STATCOM与传统电压无功控制手段协调应用

张勇，罗滇生，范幸，李帅虎

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

STATCOM与传统电压无功控制手段协调应用

张勇，罗滇生，范幸，李帅虎

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

静止同步补偿器（STATCOM）在电压无功控制中应用效果的发挥有赖于它与传统电压无功控制手段的协调。文中指出阻抗模裕度指标是系统电压稳定性最直观的衡量指标，并利用其变化情况来反映系统所处运行状态。从充分发挥STATCOM暂态特性的角度出发，提出了基于系统不同运行状态的变电站内STATCOM与传统无功电压控制装置协调控制策略，给出了系统运行于稳态和暂态时STATCOM与有载调压变压器、电容器组不同的协调原则。算例表明该策略是可行的和有效的。

静止同步补偿器；阻抗模裕度；运行状态；协调控制

我国已形成华东、东北、华中、粤闽琼和京津冀鲁五大受端电网。地区负荷过重，外电送入比例不断增大，空调负荷、恒功率负荷比重越来越大等特点使电压稳定问题日益突出[1]。目前，基于广域信息下的绝大多数变电站电压无功控制VQC（voltage quality control）由并联电容器组配合有载调压变压器根据“九区图”实现。可是，该策略下控制设备只能实现阶跃、分段控制，投切容量相对较大，难以实现精确调节。而且由电容器组离散性质决定，其一旦投切可能使母线产生较大冲击电压，导致装置盲目误动[2-3]。多年来专家学者们多从“九区图”的边界和控制算法上对其进行改进，但上述根本问题仍未解决。

近年来，以静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）为代表的灵活交流输电系统FACTS（flexible AC transmission systems）以其响应时间短、产生谐波含量少、输出无功的能力不受母线电压影响等优点获得业界高度关注[4-6]。当电网故障时，STATCOM快速交换无功，抑制电压波动，提高交流系统的电压恢复能力[7]。然而，其控制复杂，价格昂贵，且在抑制三相不平衡的暂态过程中容易过流，经常出现“要么处于封锁状态，要么只能以小容量工作”的情况[8]。因此，STATCOM的单独推广运行目前较为困难。

有学者针对在无功优化中如何综合考虑连续变量及离散变量进行了相关的研究[9-10]，然而具体到厂站内部关于二者协调问题的讨论并不多见。文献[11-12]分析了STATCOM和有载调压变压器动态性能的差异，分别采用人工神经网络和设置输出限值的方法来减小电压波动，在一定程度上改善了有载调压变压器频繁动作的问题。但在实际的变电站电压无功控制中，电容器组仍然是主要的无功承担者，因此需要一种控制策略来指导有载调压变压器、电容器组、STATCOM在厂站内的协调动作。文献[13]提出了一种基于“离散设备优先动作，连续设备精细调节”原则的在线灵敏度计算协调控制策略，发挥了STATCOM快速动态支撑无功的作用，也在一定程度上减少了变压器分接头和电容器组动作次数。但是，STATCOM的动态特性决定了其主要针对暂态故障，上述策略经过电压无功计算、灵敏度计算、控制动作指令的形成等过程，执行时间较长，无法满足暂态补偿实时性的要求，且容易造成控制动作的混乱。此外，该策略采用的“九区图”规则不能很好地适用于变电站内有连续设备的情况，也没有考虑有载调压变压器的调节也会影响无功分布。

为解决上述问题，本文提出了基于系统不同运行状态的变电站内STATCOM与传统无功电压控制装置协调控制策略。通过设置一个快速辨别系统是处于稳态还是暂态的模块来实现对稳态运行和暂态扰动不同模式的调控。为了更准确地实现连续设备和离散设备之间的协调动作，STATCOM与电容器组按照“离散设备基础支撑，连续设备精细调节”的原则进行无功分配，设置一个“死区模块”来协调STATCOM与有载调压变压器的动作配合。该策略既最大限度地发挥了STATCOM快速抑制电压波动的暂态支撑能力，又可在稳态时配合离散设备调控，有效减少其动作次数；同时为暂态故障留下充足的无功储备，实现快速、精确、经济的无功补偿目标。

1 基于非解析复变电力系统电压稳定动态分析的系统运行状态判别方法

文献[14]提出非解析复变电力系统电压稳定的动态分析方法，将系统简化为如图1所示的等值电路。

图1 非解析复变电力系统综合动态等值电路Fig.1Comprehensive dynamic equivalent circuit of non-analytic complex power system

图中：ZiLD为节点i负荷静态等值阻抗；ZiTHEV为系统动态等值阻抗；EiTHEV为等值系统动态电势；Vi为等值系统端电压，Ii为注入等值系统的电流，PiLD+jQiLD为等值的系统负荷。

