刘 策，霍利民

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

基于WAMS的多STATCOM稳态协调控制策略

刘 策，霍利民

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

随着电网电力需求不断的增大，电力系统的电压稳定能力和动态无功补偿能力显得格外重要。STATCOM在稳态运行时与无功补偿设备协调控制，可以实现母线电压的有效控制和系统的无功补偿。为了实现协调控制，根据STATCOM现有的5种控制模式，借助广域测量系统(WAMS)，形成多个STATCOM稳态模式协调控制策略。该策略利用WAMS实测信息灵活切换STATCOM控制模式，且与有载调压变压器配合，实现STATCOM稳态模式与有载调压的协调控制，提升区域电压稳定性。在IEEE39节点测试系统内进行了分析与验证。分析结果表明，该策略能改善区域系统电压过低情况，提高了电网系统的电压稳定性。

静止同步补偿装置；广域测量系统；控制模式；协调控制

0 引言

柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System，FACTS)提升现代电力系统运行的效率和安全稳定的能力尤为突出，很好地确保了电网安全、可靠、经济和优质的运行[1-2]。静止同步补偿装置(Static Synchronous Compensator，STATCOM)作为并联型的FACTS，具有吸收或补偿无功功率的能力，在远距离交流输电系统和风电并网系统中发挥着改进电能质量、提高输送容量以及增强系统阻尼等方面的作用[3]。广域测量系统(WAMS)能精确快速地测量系统各节点的电气量，为电力系统的参数辨识提供了方便，在更好地进行全网控制方面起到了关键的作用，展示了良好的应用前景[4]。

在电网电力需求量大，负荷高度密集的地区。一旦因为动态无功支撑不足而使负荷中心出现故障，系统的电压潮流就会发生剧烈变化，就可能造成系统电压严重失稳，使整个系统崩溃。通过利用STATCOM的技术，能够有效改善电网系统的电压可靠性和稳定性，并使其抵御电网事故的能力得到提升。

近年来，国内外对STATCOM接入系统的控制策略方面的研究和利用取得了部分成果。文献[5]提出了统一潮流控制策略，该策略中输电线路末端的母线电压是根据本地测量的电气量再经过潮流计算得到的，计算过程较复杂。此时可以直接用WAMS中的PMU装置直接实时测得两线路末端母线电压幅值和相位角等信息，更简单地实现了线路有功功率和无功功率协调控制的过程。WAMS系统信号传输滞后对控制效果影响较大[6]，时滞的存在使得电力系统的稳定控制变得更加复杂和困难，也是系统不稳定的根源之一。文献[7]根据自由权矩阵理论和优化算法，提出一种抗时滞的多FACTS广域协调控制算法，采用WAMS信号给出一种多FACTS集中协调控制形式，以保持多机系统的暂态稳定性。但是该控制算法计算相对复杂，权的不确定性较大，优化过程的结果不易得到。文献[8]针对装有PSS、大型风电场和FACTS设备的电力系统，基于广域信号设计的广域协调控制器利用粒子群算法进行全局参数优化，提高系统稳定性。但是该粒子群算法网络权重的编码和遗传算子的选择都比较复杂，因此全局参数的优化不易实现。文献[9]提出了一种可控制动电阻控制器(Thyristor Controlled Braking Resistor, TCBR)广域协调优化策略，该策略采用三级共态预估算法对本地控制器进行全局的非线性递阶最优化协调。该控制策略能参考实时系统的运行状态，根据WAMS提供的实时信息来确定和校正每个本地控制器的控制参数，由此使控制器适应不断变化的系统运行情况，保证随时获得最优的控制效果。

本文参照STATCOM 5种基本控制模式，根据广域测量系统的原理、功能及应用现状，针对多STATCOM系统，结合PMU实时信号，利用系统级、装置级的分层控制的思想，提出系统运行在不同状态时各STATCOM之间协调控制策略。该策略能充分利用WAMS实测信息来灵活切换STATCOM合适的控制模式及目标，使各STATCOM与其临近动态无功补偿装置间的控制相互协调，同时有载调压变压器也随时配合STATCOM动作，实现STATCOM稳态模式与有载调压的协调控制，从而提升区域电压稳定性。

1 STATCOM的不同的控制模式

根据电网的调度和控制的需要，STATCOM 需要储备部分无功容量参与日常系统运行的稳态调压环节，同时作为AVC系统的子单元，参与到全网无功和电压控制当中。为维持暂态电压稳定并减少低压释放的负荷，就要求STATCOM动态补偿容量要大且响应速度要快。

