参与AVC调节的STATCOM电压控制策略设计与仿真

2015-09-18袁志昌汪龙龙林建熙杨银国

电力自动化设备 2015年10期

徐箭，袁志昌，汪龙龙，林建熙，杨银国

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；3.广东电网公司电力调度控制中心，广东广州 510600）

0 引言

自动电压控制（AVC）能够实现系统电压的分层分区控制，在优化电压质量、提高系统电压安全水平等方面取得了理想的效果［1-4］。合理的静止同步补偿器（STATCOM）控制策略能够在提高系统电压质量的同时储备较大的无功容量，从而增强系统抵御电压突变的能力，提高系统的动态电压稳定水平［5-7］。因此，STATCOM参与AVC的调节是实现STATCOM合理控制、提高系统电压稳定水平的重要途径。

近年来，关于AVC及STATCOM控制策略的研究比较多。在AVC方面，国外研究机构主要是以法国EDF为代表的三级电压控制模式［8-10］，国内主要是以清华大学电机系电力系统调度自动化实验室为代表的基于“软分区”的三级电压控制模式［11-13］。在STATCOM的控制策略方面，关于STATCOM自身的控制策略及与有载调压变压器（ULTC）、静止无功补偿器（SVC）及晶闸管投切电容器（TSC）等无功调节设备协调控制的研究也较多［14-18］。但对于将AVC与STATCOM的控制策略相结合，形成分层的STATCOM控制策略的研究，国内外尚无此方面的研究。

针对目前±200 Mvar级STATCOM投运以来在系统控制策略上暴露出的一些问题和不足［14］，如STATCOM在运行中出现的不能与站内无功设备协调控制、无功储备不足、不能参与区域内非接入点的母线电压控制等问题，有必要在参与AVC调节的STATCOM控制策略方面进行进一步研究。本文提出了一种STATCOM参与AVC调节的控制策略，设计了STATCOM分别在恒无功模式、稳态调压控制模式、暂态电压控制模式（此3种控制模式为站内控制模式）下与电容器组协调控制的一级电压控制策略和STATCOM在不同的站内控制模式下与远方控制信号相互协调的二级电压控制策略。

1 STATCOM基本控制模式

本文设计提出了恒无功模式、稳态调压控制模式、暂态电压控制模式、远方控制模式4种STATCOM控制模式及不同控制模式所对应的判断标准，如图1所示（图中电压为标幺值）。

图1 STATCOM控制模式选择逻辑Fig.1 Logic of STATCOM control mode selection

a.当STATCOM接入系统时，首先判断前一时刻STATCOM是否闭锁，若未闭锁，则判断接入点母线任意一相电压有效值是否跌落至0.3 p.u.以下，若高于该值，则装置进入相应的控制模式，若低于该值，则控制结束，装置闭锁。处于闭锁状态的STATCOM接入点电压若上升到0.4 p.u.以上，则STATCOM解锁，进入相应的控制模式。

b.恒无功模式：当STATCOM接入点母线电压Ulineє［0.95 p.u.，1.05 p.u.］时，STATCOM 进入恒无功模式。处于恒无功模式的STATCOM恒定输出一无功量（为了使STATCOM留有最大的动态无功备用且运行损耗最小，恒定无功输出值一般设为0或较小容量的感性输出状态），对于系统在该状态下受到的扰动不响应。处于恒无功模式的STATCOM在保证接入点母线电压合格的前提下储备最大的动态无功容量。

c.稳态调压控制模式：当STATCOM接入点母线电压 Ulineє［0.9 p.u.，1.1 p.u.］且 Ulineє［0.95 p.u.，1.05 p.u.］时，STATCOM进入稳态调压控制模式。处于稳态调压控制模式的STATCOM无功功率输出值根据系统电压的变化而在一定范围内进行自动调节。稳态调压控制模式使STATCOM在电压基本合格的前提下储备较大的动态无功容量。

d.暂态电压控制模式：当接入点母线任意一相电压有效值跌落至0.9 p.u.以下而仍大于0.3 p.u.或者任意一相电压跌落速度大于设定值 KdU/dt（KdU/dt=2 ～3 p.u./s）时，认为发生远端短路故障，STATCOM 进入暂态电压控制模式；若任意一相电压有效值升高到1.1 p.u.以上，STATCOM进入暂态电压控制模式。处于暂态电压控制模式的STATCOM将输出容量的上下限设为容性200 Mvar到感性200 Mvar，有助于装置尽快实现无功功率满发，应对暂态故障时的动态无功支撑需求。暂态过程判断逻辑见图2，umeas为电压瞬时值，Urms为电压有效值，TS为采样时间步长。