系统动态等值阻抗为

因为非解析复变系统中节点电压不是注入电流的解析复变函数，故在复数域内不能展开成后者的泰勒级数。引入作为实数的注入系统功率λ为参变量可得

然而，λ不能同时作为目标函数和其中的参变量，应用于非解析复变电力系统的计算中。理论上，能反映系统运行状态的任何实变量均可替代之。不妨取注入节点电流的实部Ix进一步替换为

可证明当系统动态等值阻抗模等于负荷静态等值阻抗模时，有功功率取得极大值，电压稳定达到临界点。利用该判据，基于电力系统非线性等值模型的局部指标法可定义负荷节点阻抗模裕度为

上述定义将解析复变系统极限传输功率判据推广到非解析的复变电力系统，从而才可应用该等值模型计算阻抗模裕度指标。阻抗模裕度反映了系统当前运行状态离极限传输状态的距离，其取值区间为0～1。当μi为0时，系统处于电压稳定临界点。其值越小，节点电压稳定性越弱。可见，μi是电压稳定性分析最直观的指标，能有效地反映电压稳定的裕度。

当系统处于正常的稳态运行时，μi值变化不明显；而一旦系统出现故障或负荷突增等大的扰动时，稳定性遭到破坏，μi值将迅速减少。本文正是利用μi值在考察时间内的变化情况判断系统是运行于稳态还是暂态。

非解析复变电力系统动态分析中，μi值计算所需状态变量很容易得到，且计算公式简单。故可实现控制系统在不同调控模式下的快速切换，满足精度和时间上的要求。

2STATCOM与离散设备协调控制

2.1 协调原则

自动电压控制AVC（automatic voltage control）的本质是响应网络和负荷变化，对无功电压资源进行协调，满足合理的无功电压分布。考虑到STATCOM装置的动态特性以及电容器组、有载调压变压器的离散性质，本文的协调原则为：暂态时，STATCOM快速出力，恢复系统电压稳定；稳态时，“离散设备基础支撑，连续设备精细调节”，即电容器组或有载调压变压器对容量较大的负荷无功电压需求进行基础支撑，STATCOM对离散设备不能够精细调节的部分进行补充控制。

2.2 规则库

理论与实验表明，“九区图”规则库没有考虑连续设备的动作特性，已不能适用于厂站内有STATCOM加入的情况，更无法对STATCOM与离散设备进行协调控制。本文采用如图2所示规则库[15]。

图2 规则库Fig.2Rules base

图中V为变电站母线电压，Vh为主变高压侧电压，Qh为主变高压侧注入无功。上上限和下下限为主变分接头档位动作条件，是一系列条件的集合，不同变电站的定义可能不同。本文选取某种典型的上上限和下下限，要求此时已经投入必要的电容器，主变无功满足一定要求，但220 kV侧电压仍然低于某一数值[15]。

该规则库较“九区图”有以下优点：

（1）将传统“九区图”中电容器的具体投切转换为无功的增减，从而为协调动作指明方向；

（2）考虑了连续设备的动作特性，可有效发挥连续设备暂态支撑作用。

2.3 协调控制策略

本文综合以往协调控制策略的优缺点，设计出如图3所示协调控制框图。

图3 协调控制框图Fig.3Coordinated control block diagram

图中n为变压器分接头档位，k为投切的电容器组数，Qs为STATCOM当前无功出力。首先通过现有的监控及数据采集SCADA（supervisory control and data acquisition）下行通道将采集到的信息送入电压无功计算模块，计算母线电压U、无功功率Q、电压偏差ΔU等几个本地参考变量。灵敏度计算单元根据这些信息计算出无功需求量ΔQ。

为了满足暂态补偿的实时性要求，且保持控制动作的精确有序，先将上述状态变量送入系统状态识别模块辨别系统所处运行状态。当系统发生故障等大扰动时，μ值明显减小甚至跌落，状态识别模块据此判别系统是处于暂态，指示协调控制器直接对STATCOM发出暂态模式指令，STATCOM以开环控制方式快速投入运行响应；稳态时，状态识别模块检测到μ值没有明显变化，协调控制器一边接收变电站母线和STATCOM注入无功的实时信息，一边接收状态识别模块的稳态指令，实现暂态和稳态不同调控模式的切换，具体完成以下两步协调动作。

步骤1根据规则库，初步确定是要进行无功的增减还是变压器的投退。

步骤2按照第一步指示的调控方向，在连续变量和离散变量之间进行无功的分配和动作的协调。

如果系统运行状态要求利用无功补偿进行调压，则无功在STATCOM与电容器组之间按照“离散设备基础支撑、连续设备精细调节”的原则进行配合，设当前可投入或退出的电容器容量为Qc。