在进行协调控制之前，首先要对STATCOM的不同控制模式进行总结。根据系统的不同运行情况，STATCOM的控制模式分为暂态控制、稳态控制和阻尼控制；其中暂态控制就是暂态电压控制，而稳态控制又包括稳态电压控制、恒无功控制和远方控制[10]。

(1)暂态电压控制模式

系统遭遇诸如线路故障或较大感性无功负荷投入或切除等大扰动时，系统的电压会迅速跌落至0.9 p.u.以下或上升至1.1 p.u.以上，当在时间检测窗口内检测到电压瞬时值变化速率持续超过2～3 p.u./s或任一相电压不在区间[0.9,1.1]范围内时，STATCOM将切换至暂态电压控制模式。当检测到电压跌落至0.3 p.u.以下时，即判定为近端短路故障，此时闭锁STATCOM控制系统，避免其响应使短路电流增大。

(2)远方控制模式

非耦合点电压受到干扰超过界限在可控范围内时，STATCOM通过远方通信接收指令进入稳态电压控制或恒无功控制模式，在保证STATCOM自身耦合点电压稳定前提下，调节无功输出使区域内远方母线的电压维持在稳定范围内。远方控制的优先级低于暂态电压控制。

(3)稳态电压控制模式

公共耦合点(PCC)处的电压稳定在[0.9,0.95]或者在[1.05,1.1]区间时，STATCOM进入稳态电压控制模式，在该模式下PCC电压参考值可以进行人工设定，装置根据系统的电压变化而进行自动反馈调节。在系统遭遇小扰动或需要分钟级的长期电压调节时，STATCOM可以自动调节无功输出以维持节点电压的恒定。

需要注意的是，在实际的系统运行中，当电压超过系统要求时，需要通过投入电抗器来降低电压；当电压低于系统的要求时，则需要投入电容器来提升电压。故STATCOM 的稳态控制策略中需要考虑与临近的可机械投切的无功补偿设备进行配合。同样，为了保证装置留有足够的动态无功备用，处于稳定调压的可用容量需要设定上限和下限。这样做即可以保证无功调节的连续可调性，又减少了STATCOM大功率运行的有功损耗。

(4)恒无功控制模式

PCC电压在[0.95,1.05]时，STATCOM将切换至恒无功控制模式。初始状态下为了减小损耗并保留无功备用，STATCOM不补偿感性无功或只吸少量的感性无功，在该控制模式下STATCOM对小扰动不作响应。为避免PCC电压在恒无功控制与稳态电压控制模式分界点附近波动时STATCOM频繁切换控制模式，切换方式将遵循继电动作特性。

(5)阻尼控制模式

在主控制回路中附加阻尼控制回路，该回路由线路功率为输入，修正无功电流为输出。可在系统发生低频振荡时减小由功率振荡造成的电压波动，从而增强系统阻尼。

2 基于WAMS的多STATCOM稳态协调

由WAM、WAC和WAP组成的广域测量系统(WAMS)将发电机的转速以及母线电压幅值、相角等实时信号作为FACTS的输入信号，起到了简化控制器协调控制的控制算法的作用。

近年来在电力系统控制中应用WAMS技术收效显著，因此，为实现大电网的优化稳定控制，在开展多STATCOM协调控制研究时，可以考虑与WAMS结合起来，依据实测信息达到更好的控制效果。

2.1 基于WAMS的协调控制整体方案

基于WAMS的多个STATCOM协调控制整体结构如图1所示。

图1 基于WAMS的协调控制整体方案

首先利用相量测量单元获取电压、电流等实时同步信号，经通信线路传送至控制主站。控制主站对接收到的实时数据进行预处理，根据时间标签将数据进行分类，并辨别和去除错误信息。得到正确的信息以后，控制主站将利用实测信息对系统状态进行估计，并制定系统级协调控制策略，该策略经系统级控制层将动作命令传输至本地控制层，选择各STATCOM长期稳态控制或短期暂态运行模式，协调控制STATCOM、变压器等其他动态装置。

2.2 基于WAMS的多STATCOM稳态协调

结合5种不同的STATCOM基本控制模式，本文提出基于WAMS的多STATCOM系统协调控制策略，所得到的控制框图如图2所示。

在初始稳态系统中，首先基于WAMS的实时检测数据找出电压较低的区域，并确定需要进行控制的节点，即确定系统中需要参与协调控制的STATCOM装设处。然后对参与协调控制的STATCOM进行远方控制，即向其发出远方指令，使其切换到远方控制模式，此时其他的STATCOM不动作。