图2 暂态过程判断逻辑Fig.2 Logic of transient process judgment

e.远方控制模式：当STATCOM接收到远方AVC控制指令时，若其控制模式处于恒无功模式或者稳态调压控制模式，则STATCOM进入远方控制模式，允许其按照远方控制指令发出无功功率。处于远方控制模式的STATCOM在保证接入点母线电压不越限的原则下，按照远方AVC控制信号发出相应的无功功率，从而对区域内故障节点母线起到电压支撑作用。

2 STATCOM参与AVC调节的一级电压控制

该控制策略即STATCOM在不同站内控制模式下与电容器组的协调控制，属于本地控制。控制目标为：在保证STATCOM接入点母线电压稳定的同时，使系统储备最大的动态无功容量。

2.1 恒无功模式下STATCOM与电容器组的协调控制

当STATCOM处于恒无功模式时，STATCOM对于系统在该状态下受到的扰动不进行响应，保持原状态，电容器组也保持原状态，不进行动作。

2.2 稳态调压控制模式下STATCOM与电容器组的协调控制

当STATCOM处于稳态调压控制模式时，为保证装置储备足够的动态无功容量，稳态调压的可用容量设有上下限：装置输出容量的容性上限略小于1台电容器组，设为Qcmax；感性上限略小于1台电抗器组，设为Qxmax。相应控制策略流程如图3所示。图中，Qstat为STATCOM无功输出值；Qc为1台电容器组的无功输出容量；Qcremain为系统中未投入的电容器组数；Qlim为STATCOM初始限值；Qlack为电容器组投入后系统所缺无功。

图3 STATCOM与电容器组的协调控制逻辑Fig.3 Logic of coordinative control between STATCOM and capacitors

其控制策略为：首先由测量系统检测站内所有电容器组的投切状态。当系统任意相电压Ulineє［0.9 p.u.，1.1 p.u.］且 Ulineє［0.95 p.u.，1.05 p.u.］，而STATCOM容性输出已达初始容性上限时，若站内有电容器组处于断开状态，则根据无功功率缺额投入相应的电容器组数；若站内全部电容器组均处于闭合状态，则将STATCOM的容性上限逐渐上调为2台电容器组的容量，若系统电压在装置的容性输出再次达到设定上限且持续一段时间后仍然不能满足要求，则继续升高容性上限。为了使系统留有较大的动态无功备用，容性上限的最大值一般不得超过装置额定容量的一半。当系统电压高于设定值而STATCOM感性输出已达初始感性上限时，原理类似。

STATCOM在稳态调压控制模式下与电容器组协调控制，使系统储备了较大的动态无功备用容量。STATCOM与电容器组有/无协调控制时Qlack（系统无功缺额）与Qstat（STATCOM无功备用容量）的关系坐标图如图4所示。图中，①、②分别表示STATCOM与电容器组无协调控制和有协调控制时Qstat与Qlack的关系曲线。

图4 STATCOM与电容器组有/无协调控制的无功备用容量对比图Fig.4 Comparison of reactive power reserve between with and without coordinative control between STATCOM and capacitors

假设初始检测时有2台电容器组尚未投入。由图4可知，当STATCOM输出无功功率在［20 Mvar，40 Mvar］时，投入1台电容器组，置换出STATCOM的动态无功，依此类推直到电容器组全部投入，系统电压满足要求。由曲线①、曲线②可知，加入控制策略之后，STATCOM的动态无功备用容量相较于未加入控制策略时要显著增加。

