静止同步补偿装置电压调整与合环转换控制策略研究

杨用春，牛超群，唐健雄，赵成勇，徐 志

（1. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北 保定 071003；2. 云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

高质量、高可靠性的电力供应，是经济发展的必要保证条件之一。伴随社会的快速发展，用户对电能质量的要求持续提高[1]。随着电力系统不断升级，目前电网结构已经变得越来越复杂；配电网中，双电源、多电源供电运行模式日益普遍[2,3]，这使得电网对自身的要求变得更加严格。

为了增加供电的可靠性、提高电能质量、满足用户良好的用电体验，越来越多的地方电网开始采用合环的方式来实现不停电负荷转供电操作。

由于线路中合环电流过大会降低电网运行的安全稳定性，所以电网进行合环操作需要满足一定的条件。文献[4]分析了低压配电网合环电流产生的原因，针对合环存在的风险提出了操作建议。文献[5]针对存在30°相位差的35 kV电网合环问题展开研究，设计了在线合环策略，实现了不停电倒负荷。文献[6]针对合环现场的实际需求，提出了一种基于移相变压器的合环控制装置，实现了在极端条件下相差调节；但是其调压功能的灵活性还有待提高。

作为一种无功补偿装置，目前STATCOM已经广泛应用于电力系统中[7]。STATCOM 具有控制灵活、响应迅速的特点，能够在系统故障或负荷突增时对系统提供动态无功补偿，进而稳定节点电压、抑制负荷扰动对电压造成的影响，提高电网电压恢复能力[8]。

对于STATCOM的研究，目前大部分集中在其作为无功补偿装置的控制策略与手段方面，对于其在电力领域其它方面应用的研究不多。STATCOM 除了可以用来补偿无功、调节电压、补偿电网电压不平衡外，其应用还可以进行拓展。

随着敏感电气设备的广泛使用，用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高[9]。针对大型数据中心、特种高科技行业这类对供电可靠性、电能质量要求较高的用户[10,11]，可以考虑运用STATCOM 改善敏感用户电能质量，提高供电可靠性。通过调整控制策略，使STATCOM在电网中发挥更积极作用——这方面研究具有工程应用价值。

文献[12]采用两侧独立 STATCOM 联合构成了双VSC柔性合环装置，实现了不停电合环转供；但是文中没有体现合环前STATCOM对电压的控制，也没有详细介绍STATCOM参与合环的控制策略如何转换。

基于此，本文利用STATCOM下垂调节实现了负载母线电压的控制，并提出无缝切换合环控制策略，使STATCOM作为合环装置参与直流侧合环操作。

1 STATCOM的电压控制策略

1.1 结构与工作原理

本文采用电压型桥式逆变电路构建STATCOM主电路，直流侧利用储能元件维持电路有功损耗。该结构不仅可以降低补偿装置补偿电流的谐波含量，而且直流侧稳压效果好、控制简单，可满足补偿装置低损耗要求。STATCOM装置的主电路电力电子开关器件由绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）组成，与反并联的二极管共同起到续流的作用[13]，并通过控制电力电子器件的通断来实现电压调节功能。

STATCOM 调节系统电压的方式主要是向系统吸收或者注入无功功率，进而使接入点处的节点电压即公共连接点（point of common coupling，PCC）电压保持稳定，避免由于PCC电压的波动而造成电力系统的不稳定甚至崩溃。为了保证STATCOM 的稳定运行，直流侧电压Udc必须能够维持不变；因此，对于STATCOM 的控制要求是——在保证稳定PCC电压UPCC的同时维持直流侧电容电压Udc。

1.2 电压下垂控制策略

在实际运行中，当负荷发生扰动后，系统一般允许PCC电压在额定值的某一范围内波动（一般不超5%）；因此，在STATCOM 容量一定的情况下，采用下垂调节自动调整电压，可以增大PCC电压的调节范围[14]。该下垂调节的原理如图1所示。

图1 STATCOM的电压下垂调节Fig. 1 Voltage droop regulation of STATCOM

图1中，L1、L2、L3分别代表3种不同性质负载的 PCC电压与负载无功电流的U-I特性曲线。初始负载为L2时，PCC工作点位于A点；当系统出现感性负载的扰动，则PCC处电压下降，此时通过k1的下垂调节调整PCC处的电压，工作点移动到C处。ΔUL表示负载发生变化后PCC电压的变化量，ΔUL,k表示利用下垂控制自动调整后PCC电压的变化量；显然 ΔUL,k<ΔUL，下垂调节后电压波动减小了。从图 1中还可以看出，STATCOM对负载进行的无功电流补偿量和k值成反比：k越小，补偿的电流越大，PCC处电压距离额定值就越接近。当STATCOM实现理想控制时（k=0），工作点位于D点，PCC处的电压没有发生变化，此时对应的补偿电流也是最大的。