（1）若ΔQ>0，则增加无功补偿。

①若Qs+ΔQ≥Qc，则投入电容器，同时STATCOM无功调节到Qs+ΔQ-Qc；

②若Qs+ΔQ

（2）若ΔQ<0，则减少无功补偿。

①若Qs+ΔQ≤-Qc，则退出电容器，同时将STATCOM无功调节到Qs+ΔQ+Qc；

②若Qs+ΔQ>-Qc，则仅将STATCOM无功调节到Qs+ΔQ。

如果系统运行状态利于有载调压变压器调压，则按照如图4所示的控制流程协调STAT-COM与变压器抽头的动作。

图4STATCOM与有载调压变压器协调原理Fig.4Coordination principle between STATCOM and on-load voltage regulating transformer

为防止系统频繁振荡，协调控制策略设计了一个死区模块。这个模块在一个特定的范围内会产生零输出，称之为死区。死区上下限指定为死区开始和结束对应的母线电压、主变高压侧注入无功等参数。STATCOM无功输出作为模块输入，工作原理如下。

①当输入在死区上下限之间时，模块输出为零；

②其他情况，模块输出为输入减去上限。

有载变压器的电压参考值随着STATCOM无功输出而变化，其调节目标是保持负载母线电压不变。仅当死区模块输出为零时，有载调压变压器电压参考值等于负载母线电压。当电网发生波动时，参考电压与负载母线电压不同。此时，STATCOM由于其动态特性，快速提供一定的无功电压支撑。协调控制器调节有一定延时的变压器分接头动作，STATCOM渐渐释放已补偿的无功，为下一次波动提供稳定裕度。分接头每动作一次，STATCOM释放部分无功容量，直到最终的变压器参考电压接近负载母线电压。

上述协调策略考虑了变压器动作对无功分布的影响。通过死区模块的设置，既可减少抽头的频繁操作，又使STATCOM为暂态故障留有足够大的裕量。

3 仿真分析

3.1 仿真模型及仿真条件

选取南方电网某220 kV变电站为仿真对象验证本文所提协调策略，其基本接线图和运行参数分别如图5和表1所示。

图5220 kV变电站接线Fig.5220 kV substation wiring

表1 基本运行参数Tab.1Basic operating parameters

图中P+jQ表示负荷大小。选取0时为当前时刻，此时，两台主变抽头都位于220+2×1.5%档位；两个10 kV侧母线负荷P1+jQ1与P2+jQ2均为42.5 MW+j17.0 Mvar；110 kV侧母线负荷P3+ jQ3=350 MW+j85.0 Mvar；母线1、2当前均只投入1组并联电容器，即8 Mvar。此外，母线1接有一个容量为20 Mvar的STATCOM。

采用中国电力科学研究院研制的电力系统计算分析软件包中国版BPA（bonneville power administration）作为本次研究的仿真和计算工具。阻抗模裕度指标计算条件如下：

（1）电网研究水平为2013年夏大运行方式，考虑系统同步功率扰动情形，在典型日负荷曲线下进行仿真计算。

（2）计及负荷静态特性，采用ZIP负荷模型（30%恒阻抗，40%恒功率，30%恒电流）。

规则库中电压和无功合格范围如下：

①220 kV高压侧母线电压Vh合格范围上下限：209 kV～231 kV，即0.95～1.05（以220 kV为基准）；

②主变高压侧注入无功Qh合格范围上下限：-150 Mvar～150 Mvar。

以10 kV低压侧母线电压为考察对象，其合格范围上下限：10.05～10.65 kV，即0.957～1.014（以10.5 kV为基准）；死区上下限定义为（-0.018 75～0.018 75）。

3.2 稳态运行仿真分析

在典型日负荷曲线下，仿真比较无控制、传统手段调控、另在母线1安装1台容量为20 Mvar STATCOM 3种方案对变电站24 h内（从0时刻算起）运行情况的影响，并分别定义为方案A、方案B、方案C。

正常日负荷曲线下，系统运行状况并不会发生太剧烈的变化。状态识别模块通过仿真计算阻抗模裕度指标，判断系统处于稳态运行，然后指示协调控制器按照文中所提的原则协调STATCOM、有载调压变压器和电容器组之间的配合。表2展示了B、C两种方案，上午6时至中午12时内有载调压变压器和电容器组动作情况，以及方案C下典型时刻STATCOM无功出力、10 kV侧母线1 μ值的变化情况。