图2 基于WAMS的多个STATCOM协调控制

远方控制信号根据STATCOM输出补偿容量的不同，控制STATCOM切换不同的控制模式。当STATCOM输出的容量小于一个电容器组的容量时，远方信号控制STATCOM进入稳态电压控制模式并调节节点电压升高0.01 p.u.；当STATCOM输出的容量大于一个电容器组的容量但是小于2个电容器组容量时，远方信号控制STATCOM切换至恒无功控制模式并增加发出的无功容量到稳态无功容量的上限；当STATCOM输出的容量超过2个电容器组的容量时，STATCOM只能保持最大稳态容量的输出，此时需要借助有载调压调节变压器分接头到+2.5%。

经过一轮调控，WAMS再次进行实时检测，若此时节点电压介于0.95 p.u.和1.05 p.u.之间则控制结束，否则继续重复上一轮的控制过程，直到节点电压满足控制要求结束。

3 测试系统分析与验证

为了清楚地阐明基于WAMS的多STATCOM协调控制策略下，参与协调的多个STATCOM的工作状态，需要结合具体的测试系统进行分析。本文采用IEEE39节点标准测试系统，该系统分为3个区域，分别命名为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，如图3所示，其中节点1为平衡节点。

图3 IEEE39节点标准测试系统

3.1 STATCOM协调控制节点选择

为确定参与协调控制的STATCOM节点，需要对系统的电压分布和有功分布进行分析，做到维持系统电压稳定并兼顾提高系统阻尼，根据测试系统电压的图谱得到区间分布表，如表1所示。

表1 节点电压标幺值区间分布表

由电压分布表可知，区域I和III处的电压相对较高，而区域II内节点电压偏低，全系统电压最低的前10个节点及其电压值如表2所示。

表2指出电压最低的10个节点中有9个位于区域II中，且节点38、12、13、16的电压均低于0.95 p.u.，但不能仅凭电压选择区域II中的STATCOM进行动作。

除了衡量节点电压外，还需考察有功功率较重的非变压器线路，以及区域联络线功率情况。根据系统有功分布得到负荷较重的前10条线路和区域联络线功率如表3和表4所示。

表3和表4指出区域I与另外2个区域联系较紧密，但区域II和区域III之间联系较弱，因此仅区域II内STATCOM动作不能有效地提高区域III内的暂态稳定以及系统阻尼。

表2 全系统电压由低到高前10节点

表3 有功由高到低前10线路

表4 区域联络线功率

区域II中节点11作为升压变压器高压侧节点，任务是将发电机G1的有功经11-12送给负荷的同时将G10的有功经11-15-13也送给负荷。因此节点11是重要节点，考虑到没有无功补偿情况下节点11电压为0.952 p.u.，非常接近正常区间下限，因此节点11选作为第1个STATCOM控制节点。

区域II中节点35不仅承担将G10的有功经过10-36-35-16送给负荷，还是区域联络节点，其电压在未补偿时仅为0.955 p.u.，为保证节点35不会因为电压失稳而引起系统解列，因此节点35选作第2个STATCOM控制节点。

区域III中节点32承担着将G9和G8的有功经线路32-27送给负荷，需要保证该节点电压稳定并兼具阻尼功能，故选择节点32为第3个STATCOM控制节点。同时节点27还是联接区域I的重要节点，故也选择节点27作为第4个STATCOM控制节点。

因此，综合考虑系统电压分布与有功分布特性，在该系统中参与协调控制的4台STATCOM，分别位于节点11、35、32、27。其中，4台STATCOM的临近的电容器组容量为40 Mvar/组，其具体参数如表5所示。

表5 STATCOM的主要元件参数

3.2 STATCOM稳态控制模式与有载调压变压器协调配合过程

系统的初始状态为4台STATCOM接入系统但输出感性无功为零，节点11、35处STATCOM检测到耦合点电压0.952 p.u.和0.955 p.u.，故进入恒无功控制模式；32和27处STATCOM进入恒无功控制模式。

WAMS测量系统检测到区域II内多个节点电压过低，第一轮控制对节点11、35处STATCOM采取远方控制模式，调节节点11、35电压值至0.962 p.u和0.965 p.u.，保持节点32和27处的STATCOM不动作。第一轮控制结束后，区域II中节点电压变化情况如表6所示。

