STATCOM 与地区电压无功控制系统的协调控制

黄小耘

（广东电网公司佛山供电局，佛山528000）

电压是一个重要的电能质量参数，同时也是电网运行的重要参数。调度员对电压无功控制的任务是要保证电力稳定可靠的输送，电力用户的电压在规定的范围之内，线损尽量的少。总之，电压无功控制的目标是：①优化系统性能（如减少线损）；②提高电压稳定性，防止电压崩溃；③提高电能质量，提到电压合格率；④减少调度/集控员或变电站/发电厂运行人员的工作量；⑤帮助调度/集控员监视系统运行情况，及时发现问题；⑥提高电力系统的可靠性。为了达到以上目的，通常的做法是尽量保持电压在接近高位运行，无功就地分层平衡。

电压-无功控制的手段是发电机电压和无功出力、电容器投退、变压器抽头升降。发电机是连续无功源，以前一般由定端电压方式和定功率因素方式自动进行电压无功调节，近期由中调地区电压无功控制AVC（area voltage&var）系统对发电机励磁系统遥调方式进行全局电压无功控制。电厂是一个优质的动态无功源，其电压/无功出力应当与电网运行相联系。

自动电压无功控制以分级管理为根据，控制命令的产生过程包括3 个阶段：①一次电压控制。每台发电机的励磁均可独立进行快速控制，秒级，在发生局部扰动时能快速动作（例如依靠发电机励磁器的即时反应）。②二次电压控制，分钟级。设在变电站的控制在地区调度一级，发电机的控制在省中调一级。控制发电机的无功出力水平，控制电网上变电站的静态无功设备（电容器、电抗器）。电压无功控制VQC、AVC 就属于该范畴；③三次电压控制：设在中调或总调一级，它对各地区控制中心的命令进行协调，并保证电压水平最佳化。

国内地区电网电压-无功控制发展阶段依次为：变电站内手动控制、调度集控中心手动控制、变电站内VQC 和全局AVC。

随着大功率、远距离、交直流运行电网的出现，电网日益复杂，电力系统可靠运行是个严峻问题。世界范围内已经出现了多次电压崩溃事故，造成极大的损失。如1982 年瑞典电压崩溃事故，2003 年瑞典/丹麦电压崩溃事故，美加“8·14 大停电”过程中的电压崩溃[1]。电压崩溃的原因是系统重负荷导致无功需求大增，当受到各种扰动，如设备故障，出力或负荷的突然增减后系统电压不能回复正常，引起电网崩溃事故。对于超高压、远距离、大容量互联电网的受端，会有严重的动态无功不足问题，容易产生电压崩溃[2]。由于广东珠三角密集的内部环网，处于远距离交、直流并列输电的受端，电压崩溃是潜在的威胁[3]。STATCOM 对电压稳定有积极的作用[4-6]。

静止无功补偿器STATCOM（static compensator）是由IGBT 等半导体器件组成的新型无功补偿设备，其特点是无功量可以连续调节，既可发出又可吸收，同时其响应速度很快，达到10 ms，是很好的动态无功源。STATCOM 相对电容器组价格较为昂贵，所以不能大规模部署，但在需要的地区，也有较大容量的部署，如南方电网在珠三角地区就安装了正负200 Mvar 的STATCOM[7]。而AVC控制的静态电容器组和电抗器是大容量、不连续的无功源。

STATCOM 作为新型电力电子装置，只是在最近才有所规模配置。STATCOM 在对抗冲击性负荷中有较好的作用[8]。

对于STATCOM 在输变电系统的协调控制，目前基本处于理论研究阶段。针对有载调压变压器、电容器组和STATCOM 的协调控制，文献[9]提出了“离线设备优先动作，连续设备精细调节”的协调策略，但思路是将STATCOM 作为可变电容进行控制，没有发挥其动态性能。

国内外的工程实践一般将STATCOM 与AVC（或VQC）独立控制，互不牵连。现在已经有一些变电站安装了STATCOM，但其控制是独立的，与AVC 没有协同。要么将STATCOM 动态无功当静态无功使用，当系统需要动态无功的时候可能其无功已经用到极限，不能发挥关键作用；要么仅将STATCOM 作为动态无功运用，平时不参与电压无功控制，只在电压崩溃等紧急情况下发挥作用。一种折中的控制办法是预留STATCOM 一部分容量（例如2/3）在紧急情况下使用，只用其中的一部分容量（例如1/3）参与平时的电压无功调节。但无论如何，STATCOM 与AVC 是没有协调控制的。