表中“↗1”、“↘1”分别表示主变抽头升高和降低一个档位，“+1”、“+2”分别表示投入1组和2组电容器，“—”表示元件不动作。由表2可见，安装STATCOM后，从负荷低谷时刻（06：00）到负荷高峰时刻（10：00）的过程中，随着负荷增加，系统稳定性变弱，STATCOM出力逐渐增加，μ值有一定减少。从高峰时刻再到低谷时刻（12∶00的过程中，STATCOM配合电容器组和有载调压抽头的动作，逐渐释放无功，保持充足的无功备用，μ值也因为负荷减少、系统稳定性增强有所增加。尽管阻抗模裕度指标随着负荷的增减有所变化，但在夏大运行方式负荷整体水平较高的情况下，其值还是较小的，且变化并不明显。此外，电容器组和有载调压抽头动作次数也较传统手段明显减少。图6给出了A、B、C 3种方案下10 kV侧母线1日电压变化曲线。

由图见，稳态时，系统电压会随着负荷的变化有所波动，B、C种方案都能够维持其在合格范围内。传统手段调控下电压仍有一定程度波动，安装1台STATCOM后，电压波动范围较前者明显减小，基本维持在额定值附近。

3.3 暂态仿真分析

为了更准确地反映短路故障对系统的影响，选取一天中负荷水平较低的0点为故障发生时刻。仿真分析10 kV侧母线1发生经阻抗三相短路接地故障，0.1 s后又切除故障的系统运行情况，接地电抗为0.1 p.u.（即约0.11 Ω）。

故障发生前后，系统状态识别模块计算求得故障中阻抗模裕度指标如图7所示。

表2 装置动作情况、STATCOM出力和阻抗模裕度Tab.2Device movement，STATCOM output and μ

图6 10kV侧母线1日电压变化曲线Fig.610 kV Bus 1 day voltage change curve

图7 10kV侧母线1 μ值变化曲线Fig.7Change curve of μ of 10 kV Bus 1

母线1三相短路后，系统稳定性遭到严重破坏，μ值也因此迅速跌落。状态识别模块指示协调控制器直接对STATCOM发出暂态指令，输出无功支撑，维持系统电压，如图8方案C所示。

图8 10kV侧母线1发生三相短路母线电压变化曲线Fig.8Change curves of 10 kV bus 1 three-phase short-circuit voltage

由图8可见，故障后，母线电压骤降，严重低于正常值。一般情况下，变电站VQC系统每次检测时间为3 s，检测5次（15 s）后才动作，故在暂态的较短时间内是无法进行调控的，造成故障切除后的母线电压将低于合格范围的下限。而在方案C的调控下，故障后母线电压下降会缓慢一点，故障中电压稍高一点，故障切除后母线电压更快恢复，且电压最终恢复值更接近故障前的电压值。此外，得益于STATCOM针对于暂态故障的支撑作用，从图7可见，故障后阻抗模裕度较故障前有所提高，系统稳定性有所增强。此后，μ值保持不变，进入稳态调控模式。

4 结语

本文设计了基于系统不同运行状态的变电站内STATCOM与传统无功电压控制装置协调策略。设置一个死区模块协调STATCOM与有载调压变压器运行，STATCOM与电容器组按照“离散设备基础支撑，连续设备精细调节”的原则进行无功分配。该策略既能有效减少离散设备的动作次数，又能充分发挥STATCOM对系统暂态的快速支撑作用，保持系统稳定。选取南方电网某变电站进行应用仿真说明了协调控制的具体步骤，初步验证了这种思路的有效性。上述协调策略对STATCOM投入变电站内实际应用有一定指导意义。

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Coordination and Application Between STATCOM and Traditional Voltage Quality Control Means

ZHANG Yong，LUO Diansheng，FAN Xing，LI Shuaihu
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

The application effects of static synchronous compensator（STATCOM）in reactive voltage control depends on its coordination with traditional voltage reactive control means.This paper shows that the impedance modulus margin index is the most intuitive index measure of system voltage stability and uses its change to reflect the system running state.From the point of giving full play to the transient characteristic of STATCOM，a coordinated control strategy of STATCOM and traditional voltage reactive control means is proposed based on the different running condition of the system.And the different coordination principle of STATCOM with on-load voltage regulating transformer and capacitor banks is given，when the system is running in steady state or transient.The examples show that this method is feasible and effective.

static synchronous compensator（STATCOM）；impedance modulus margin；operating state；coordinated control

TM714

A

1003-8930（2015）12-0012-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.03

张勇（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定

与控制。Email：13647439218@163.com

罗滇生（1971—），男，博士，教授，研究方向为电力市场理论

研究及应用、电力系统在线监测。Email：lhx20070322@hnu. edu.cn

范幸（1991—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定

与控制。Email：fx910427@163.com

2014-04-21；

2014-11-26

国家自然科学基金资助重点项目（61233008）；广东电网专题研究项目（036000QQ00120001）