鄭傳材 勞志烜 許雪麗

（廣州供電局有限公司，廣州 510620）

±200MVA靜止同步補償器（STATCOM）是基于 IEGT技術(shù)的無功補償裝置。該容量也是迄今為止世界上最大的動態(tài)無功補償裝置。

STATCOM的結(jié)構(gòu)中，級聯(lián)多H橋電平結(jié)構(gòu)[1-2]與二極管鉗位多電平結(jié)構(gòu)[3]、模塊化多電平結(jié)構(gòu)[4-5]相比，節(jié)省了成本和空間。同時，H橋級聯(lián)拓?fù)涞哪K化結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)冗余，可大大提高裝置的運行可靠性。因而在南方電網(wǎng)應(yīng)用中的 4套±200MVA STATCOM都采用多級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)。

文中詳細(xì)分析裝置的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略和防誤控制策略，并建立基于PSCAD的STATCOM控制模型；仿真分析定無功、定電壓控制模式下，STATCOM 與站內(nèi)電容、電抗的配合，以及兩種模式下的STATCOM反映特性。策略研究和策略分析對理解STATCOM反應(yīng)特性和對后續(xù)工程應(yīng)用有較好的指導(dǎo)價值。

1 STATCOM的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

STATCOM 在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中的應(yīng)用，很大程度上是為直流輸電系統(tǒng)服務(wù)。500kV北郊站與±500kV天廣直流的電氣連接早通過200kV廣北甲乙線連接，因而該工程的主控電壓控制目標(biāo)為 220kV母線，用于補償在系統(tǒng)振蕩情況下用于緩解直流系統(tǒng)的換相失敗對直流系統(tǒng)運行的負(fù)面影響。STATCOM的一次電壓等級為35kV，故而需要采用240MVA變壓器接入220kV系統(tǒng)。主電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ±200MVar STATCOM接入主電路圖

STATCOM主電路參數(shù)表見表1。

表1 ±200MVar STATCOM主要元件參數(shù)

STATCOM 的穩(wěn)態(tài)控制策略需要考慮與站內(nèi)原有機械投切無功補償設(shè)備配合。站內(nèi)電容器容量40Mvar/組，電抗器容量為-45Mvar/組。為 STATCOM無功輸出，導(dǎo)致電容和電抗反復(fù)投切。STATCOM正常無功限額應(yīng)小于，設(shè)為±40Mvar。即可以可實現(xiàn)站內(nèi)無功調(diào)節(jié)連續(xù)可調(diào)，并減少STATCOM大功率運行的有功損耗[6-7]。

為實現(xiàn)站內(nèi)電容電抗配合，系統(tǒng)控制柜通過站內(nèi)103規(guī)約，與站內(nèi)電容電抗測控裝置通信用于采集全站電容器和電抗器的開關(guān)位置，以此來判別該站內(nèi)電容器和電抗器的投入情況。當(dāng)全站電容器或電抗器投入使后，電壓仍不滿足控制要求時，系統(tǒng)控制會自動將無功限值開放至±100Mvar額定工作，為防止STATCOM頻繁開放限幅，全站電容電抗投入持續(xù)時間設(shè)定為60s。

遠(yuǎn)方控制模式，是實現(xiàn)與調(diào)度端進(jìn)行通信，使STATCOM可以納入AVC或廣域控制的范圍內(nèi)。通過調(diào)度104規(guī)約傳送電壓曲線或通過調(diào)度103規(guī)約接受電壓定值的形式，調(diào)度端可以對STATCOM進(jìn)行控制。

圖2 ±200Mvar V-I斜率控制框圖

穩(wěn)態(tài)電壓模式，需要跟隨電壓定值，采用電流環(huán)PI控制，形成電V-I特性曲線比例 KSL，如式（1）所示?？刂齐妷号c無功輸出的關(guān)系，通常斜率典型值為3%～5%。此時控制目標(biāo)為ΔV為系統(tǒng)電壓與設(shè)定目標(biāo)電壓的偏差標(biāo)幺值，控制對象ΔV為發(fā)出無功折算后與額定電流的標(biāo)幺值。實現(xiàn)方式如圖 2所示。

定電壓控制模式下，系統(tǒng)自動將引入的 500kV電壓和220kV電壓進(jìn)入判斷，防止其中其中一項超過定值范圍。

1）防誤判別為當(dāng)取 220kV作為控制目標(biāo)時：500kV電壓超過±7%時起動，判斷時間200ms，當(dāng)電壓偏差小于±5%時返回。

2）當(dāng)取 500kV作為控制目標(biāo)時，200kV電壓超過±9%時起動，判斷時間200ms，當(dāng)電壓偏差小于±5%時返回。

滿足防誤條件后，無功變化步長取 5MVar/s，每次檢測減少值為25MVar。

定無功模式根據(jù)設(shè)定的無功值保持 STATCOM輸出無功不變，系統(tǒng)的電壓變化時自動調(diào)節(jié)STATCOM輸出電流的大小，從而保證無功值恒定。從一個無功值變化到另一個無功值時受速率的限制，以免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

2 STATCOM定電壓控制和定無功控制PSCAD仿真分析

采用PSCAD仿真軟件構(gòu)建35kV STATCOM仿真模型一組。模型模擬現(xiàn)場情況，包括500kV主變、STATCOM 專用變及站內(nèi)部分無功補償設(shè)備，包括電容器和電抗器（TSC+TSL）。500kV主變向上等值系統(tǒng)采用系統(tǒng)軟件PSD-BPA，計算STATCOM預(yù)裝目標(biāo)地點的等值電阻和電抗，等值系統(tǒng)采用等值發(fā)電機加等值阻抗的形式。