本文提出了将AVC 和STATCOM 协同控制的简单有效方法并将其实现，最大限度地利用和发挥STATCOM 的动态无功作用，以达到提高电压合格率和提高防电压崩溃能力的目的。

1 STATCOM 控制策略

变电站中典型的STATCOM 应用方式是将STATCOM 与电容器组一样混合接于变电站变低侧母线上。例如某220 kV 变电站某10 kV 母线配置了1 组8 Mvar 的STATCOM 和4 组8 Mvar 静态电容器。

STATCOM 控制目标为通过10 kV 电压调节抑制电压波动及闪变。此处STATCOM 装置采用电压控制策略，其中包括快速电压控制和慢速控制2种调节方式。

在电压控制策略下，STATCOM 有2 种运行方式：电压调节（或者慢速控制）和暂态响应（或者快速控制）。慢速控制参数用于STATCOM 在正常操作模式下调节所控制母线电压的运行方式，快速控制参数专用于快速瞬态低高电压冲击。

单独运行的STATCOM 电压调节和暂态响应参数分别如图1 所示。慢速控制参数用“慢速降压斜线”和“慢速升压斜线”表示，快速控制参数用“快速降压斜线”和“快速升压斜线”表示。

图1 STATCOM 电压调节和暂态响应曲线Fig.1 STATCOM voltage curves of regulation and dynamic response

对于慢速控制方式，10 kV 母线电压按照调度规程在1.0～1.07 p.u.电压水平上下波动。基于此特点，并综合考虑VQC/AVC 系统的运行情况，最佳的STATCOM 控制电压参考值设定为1.05 p.u.。且设置电压参考值对应的死区为±0.015 p.u.（1.5%），这意味着STATCOM 仅在控制母线电压大于1.065 p.u.或者小于1.035 p.u.时才会开始注入或者吸收无功。死区的作用是防止STATCOM 频繁响应参考值附近较小的电压波动。一旦STATCOM 开始按控制斜线运行，电压会被重新拉回慢速升压目标值和慢速降压目标值。推荐慢速降压和慢速升压目标值参数设定为1.06 p.u. 和1.04 p.u.。为确保STATCOM 系统的稳定运行，并且系统按控制斜线上的电压值控制来STATCOM 注入或者吸收无功量，其无功量以ΔQ 表示。推荐的STATCOM 电压调节功能的上升或者下降增量（斜率）为3%。按照下降设置，当电压下降至1.01 p.u. 或者更低时，STATCOM 注入其全部容性容量（8 Mvar）；当电压上升至1.09 p.u. 或者更高时，STATCOM 吸收满载感性容量（-8 Mvar）。当电压处于1.01～1.09 p.u.之间时，STATCOM 的输出按照图1 中的斜率曲线运行。在图1 电压曲线以外，STATCOM 输出保持在其满容量额定输出状态。

对于快速控制方式，系统正常运行时STATCOM 处于备用状态，当检测点的电压高于整定电压上限或低于整定电压下限时，才启动STATCOM。在图1 中依快速升压斜线和快速降压斜线运行，即在电压超过1.1 p.u.或低于1.0 p.u.时STATCOM 才启动。直到电压上升或者下降到快速降压斜线或者快速下降，快速升压斜线外部，此时电压在0.97 p.u.或1.13 p.u.以外，STATCOM 将发挥其短时过载能力（最大至2.67 倍额定负载，持续2 s），迅速将电压拉回至正常运行水平。

慢速控制方式对解决接有冲击性负荷（例如钢厂）的电压合格率问题效果较好，同时能精细快速地调节无功出力，提高功率因素，减少线损，但对提高电压稳定性作用不大。

法国RTE 有2 处STATCOM，容量分别为200 MVA 和100 MVA，采用快速控制方式。快速控制方式对解决电压稳定问题效果较好[10]，但STATCOM利用率低，没有发挥其连续和快速无功的作用。快速控制方式下STATCOM 只在系统出现电压稳定问题时才发挥作用，STATCOM 与AVC 无需协调控制。

另外还有一种折中的方法，就是慢速控制方式只占用STATCOM 的部分容量，保留剩余的容量用于快速控制。例如对于8 Mvar 的STATCOM，3 Mvar 用于慢速控制方式，在慢速控制方式下最大只有3 Mvar 的出力，快速慢速控制方式下至少能有5 Mvar 以上的出力。

2 AVC 的控制过程

变电站的主要调节策略遵循9 区，主要的遥测控制参数为：低压母线电压为U，主变高侧无功为Q。这里重点在无功补偿设备的控制，将9 区图简化为7 区图，其控制策略如图2 所示。