表6 第一轮控制结束后各节点电压

由表6可知，第一轮控制后，除节点38电压仍低于0.95，其他节点电压均处于区间[0.95,1.05]。此时节点11、35处STATCOM分别发出无功70.5 Mvar、50 Mvar，此时节点11处STATCOM无功输出与2组电容器容量(2×40 Mvar)非常相近，节点35处STATCOM距离2组电容器容量上限还有30 Mvar的备用容量。故第二轮控制时，节点11和35处STATCOM切换为恒无功控制模式，节点11、35分别增发9.5 Mvar、30 Mvar的无功功率，到达规定的稳态无功上限。结果如表7所示。

表7 第二轮控制结束后各节点电压

第二轮控制后，2台STATCOM均达到稳态调压输出容量的上限，因此在第三轮控制中为保证STATCOM至少50%的无功备用，将不再继续增发无功。故第三轮控制将调节对应升压变的变比，将升压变38-39的变比调节为1.025。结果如表8所示。

表8 第三轮控制结束后各节点电压

由表8可知，第三轮控制结束后，节点12、13、15、11和39电压相比第二轮略有下降，但仍在[0.95,1.05]区间内，相反节点38、16、35、36和34电压上升，且节点38电压值升至0.95 p.u.以上进入正常区间。

经过了三轮控制，电压分布与初始状态对比如表9所示。

表9 初始电压与稳态电压协调控制结果对比

对比控制前后可知，初始状态时区域II内电压较低的节点区域在协调控制后明显得到改善，证明协调控制能有效提高区域电压。

4 结论

本文对STATCOM现有的5种控制模式进行了梳理，并根据这些控制模式，借助广域测量系统(WAMS)提出多个STATCOM稳态模式协调控制策略。该策略利用WAMS实测信息，选择合适的STATCOM动作，即根据系统运行状态的变化进行稳态模式间的灵活切换，同时还与有载调压相结合，在改善区域系统电压过低的同时，依然保留较大的无功备用容量以应对紧急状态，进而提高了电网系统的电压稳定。

[1]谢小荣,姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2006:225-227.

[2]汤广福，刘泽洪.2010年国际大电网会议系列报道：高压直流输电和电力电子技术[J].电力系统自动化，2011，35(5)：1-4.

[3]孙万鹏，季亚鹏，孙伟伟.STATCOM在风电并网系统电压稳定性中的应用研究[J].电力科学与工程 , 2013, 29(4): 7-11, 29.

[4]赵菲，焦彦军，王铁强，等.基于WAMS的输电线路参数在线辨识的研究[J].电力科学与工程 , 2011, 27(8): 15-19.

[5]杨尚瑾.统一潮流控制器(UFPC)多目标协调控制及稳定控制策略研究[D].北京: 中国电力科学研究院, 2013.

[6]CHAUDHURI B, MAJUMDER R, PAL B C.Wide-area measurement-based stabilizing control of power system considering signal transmission delay[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2004, 19(4): 1971-1979.

[7]黄柳强.灵活交流输电设备间交互及协调研究[D].北京:中国电力科学研究院, 2013.

[8]WEI Q, VENAYAGAMOORTHY G K, HARLEY R G.DHP-Based wide-Area coordinating control of a power system with a large wind farm and multiple FACTS devices[C]// International Joint Conference on Neural Networks.IEEE, 2007:2093-2098.

[9]张雪焱，黄少锋.可控制动电阻控制器广域协调优化方法研究[J].电工技术学报，2008，23(6): 114-118.

[10]李春华, 黄伟雄, 袁志昌, 等.南方电网±200Mvar链式STATCOM系统控制策略[J].电力系统自动化, 2013, 37(3): 116-121.

Steady State Coordinated Control Strategy for Multiple STATCOMs Based on WAMS

LIU Ce，HUO Limin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

With the increasing consumption demands for power grid, the capability of voltage stability and dynamic reactive power compensation of power system become particularly important.When the STATCOM (Static Synchronous Compensator) is coordinated with the reactive power compensation device in the steady state operation, the control of the bus voltage and reactive power compensation of the system can be realized.In order to realize the coordinated control, the coordinated control strategy of multi STATCOM steady state mode is formed according to the existing five control modes of STATCOM as well as the use of the wide area measurement system (WAMS).By using the information of WAMS to flexibly switch the STATCOM control mode, the strategy cooperates with the on-load tap changer transformer to realize the coordination control, and improve the voltage stability region as well.Analysis and verification in the IEEE39 node test system is conducted.The results show that the proposed method can improve the voltage stability of the system.

STATCOM；WAMS；control model；coordination control

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.005

2017-03-31。

河北省自然科学基金(2008000357)。

TM761

A

1672-0792(2017)06-0027-07

霍利民(1965-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统自动化技术和智能电网。

刘 策 (1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化和智能电网。