±200MVar链式静止无功补偿器稳态控制策略及仿真分析

2015-11-18郑传材劳志烜许雪丽

电气技术 2015年11期

郑传材劳志烜许雪丽

（广州供电局有限公司，广州 510620）

±200MVA静止同步补偿器（STATCOM）是基于 IEGT技术的无功补偿装置。该容量也是迄今为止世界上最大的动态无功补偿装置。

STATCOM的结构中，级联多H桥电平结构[1-2]与二极管钳位多电平结构[3]、模块化多电平结构[4-5]相比，节省了成本和空间。同时，H桥级联拓扑的模块化结构易于实现冗余，可大大提高装置的运行可靠性。因而在南方电网应用中的 4套±200MVA STATCOM都采用多级联H桥结构。

文中详细分析装置的系统稳态控制策略和防误控制策略，并建立基于PSCAD的STATCOM控制模型；仿真分析定无功、定电压控制模式下，STATCOM 与站内电容、电抗的配合，以及两种模式下的STATCOM反映特性。策略研究和策略分析对理解STATCOM反应特性和对后续工程应用有较好的指导价值。

1 STATCOM的系统稳态控制策略

STATCOM 在交直流混联电网中的应用，很大程度上是为直流输电系统服务。500kV北郊站与±500kV天广直流的电气连接早通过200kV广北甲乙线连接，因而该工程的主控电压控制目标为 220kV母线，用于补偿在系统振荡情况下用于缓解直流系统的换相失败对直流系统运行的负面影响。STATCOM的一次电压等级为35kV，故而需要采用240MVA变压器接入220kV系统。主电路的结构如图1所示。

图1 ±200MVar STATCOM接入主电路图

STATCOM主电路参数表见表1。

表1 ±200MVar STATCOM主要元件参数

STATCOM 的稳态控制策略需要考虑与站内原有机械投切无功补偿设备配合。站内电容器容量40Mvar/组，电抗器容量为-45Mvar/组。为 STATCOM无功输出，导致电容和电抗反复投切。STATCOM正常无功限额应小于，设为±40Mvar。即可以可实现站内无功调节连续可调，并减少STATCOM大功率运行的有功损耗[6-7]。

为实现站内电容电抗配合，系统控制柜通过站内103规约，与站内电容电抗测控装置通信用于采集全站电容器和电抗器的开关位置，以此来判别该站内电容器和电抗器的投入情况。当全站电容器或电抗器投入使后，电压仍不满足控制要求时，系统控制会自动将无功限值开放至±100Mvar额定工作，为防止STATCOM频繁开放限幅，全站电容电抗投入持续时间设定为60s。

远方控制模式，是实现与调度端进行通信，使STATCOM可以纳入AVC或广域控制的范围内。通过调度104规约传送电压曲线或通过调度103规约接受电压定值的形式，调度端可以对STATCOM进行控制。

图2 ±200Mvar V-I斜率控制框图

稳态电压模式，需要跟随电压定值，采用电流环PI控制，形成电V-I特性曲线比例 KSL，如式（1）所示。控制电压与无功输出的关系，通常斜率典型值为3%～5%。此时控制目标为ΔV为系统电压与设定目标电压的偏差标幺值，控制对象ΔV为发出无功折算后与额定电流的标幺值。实现方式如图 2所示。

定电压控制模式下，系统自动将引入的 500kV电压和220kV电压进入判断，防止其中其中一项超过定值范围。

1）防误判别为当取 220kV作为控制目标时：500kV电压超过±7%时起动，判断时间200ms，当电压偏差小于±5%时返回。

2）当取 500kV作为控制目标时，200kV电压超过±9%时起动，判断时间200ms，当电压偏差小于±5%时返回。

满足防误条件后，无功变化步长取 5MVar/s，每次检测减少值为25MVar。

定无功模式根据设定的无功值保持 STATCOM输出无功不变，系统的电压变化时自动调节STATCOM输出电流的大小，从而保证无功值恒定。从一个无功值变化到另一个无功值时受速率的限制，以免对电网产生冲击。