图2 电压无功控制策略图Fig.2 Diagram for voltage-reactive power control strategy

图中，母线电压的上限U_high和下限H_low。当母线电压越下限时退出一组电抗器，如果电抗器已经全部退出，则投入一组电容器，努力使系统从区域③进入区域①；当母线电压越上限时退出一组电容器，如果电容器已经全部退出则投入一组电抗器，努力使系统从区域②进入区域①；当母线电压没有越限时则尽量保持无功就地平衡，即无功在Q_high和Q_low之间的区域。如果主变变高流入的无功能够由一组电抗器平衡，则退出一组电抗器，如果所有的电抗器已经退出，则投入一组电容。总之，让主变变高无功接近于0，但电压不越限，从区域④或区域⑤进入区域①。由于投入无功会使得电压升高，退出无功会使得电压下降，所以当系统处在区域⑥或⑦时AVC 不动作，以保持电压在合格状态。这里ΔU 是投退一组电容或电抗器引起的母线电压的最大变动量。

3 AVC 与STATCOM 的协调控制策略

本文提出的方法通过STATCOM 与静态无功设备（电容器、电抗器）的协同控制，充分利用STATCOM 的性能，兼顾STATCOM 在系统正常状态下控制电压无功和在系统非正常情况下支持电压稳定的作用。

STATCOM 与电容电抗器组共同构成可控无功，即

式中：Ci为第i 组电容器电抗器的容量，i = 1，2，…，n；xi为开关状态量，如果其开关分开则xi=0，开关合上则xi=1。

AVC 与STATCOM 协调控制的目标是保证系统运行正常情况下电压无功控制在最佳水平，同时在系统出现扰动、动态无功不足的情况下，马上利用STATCOM 的动态无功支持系统。从另一方面来讲就是平衡好低价大容量的传统电力电容器与高价快速可连续调节无功的STATCOM 的关系，发挥各自的作用，达到最佳的运行水平。

本文采用AVC 与STATCOM 协调控制的方式使得STATCOM 能综合STATCOM 慢速控制和快速控制的好处，在系统正常状态时STATCOM 作为连续和快速的无功源。该无功源随后让静态无功设备代替，STATCOM 释放其无功以应付下一次电网波动，当系统需要电压支撑时能够全力提供其无功能力。

AVC 与STATCOM 协调控制的思路是采用软协调的方式，即AVC 和STATCOM 根据各自的规则动作，但其动作规则可以保证他们协调一致。STATCOM 相应很快，其控制策略采用第1 节描述的慢速控制方式。STATCOM 在系统波动的时候第一时间做出反应，其无功出力量为qSTATCOM。一旦系统稳定之后应该由电力电容器或电抗器取代STATCOM 的容量，让STATCOM 无功出力在零值附近，以保证下一次系统波动时有足够的动态无功应对。此时AVC 只要将第2 节提到的主变高侧无功Q 以Q－qSTATCOM代替即可。以上整个过程就是在STATCOM 动作以后其动态无功由AVC 静态无功代替，STATCOM 的动态无功得到释放，以备下次使用。

从工程实施的角度也就是STATCOM 自我动作，AVC 采用变高侧无功Q 和STATCOM 无功出力qSTATCOM遥测数据，并且用Q－qSTATCOM代替Q 在九区图上动作，实现STATCOM 和AVC 软协调控制。

例子：某220 kV 变电站10 kV 母线装有1 组8 Mvar STATCOM，3 组8 Mvar 电容器。AVC 整定Q-high=8 Mvar，Q-low=0 Mvar（无倒送）。

（1） 如果STATCOM 运行于慢速控制方式，STATCOM 与AVC 没有协调，则AVC 与STATCOM的控制过程如图3 所示。

主变的无功负荷曲线是0-A-C-F-J-K。当在0-A 时，主变的无功负荷全部由STATCOM 补偿；在A-C 时，主变的无功负荷继续增加，超过8 Mvar时，STATCOM 输出已经到达额定值，只能继续保持8 Mvar 输出；当主变的无功负荷继续增加，越过C 点时，AVC 投入1 组电容器，STATCOM 无功出力继续保持在8 Mvar；主变无功负荷在C 到F 之间由1 组8 Mvar 电容器组和8 Mvar 的STATCOM补偿；在F 点，AVC 退出1 组电容器。只有0-A 和J-K，STATCOM 能完全补偿主变的无功负荷, 其他时间就好像STATCOM 不存在一样。在A-J，STATCOM 满负荷运行，若系统紧急需要STATCOM 提供动态无功，STATCOM 无能为力。