由此得出：加入下垂控制可以更好地调节因负荷变化造成的电压波动，使PCC电压更靠近额定值。PCC电压指令值与额定值的关系可以写为式（1）（2）：

式中：Iq为补偿的无功电流；k为下垂因子。

根据系统所需的下垂特性，将k定义为：

式中：ΔUL,max为输出最大感性电流IL,max时，PCC电压的上升值。

图2 带电压下垂调节的STATCOM控制Fig. 2 STATCOM control with voltage droop regulation

STATCOM 采用双环控制策略来实现无功补偿，进而调整PCC电压。

交轴电压外环：利用STATCOM下垂控制，将接入点处电压参考值与测量值UPCC作差；通过，控制保证STATCOM接入点处电压的稳定。

结合式（1），控制方程如式（4）（5）所示。

式中：t1表示STATCOM不工作时，维持直流侧电压；t2表示负载变动时，STATCOM 维持系统PCC点处电压。

电流内环控制时，STATCOM 跟踪补偿指令电流，然后使用PI控制器使电流空间矢量转换到电压空间矢量，其控制方程如式（6）（7）所示。

最后，将该电压参考值经过dq坐标变换得到的三相信号波分别与高频载波进行比较，控制STATCOM 装置中电力电子器件的通断，进而实现PCC处的电压调整。

2 直流侧合环控制

为进一步提高供电可靠性，在STATCOM调压的基础上，通过改变控制策略，将其作为合环装置投入到系统的不停电合环转供电过程中。

为发挥电力电子器件灵活、迅速柔性控制的优势，本文提出一种新的控制策略和合环方案，实现STATCOM从无功补偿调压到参与系统合环的无缝切换。

2.1 转换直流侧合环的方案

合环装置拓扑结构如图3所示：正常状态时，转供开关K5及合环开关K6断开，1#电源、2#电源各自为1#负载、2#负载供电；左侧STATCOM1伴随负载扰动对接入点进行无功补偿，维持PCC处电压的稳定。若1#电源即将退出供电，则需要进行不停电合环转供来保证对1#负载的供电。合环过程要点如下。

图3 直流侧合环装置拓扑图Fig. 3 Topology of DC side loop closing device

在进行合环操作前，两侧STATCOM均采用双闭环控制策略，其优点是：既能维持直流侧电压Udc，同时还能稳定STATCOM 接入点处的电压，使得合环条件（即，直流开关两侧电压相等）容易满足。在此条件下合环后，左侧STATCOM1的直流侧相当于有了功率能量的提供，此时两侧的STATCOM通过直流侧合环开关的连接构成交直交装置，STATCOM1改变了控制策略相当于逆变器，那么 STATCOM1输出的交流侧电压就是任意可调的。此时：通过调节 STATCOM1交流侧的输出电压，先保证维持1#负载的不间断供电，使得1#电源安全退出；然后再控制1#负载电压跟踪 2#电源的母线电压；当 1#负载顺利转为由 2#电源供电时，便可将1#电源退出，完成负载转供电过程。

考虑两侧电源间存在电压差和相角差，直接合环后产生过大的合环电流可能会造成合环失败以及设备损坏，所以下面提出一种无缝切换合环控制策略，目标是：（1）减小合环电流，使合环更顺利进行；（2）在 1#电源退出供电后，保持1#负载的电压稳定，实现负载平滑转供电。

2.2 无缝切换直流侧合环的控制策略

当系统实现合环后，控制直流侧的电压稳定便可以由右侧 STATCOM2来保证；此时，转换左侧 STATCOM1的控制策略，由双闭环控制改为无缝切换直流侧合环的前馈电压控制。电压参考量由经过dq坐标变换后的前馈电压与反馈量共同构成。前馈电压，即PCC点处的额定电压；反馈量，即与 PCC处实际电压UPCC的差经PI控制后得到的值。

式中：Us1表示1#电源电压；URL表示1#电源内阻消耗的电压。

经系统电压锁相的dq变换后，1#电源电压交轴分量为零，直轴分量的值即为1#电源电压的电压值；与URL同理。于是，的直轴分量指令可由电源电压的直轴分量与电源内阻消耗的电压直接作差获得；交轴分量指令直接利用1#电源电压交轴指令即可。取值方法如图4所示。

图4 PCC处额定电压的取值Fig. 4 Value of rated voltage at PCC

将2个电压信号与经过dq坐标反变换得到的三相信号波与高频载波进行比较，以便控制STATCOM1，继续维持PCC处的电压稳定。这时就可以退出1#电源供电，对1#负载进行转供电操作；将前馈控制策略中 1#负载的电压参考值由PCC处的额定电压切换到2#母线电压Us2即可，则式（9）（10）变为：

负载转供电时，采取斜坡变换方式改变前馈电压的指令，以实现母线电压的平滑切换。该无缝切换直流侧合环的前馈电压控制策略如图5所示。

图5 无缝切换合环控制策略Fig. 5 Seamless switching loop closing control strategy

3 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC对含有STATCOM装置的10 kV配电网系统进行仿真。1#电源电压为10.6 kV，2#电源电压为10.2 kV；2个电源相角差为 30°。

3.1 STATCOM调整电压仿真分析

系统仿真时间设定为4 s。

初始状态下，0.1 s时，启动STATCOM投入运行，直流母线电压维持；0.5 s时，加入感性负载扰动，PCC处电压发生下降；0.8 s时，STATCOM投入，PCC处电压调整。