2 STATCOM定电压控制和定无功控制PSCAD仿真分析

采用PSCAD仿真软件构建35kV STATCOM仿真模型一组。模型模拟现场情况，包括500kV主变、STATCOM 专用变及站内部分无功补偿设备，包括电容器和电抗器（TSC+TSL）。500kV主变向上等值系统采用系统软件PSD-BPA，计算STATCOM预装目标地点的等值电阻和电抗，等值系统采用等值发电机加等值阻抗的形式。

构建的等值仿真模型框架如图3所示，系统等值阻抗为 R500为1.176Ω， L500为0.2，220kV短路容量10G，500kV短路容量40G。

图3 STATCOM模型框架

500kV主变标称电压为525kV/230kV/35kV，容量750MVA,高-中阻抗为 55%，高-低阻抗为12%，中-低阻抗为 40%。STATCOM 专用变正序阻抗为12%，容量为240MVA。机械投切电容器FC每组为40MVar，机械投切抗器FL每组为-45MVar。

该STATCOM容量为稳态容量限值100MVar，通过230kV/35kV专用变挂在500kV主变的220kV侧，装置暂态容量限值±150MVar，控制模式为暂态控制、定电压或定无功控制。

STATCOM 稳态控制主要表现在站内投切电容或电抗、负荷曲线变化对电压的影响等，其集中表现为STATCOM在定电压控制或定无功控制模式下对系统电压的反应。

仿真采用分别在定电压和定无功的控制模式下，投切站内电容器或电抗器来改变STATCOM机端电压，验证其对电压变化的反应能力。

仿真中设定系统电压为230.18kV，系统负荷在一定范围内波动，将#2 STATCOM电压电流斜率V-I斜率控制设置为0.03。投切电容电抗后，STATCOM无功输出和控制目标电压见表2。

表2 STATCOM V-I特性仿真分析

该表数据与根据式（1）可计得结果与设定相符。

在另一负荷水平下，STATCOM 不投入，仿真系统220kV侧电压为230kV，取定电压控制目标为231.2k为额定值，则STATCOM投入前电压标幺值为0.9948。仿真在0.8s时将STATCOM投入，定电压控制目标为 231.2kV。进入定电压控制状态，1s时投一组电容器，1.22s切除一组电容器的同时投入一组电抗器。

仿真图形如图4所示。其中 Qsvg为STATCOM实时无功功率值，i35-k(k ∈ a ,b,c)为STATCOM环外各相电流值， U220PU为220kV侧各相电压标幺平均值，iq-kk-rms(k k ∈ A B,B C,C A)为各相经过d-q分解后的q轴电流有效值。

图4 定电压条件下STATCOM波形

STATCOM在0.8s投入，在定电压和V-I曲线的作用下，STATCOM 发出 10MVar无功功率。在1s投入电容器时，系统控制经过 du/dt判别进入暂态，STATCOM发出10MVar感性无功；在1.22s时投切电容器电抗器后，STATCOM 发出近 40MVar容性无功。

仿真分析可得，稳态反应速率为1～2个周波。在定电压控制模式下，STATCOM 可以灵敏反应站内电容电抗的投切。

定无功的控制模式，设定定无功控制目标为50Mvar（容性）。仿真时设定在1s时投入系统发生远端短路故障，并在 1.22s切除一组电容器的同时投入一组电抗器。

仿真如图5所示。定无功模式下，1s系统发生短路故障，满足暂态判据，将电流限幅开入到1.5p.u.，此时STATCOM装置控制退出定无功控制，进入暂态电压控制，在暂态结束后，退出暂态电压控制，再次进入定无功控制。1.22s时，将系统切除一组电容器后，STATCOM 快速跟随系统电压，并调节输出电流，使定无功控制仍然稳定在目标值50Mvar（容性）。