，STATCOM装置级控制主要包括电流跟踪控制与直流电压平衡控制。由于STATCOM装置直挂35 kV线路，每相有26个链节，因此直流电压平衡控制是STATCOM装置级控制的重点。研究发现，直流电压平衡控制的难易程度与H桥中开关器件的工作频率相关，即开关的工作频率越高，直流电压平衡控制越易实现。这是因为直流侧电压不平衡是每个H桥产生电压的差异导致的，若提高开关器件的工作频率就可以减小电压的差别。虽然提高开关频率可以使直流电压平衡控制更容易，但将增加损耗，因此需要采用合适的控制方法对H桥直流电压平衡进行控制。文献[14] 给出了一种直流电压平衡控制方法，仿真中发现该方法在电流小时难以实现直流电压平衡控制。研究表明采用该方法时，每个H桥的瞬时功率为：

图5 35 kV±200 Mvar STATCOM的系统级控制策略框图Fig.5 System-level control strategy of 35 kV±200 Mvar STATCOM

其中，uCav、uCi、uf、is分别为直流侧平均电压、第 i个 H桥的直流电压及其输出电压与电流。可见该方法是通过控制H桥瞬时功率中与电流平方成正比的部分来控制其直流电容的电压的。实际控制中是以STATCOM输出额定电流作为电流基值的，因此额定电流时is对应为1。因为当电流远小于额定电流值时（如在10%额定电流以内），电流平方更小，所以直流电压平衡控制容易失效。为此本文采用根据电流大小适当调整比例系数k的办法实现对直流电压平衡的有效控制，即：

其中，k0为常数，is1为通过对is基波电流快速锁相而得到的与其基波同相且幅值为1的信号。代入式（3）得到：

由式（5）可见，采用该方法H桥的瞬时功率中控制直流电容电压的功率部分只与电流的大小成正比，因此小电流时直流电压平衡控制会更有效。图6为采用固定k值与式（4）的变k值方法在STATCOM装置并网充电然后发出10%额定无功功率时的直流电压的控制情况。由图可见，固定k值方法在小电流时，各H桥直流侧电压会发散，而变k值方法可更有效地维持直流侧电压的平衡。

图6 10%额定无功功率时，不同控制方法直流电压平衡的情况Fig.6 DC voltages balancing for different control methods with 10%of rated reactive power

STATCOM装置的保护系统主要包括电流保护与电压保护。其中电流保护是监测每个H桥链节的电流，一旦超过设定值则闭锁脉冲。电压保护包括每个H桥直流电压的过压和欠压保护以及单相直流总电压过压保护，无论是出现过压还是欠压，保护系统都将闭锁脉冲，并根据过压值的大小决定是否跳开主开关。

4 仿真结果

在完成35 kV±200 Mvar STATCOM装置主电路及控制策略设计后，本文对STATCOM装置的各种工况进行仿真[15]，图 7 为 35kV ±200Mvar STATCOM装置接入东莞站后的等效系统图。设STATCOM以东莞站220 kV母线电压为控制目标，初始状态时220 kV母线电压为227.7 kV，0.5 s时投入站内220kV母线上80 Mvar电抗器，考察STATCOM投入和未投入时母线电压的变化情况。

图7 STATCOM接入等效系统图Fig.7 Equivalent circuit of system with STATCOM

由图8可见，STATCOM未投入时，80 Mvar电抗器的投入导致220 kV母线电压由227.7 kV跌落至224.5 kV。当STATCOM投入运行时，STATCOM迅速释放容性无功从而减少了电压跌落，220 kV母线电压最终稳定在226.5 kV，相比未投入STATCOM时，电压提升约2 kV。STATCOM输出无功功率如图9所示，在经过小幅的超调后迅速稳定在42 Mvar，响应时间约20 ms。图10给出了STATCOM装置输出相电流波形，幅值约为600 A。仿真结果表明STATCOM装置在短路后能够快速输出无功功率，有效提高了东莞站220 kV的电压。仿真结果验证了STATCOM装置在稳态与暂态条件下能够满足系统运行的要求。

图8 东莞站内220 kV母线电压有效值Fig.8 RMS of 220 kV bus voltage in Dongguan Substation

图9 STATCOM输出无功功率Fig.9 Output reactive power of STATCOM

图10 STATCOM输出相电流Fig.10 Output phase-current of STATCOM

5 STATCOM现场运行

东莞变电站35 kV±200 Mvar STATCOM装置于2011年8月19日并网试运行，为了验证STATCOM装置运行能否满足设计要求，进行了吸收、发出无功功率的阶跃实验[16-17]，图11为无功从-40 Mvar跳变到40 Mvar时的实验波形。图中，CH1为无功功率参考值，CH2为系统电压有效值，CH3为装置输出无功功率，CH4、CH5 为系统电压，CH6、CH7、CH8为装置输出电流。由图可见STATCOM装置无功阶跃响应时间小于10 ms，满足设计要求。

图11 STATCOM无功功率从-40 Mvar跳变至40 Mvar的阶跃曲线Fig.11 Fast rising curve of reactive power from-40 Mvar to 40 Mvar generated by STATCOM

图12 东元乙线单相短路后STATCOM动作曲线Fig.12 Response curve of STATCOM to single-phase short circuit of Dong-Yuan Yi line

为进一步测试STATCOM装置多目标控制的协调性，通过短路实验对STATCOM装置在系统故障情况下的运行进行了测试，考察STATCOM能否从稳态运行迅速切换到暂态运行。图12为短路实验时STATCOM装置电压及电流的变化曲线，A1—A3为东莞站220 kV母线电压，A5—A7为35 kV母线电压，B9—B11为图2中左边第一组三相电流，B13—B15为图2中右边第二组三相电流。可见故障后220 kV母线电压发生了暂降，STATCOM装置快速进入暂态模式补偿无功功率，提高了系统的电压水平。故障清除后，系统电压恢复，STATCOM装置迅速进入稳态及阻尼控制模式，装置对系统故障的响应速度小于20 ms。因此装置可实现多目标的协调，满足设计要求。

6 结论

本文设计了35 kV±200 Mvar STATCOM装置的主电路结构及控制保护策略，仿真结果与现场运行结果表明采用双三角接结构可以有效增加STATCOM装置的容量而避免了器件的串并联。多目标协调控制既可以保证STATCOM装置稳态发挥维持枢纽点电压稳定的能力，又能利用STATCOM装置在系统发生故障后，快速输出无功功率，提高系统的暂态电压稳定性。直接电流跟踪控制使STATCOM装置的响应时间小于20 ms，同时保证STATCOM装置在受到系统冲击时不出现过电流。35 kV±200 Mvar STATCOM装置是目前国际上容量最大的STATCOM装置，其顺利投运为STATCOM装置的推广应用奠定了坚实的基础。