2.3 暂态电压控制模式下STATCOM与电容器组的协调控制

当STATCOM处于暂态电压控制模式时，由于电容器组的投切时间较长，在短时间内来不及动作，故在暂态电压控制模式中，STATCOM与电容器组的协调控制策略为：电容器组不动作，STATCOM根据系统的无功功率缺额发出相应的无功，直至达到额定输出容量。

3 STATCOM参与AVC调节的二级电压控制

在目前的AVC调节方式中，电网被划分成若干解耦的控制区域，整个控制系统分为3个层次：一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制。三级电压控制为系统级控制，以全系统的经济运行为优化目标；二级电压控制为区域级控制，以保证接入点母线电压等于设定值为目标；一级电压控制为本地控制，由站内电压控制器执行二级区域控制中心下发的控制命令，实现电压的自动调节。

STATCOM参与AVC调节的二级电压控制策略即STATCOM在不同站内控制模式下与远方控制模式的协调控制，属于区域控制。其控制目标为：在优先保证STATCOM接入点母线电压合格的原则下，通过对STATCOM的无功输出量进行控制，使得区域内故障节点的电压得到提升。通过此协调控制，可以有效地提高区域内紧急情况下的系统电压水平，减小系统因故障或突然增加大量负荷引起的系统电压失稳等问题，从而大幅提高了系统的电压稳定性。

在该调节过程中，当区域中非接入点母线电压发生异常时，由AVC发出相应的电压控制信号，STATCOM接收该信号后对自身控制模式进行判断，若条件允许，则立即参与非中枢母线的电压调节过程。相应的控制策略流程如图5所示（当电压小于0.3 p.u.时，STATCOM处于闭锁模式，不属于正常运行状态，因此仅考虑电压大于0.3 p.u.的逻辑过程）。

图5 参与二级电压控制的STATCOM控制策略流程Fig.5 Control strategy of STATCOM participating in second-level voltage control

其控制策略为：当STATCOM接入点母线电压处于基本合理的范围［0.9 p.u.，1.1 p.u.］内（即STATCOM处于恒无功模式或稳态调压控制模式）时，远方控制信号的优先级要高于STATCOM所处控制模式的优先级，若STATCOM收到远方控制信号，则在保证接入点母线电压不越限（不高于1.1 p.u.或不低于0.9 p.u.）的前提下，STATCOM按照远方控制信号的要求来发出无功功率，直至达到额定输出功率；当接入点母线电压偏离合理范围时，STATCOM迅速动作，进入暂态电压控制模式，发出大量无功，对接入点母线电压起到提升作用，此时站内控制模式的优先级要高于远方控制信号的优先级，STATCOM对远方控制信号不予以响应。

4 仿真验证

为了验证所提电压控制策略的正确性，在PSCAD平台上搭建接入±200 Mvar STATCOM的IEEE 39节点系统仿真模型。仿真模型中各节点负荷为50%电动机负荷加50%恒阻抗负荷（其中，节点15为400 MV·A电动机负荷加300 MV·A恒阻抗负荷，节点16为300 MV·A电动机负荷加120 MV·A恒阻抗负荷，其余负荷功率不变，恒阻抗负荷功率因数均为0.9），STATCOM接在区域中枢节点15上，短路故障及突然增加负荷均发生在同区域的节点16上［11］，仿真模型如图6所示。

图6 接入STATCOM的IEEE 39节点系统仿真模型Fig.6 Simulation model of IEEE 39-bus system with STATCOM

仿真过程中，3 s时系统发生三相短路故障，故障持续0.2 s；4 s时系统发生单相接地短路故障，故障持续0.15 s；5 s时系统突然增加大量恒阻抗负荷（600MV·A，功率因数为 0.5），整个仿真过程持续 7s。

4.1 STATCOM参与一级电压控制的仿真验证

在上述仿真条件下，STATCOM与电容器组有/无协调过程时的接入点中枢母线电压（标幺值）及STATCOM无功输出量分别如图7、图8所示。

图7 STATCOM与电容器组有/无协调过程的中枢母线电压Fig.7 Voltage of central bus with and without coordinative control between STATCOM and capacitors