图3 没有协调控制STATCOM 无功出力Fig.3 Var output of STATCOM without control coordination

（2）采用新的AVC 与STATCOM 协调控制策略的动作过程如图4 所示。

主变的无功负荷是曲线0-A-C-F-J-K。当在0-A 时，主变的无功负荷全部由STATCOM 补偿；当主变的无功负荷继续增加，超过8 Mvar 时，AVC投入1 组8 Mvar 电容器，STATCOM 运行点由A跳到B；当主变的无功负荷继续增加，从A 到C时，STATCOM 无功出力从B 到D；当主变无功负荷继续增加，越过C 点时，AVC 再投入1 组电容器，STATCOM 无功出力从D 到E；主变无功负荷在C 到F 时由2 组8 Mvar 电容器组补偿和在E到G 时STATCOM 补偿；在F 点，AVC 退出1 组电容器，STATCOM 运行点从G 跳到H；到J 点AVC再退出1 组电容器，STATCOM 运行点从I 跳到J；从J 到K 只有STATCOM 在运行。

STATCOM 的平均出力为0。系统出现故障需要无功支持时STATCOM 能够提供的无功的数学期望依然是8 Mvar，与快速控制相同。

图4 协调控制后STATCOM 无功出力Fig.4 Var output of STATCOM with control coordination

从图4 可以看出，STATCOM 的无功输出大部分时间保持在0 值附近，但在系统需要无功时又比较快做出响应。

4 结语

STATCOM 是较昂贵的动态无功源，与静态的传统的电容器电抗器相比具有响应速度快的特点，本文提出的STATCOM 与AVC 的协调策略简单易行，已经在工程中加以应用，其运行效果与预想一致，对提高电网应对电压崩溃能力，提高电压合格率都有较大意义。

[1]余贻鑫，董存（Yu Yixin，Dong Cun）.美加“8·14 大停电”过程中的电压崩溃（Voltage collapse during the US-Canada 8·14 blackout）[J].电力设备（Electrical Equipment），2004，5（3）：4-7.

[2]韩英铎，姜齐荣，谢小荣，等（Han Yingduo，Jiang Qirong，Xie Xiaorong，et al）.从美加大停电事故看我国电网安全稳定对策的研究（August 14th blackout in the US and propose for Chinese power system to improving stability and security）[J]. 电力设备（Electrical Equipment），2004，5（3）：8-12.

[3]蒙定中（Meng Dingzhong）.防止广东电网大停电的建议（Recommendations to prevent Guangdong power system cascading blackout）[J]. 广东电力（Guangdong Electric Power），2005，18（3）：1-12.

[4]吴杰康，詹厚剑，齐佳鑫，等（Wu Jiekang，Zhan Houjian，Qi Jiaxin，et al）.计及STATCOM 的电力系统电压稳定特征结构分析（Eigenvalue structure analysis for voltage stability of power system considering Statcom installation）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSUEPSA），2009，21（6）：1-5.

[5]诸纪新（Zhu Jixin）.±50 Mvar STATCOM 装置在上海电网中的应用（Application of ±50 Mvar STATCOM in Shang-hai Power Grid）[J].电力建设（Electric Power Construction），2006，27（12）：14-17.

[6]马世英，印永华，唐晓骏，等（Ma Shiying，Yin Yonghua，Tang Xiaojun，et al）.大区互联电网无功规划原则和方法（Principles and techniques of reactive power planning for interconnected power grids）[J].电力建设（Electric Power Construction），2006，27（12）：6-10.

[7]许树楷，陈名，傅闯，等（Xu Shukai，Chen Ming，Fu Chuang，et al）.南方电网±200 Mvar 静止同步补偿装置系统调试（The system commissioning of±200 Mvar STATCOM in China southern power grid）[J]. 南方电网技术（Southern Power System Technology），2012，6（2）：21-25.

[8]丁思奇，曼苏乐，崔灿，等（Ding Siqi，Man Sule，Cui Can，et al）. 静止同步补偿器在电弧炉治理中的应用仿真（Simulation of STATCOM for electric arc furnace governance）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（1）：155-160.

[9]段文丽，白延丽，蔚飞（Duan Wenli，Bai Yanli，Wei Fei）.有载调压变压器、电容器组和STATCOM 的协调控制研究（Coordination control of ULTC transformer，capacitor banks and STATCOM）[J].电网与清洁能源（Power Systems and Clean Energy），2012，28（1）：54-59.

[10]彭勇（Peng Yong）.SVC 应用于超高压交流输电的控制策略（Control strategy of SVC applied to EHV AC power transmission）[J]. 电力建设（Electric Power Construction），2011，32（5）：30-34.