構(gòu)建的等值仿真模型框架如圖3所示，系統(tǒng)等值阻抗為 R500為1.176Ω， L500為0.2，220kV短路容量10G，500kV短路容量40G。

圖3 STATCOM模型框架

500kV主變標(biāo)稱電壓為525kV/230kV/35kV，容量750MVA,高-中阻抗為 55%，高-低阻抗為12%，中-低阻抗為 40%。STATCOM 專用變正序阻抗為12%，容量為240MVA。機械投切電容器FC每組為40MVar，機械投切抗器FL每組為-45MVar。

該STATCOM容量為穩(wěn)態(tài)容量限值100MVar，通過230kV/35kV專用變掛在500kV主變的220kV側(cè)，裝置暫態(tài)容量限值±150MVar，控制模式為暫態(tài)控制、定電壓或定無功控制。

STATCOM 穩(wěn)態(tài)控制主要表現(xiàn)在站內(nèi)投切電容或電抗、負(fù)荷曲線變化對電壓的影響等，其集中表現(xiàn)為STATCOM在定電壓控制或定無功控制模式下對系統(tǒng)電壓的反應(yīng)。

仿真采用分別在定電壓和定無功的控制模式下，投切站內(nèi)電容器或電抗器來改變STATCOM機端電壓，驗證其對電壓變化的反應(yīng)能力。

仿真中設(shè)定系統(tǒng)電壓為230.18kV，系統(tǒng)負(fù)荷在一定范圍內(nèi)波動，將#2 STATCOM電壓電流斜率V-I斜率控制設(shè)置為0.03。投切電容電抗后，STATCOM無功輸出和控制目標(biāo)電壓見表2。

表2 STATCOM V-I特性仿真分析

該表數(shù)據(jù)與根據(jù)式（1）可計得結(jié)果與設(shè)定相符。

在另一負(fù)荷水平下，STATCOM 不投入，仿真系統(tǒng)220kV側(cè)電壓為230kV，取定電壓控制目標(biāo)為231.2k為額定值，則STATCOM投入前電壓標(biāo)幺值為0.9948。仿真在0.8s時將STATCOM投入，定電壓控制目標(biāo)為 231.2kV。進(jìn)入定電壓控制狀態(tài)，1s時投一組電容器，1.22s切除一組電容器的同時投入一組電抗器。

仿真圖形如圖4所示。其中 Qsvg為STATCOM實時無功功率值，i35-k(k ∈ a ,b,c)為STATCOM環(huán)外各相電流值， U220PU為220kV側(cè)各相電壓標(biāo)幺平均值，iq-kk-rms(k k ∈ A B,B C,C A)為各相經(jīng)過d-q分解后的q軸電流有效值。

圖4 定電壓條件下STATCOM波形

STATCOM在0.8s投入，在定電壓和V-I曲線的作用下，STATCOM 發(fā)出 10MVar無功功率。在1s投入電容器時，系統(tǒng)控制經(jīng)過 du/dt判別進(jìn)入暫態(tài)，STATCOM發(fā)出10MVar感性無功；在1.22s時投切電容器電抗器后，STATCOM 發(fā)出近 40MVar容性無功。

仿真分析可得，穩(wěn)態(tài)反應(yīng)速率為1～2個周波。在定電壓控制模式下，STATCOM 可以靈敏反應(yīng)站內(nèi)電容電抗的投切。

定無功的控制模式，設(shè)定定無功控制目標(biāo)為50Mvar（容性）。仿真時設(shè)定在1s時投入系統(tǒng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路故障，并在 1.22s切除一組電容器的同時投入一組電抗器。

仿真如圖5所示。定無功模式下，1s系統(tǒng)發(fā)生短路故障，滿足暫態(tài)判據(jù)，將電流限幅開入到1.5p.u.，此時STATCOM裝置控制退出定無功控制，進(jìn)入暫態(tài)電壓控制，在暫態(tài)結(jié)束后，退出暫態(tài)電壓控制，再次進(jìn)入定無功控制。1.22s時，將系統(tǒng)切除一組電容器后，STATCOM 快速跟隨系統(tǒng)電壓，并調(diào)節(jié)輸出電流，使定無功控制仍然穩(wěn)定在目標(biāo)值50Mvar（容性）。

圖5 定無功控制模式下STATCOM波形圖

通過對定電壓和定無功控制策略進(jìn)行仿真分析可見，在站內(nèi)電容電抗投切后，經(jīng)過一個短暫的暫態(tài)特性后，能很好地起到定電壓和定無功的控制效果。證明STATCOM的定電壓和定無功工作模式滿足控制策略。在系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)時，能夠有效地進(jìn)入暫態(tài)控制模式。

3 結(jié)論

文中分析STATCOM系統(tǒng)級控制策略，包括與站內(nèi)無功補償設(shè)備的配合、與調(diào)度端無功控制的配合、定電壓 V-I特性、定無功模式和防誤策略等系統(tǒng)級穩(wěn)態(tài)策略進(jìn)行分析，明晰了在穩(wěn)態(tài)條件下STATCOM的運行原理和策略配置。

采用 PACAD建立仿真模型，在系統(tǒng)等值模型下，采用定電壓和定無功控制兩種模式，模擬對投入或切除電容電抗影響下的STATCOM特性進(jìn)行仿真分析。仿真分析可見定電壓和定無功工作模式滿足控制策略，且控制策略能較好地與周圍設(shè)備和調(diào)度端相協(xié)調(diào)。策略對后續(xù)工程應(yīng)用有較好的指導(dǎo)意義。

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