图8 STATCOM与电容器组有/无协调过程的无功输出量Fig.8 Reactive power output of system with and without coordinative control between STATCOM and capacitors

由仿真波形可知，对于有协调控制策略的系统，当STATCOM处于稳态电压控制模式时，通过STATCOM与电容器组的协调控制，电容器组逐个投入，以置换出STATCOM的动态无功出力，直到电压满足要求［0.95 p.u.，1.05 p.u.］，此时 STATCOM 输出较小的无功功率，系统能够储备较大的动态无功容量；对于无协调控制的系统，系统所缺无功首先由STATCOM提供，电容器组暂时不参与调节，直到STATCOM无功输出达到额定值，此系统储备动态无功容量较少，应对故障能力较差。

此外，由仿真波形可知，当STATCOM与电容器组有协调控制时，系统的电压水平要高于无协调系统；发生故障后，有协调控制策略的系统电压跌落幅度及恢复时间均要小于无协调控制策略系统。

为了反映STATCOM的无功备用状况，在此引入STATCOM无功容量备用率K（0≤K≤1），K值越大，系统动态无功备用量越大，函数如式（1）所示：

其中，Qre为STATCOM额定容量。

STATCOM与电容器组有/无协调过程的无功容量备用率如图9所示。

图9 STATCOM与电容器组有/无协调的无功容量备用率Fig.9 Reactive power capacity reserve rate of system with and without coordinative control between STATCOM and capacitors

由仿真波形可知，STATCOM与电容器组有协调控制的K值要远大于无协调控制，即有协调控制时的STATCOM无功备用率要远高于无协调控制的STATCOM无功备用率。

4.2 STATCOM参与二级电压控制的仿真验证

在上述仿真条件下，STATCOM与远方控制信号有/无协调过程时接入点中枢母线电压（标幺值）、故障节点母线电压（标幺值）及STATCOM的无功输出量波形图分别如图10—12所示。

图10 STATCOM与远方控制信号有/无协调过程时中枢母线电压Fig.10 Voltage of central bus with and without coordinative control between STATCOM and remote control signal

图11 STATCOM与远方控制信号有/无协调过程时故障节点电压Fig.11 Voltage of faulty node with and without coordinative control between STATCOM and remote control signal

图12 STATCOM与远方控制信号有/无协调过程时的无功输出量Fig.12 Reactive power output of system with and without coordinative control between STATCOM and remote control signal

STATCOM参与AVC二级电压控制的调节过程时，无功输出量不仅受到接入点中枢母线电压的控制，还要受到区域内非接入点母线电压的影响。当区域内非接入点母线电压低于0.9 p.u.时，AVC发出控制信号，若此时STATCOM处于恒无功模式或者稳态调压控制模式，则STATCOM接收AVC控制信号，增大无功输出量，起到提高系统母线电压、防止系统电压失稳的作用。由图10—12可知，在发生短路故障时，由于STATCOM接入点及故障点电压均发生跌落（小于0.9 p.u.），STATCOM迅速发出大量无功功率，优先对STATCOM接入点中枢母线电压起到支撑作用；在发生突增大量负荷时，此时，STATCOM接入点中枢母线电压处于基本合理范围［0.9 p.u.，1.1 p.u.］内，故障点电压发生跌落（小于 0.9 p.u.），通过协调控制，STATCOM发出大量的无功功率，起到了提升整个系统电压水平、防止电压失稳的作用。

STATCOM不参与AVC二级电压的调节过程时，无功输出量仅受接入点中枢母线电压控制，STATCOM不参与区域内其余母线电压的调节过程。由图10—12可知，在发生短路故障和突增大量负荷时，当接入点中枢母线电压在基本合理范围之内时，STATCOM仅发出少量无功功率提升接入点中枢母线电压水平，对故障点电压跌落无响应；仅当接入点中枢母线电压低于0.9 p.u.时，STATCOM发出大量无功，此过程不能起到提升整个系统电压水平、抑制非接入点母线电压失稳的作用。