图6为STATCOM装置直流侧电压波形。从图6可以看出，在电压调整的整个过程中，直流侧电压始终保持稳定。

图6 STATCOM直流侧电压调整波型Fig. 6 STATCOM DC side voltage adjustment waveform

图7示出了k=0.05时，PCC处电压调整和STATCOM输出电流的波形。从图7可以看出，0.5 s时，负荷的波动造成PCC处电压从8.025 kV降到了7.5 kV，下降了6.54%，超出了系统允许的电压下降范围（一般为5%）。在0.8 s时，通过STATCOM下垂调节，PCC处电压提升到了7.89 kV；此时的压降降到了1.68%，满足系统要求。

图7 k=0.05时PCC电压和STATCOM输出电流波型Fig. 7 PCC voltage and STATCOM output current waveform when k=0.05

仿真分析在发生负荷扰动后，利用不同下垂因子k调节对应PCC处电压的情况。

用不同下垂因子k调节后的PCC电压如图8所示。图8中，k1、k2、k3、k4的值分别为0、0.05、0.1、0.15，对应的相关数据见表1。可以发现，在不超出电压波动规定范围的情况下，k值越大，允许调节后的电压偏差就越大；STATCOM的调整范围越大，输出的电流越小；k=0时，实现理想调节。

图8 下垂调节前后PCC电压变化对比Fig. 8 Comparison of PCC voltage change before and after droop adjustment

表1 不同下垂因子k对应PCC电压调整相关数据Tab. 1 Related data of different droop factors k corresponding to PCC voltage adjustment

综上得出，STATCOM 在维持直流侧电压稳定的情况下，还能够对交流侧进行无功补偿，很好地维持PCC处电压稳定、保证良好的电能质量。

3.2 STATCOM转直流侧合环仿真分析

仿真条件：1.5 s时，对系统进行合环操作，闭合直流侧合环开关K6；2.5 s时，将1#电源退出供电。

图9、图10分别示出了直接合环过程与采用无缝切换策略后直流侧电压、电流波形。

图9 不同合环策略下直流侧电压对比图Fig. 9 Comparison diagram of DC side voltage with different closing strategies

图10 不同合环策略下直流侧电流对比图Fig. 10 Comparison diagram of DC side current of different closing strategies

图9、图10中，Udc1、Idc1和Udc2、Idc2分别表示采用无缝切换策略合环和直接合环时直流侧电压、电流。从图中可以看出，采用无缝切换合环策略后，电压最大波动值（标幺值表示）由0.012降为0.007，电流波动由0.37 kA降为0.18 kA；同时，避免了2.5 s时由于1#电源退出产生的0.39 kA的电流冲击，减少了对合环装置的影响。

采用无缝切换合环策略后，整个合环过程中直流侧的电压、电流变化如图11所示，负载电压变化情况如图12所示。

图11 合环过程直流侧电压、电流变化情况Fig. 11 Changes of DC side voltage and current during loop-closing

图12 合环过程负载电压变化情况Fig. 12 Load voltage variation during loop-closing

分析图11可知：1.5 s合环时，由于负载的增加，直流侧电压出现了微小的下降，但是很快便恢复正常；整个合环过程中，合环电流也不是很大，合环操作能够顺利完成。

图12中，ULf表示负载电压有效值。从图12也可以看出，实现合环后策略的转换没有使负载电压发生较大波动，负载电压基本维持了稳定。

综合图11、图12，在2.5 s时：1#电源退出供电；受负荷扰动的影响，直流侧电压再次出现下降但也很快恢复正常值；直流侧电流由于1#负荷电流向STATCOM的转移增大到200 A；但是，负载电压的稳定没有受到影响。

3.3 负载转供电过程仿真分析

仿真条件：在3.5 s时，对负荷进行电源的转供电。将1#负载转为由2#电源供电。

转供电前后直流侧的电压、电流波动情况如图13所示，负载电压变化情况如图14所示，转供电时负载电压切换过程如图15所示。

图13 负载转供电过程的电压、电流变化情况Fig. 13 Changes of voltage and current during load to power supply

图14 转供电前后负载电压变化情况Fig. 14 Change of load voltage before and after switching power supply

图15 转供电负载电压切换过程Fig. 15 Switching process of switching power supply load voltage

由图13可知，直流侧电压、电流在整个转供电过程中未产生很大的波动。

由图14可知，在3.5 s执行转供电策略时，负载电压发生了轻微地下降，但是很快顺利转供，实现了2#电源供电；短时的电压下降对负载的影响很小，因此可以忽略不计。

图15示出了在3.48 s～3.62 s时段，负载转供电情况下，电压的平滑切换过程（以a相为例），其中蓝色线条表示负载电压ULa，红色线条表示负载额定电压，橙色线条表示2#电源电压Us2,a。图中，在3.5 s后，负荷实现了平滑的转供电过程。

4 结论

本文针对10 kV配电网系统提高电能质量和供电可靠性的问题，提出了利用STATCOM装置提供无功补偿调节电压并参与系统直流侧合环的方案。

（1）STATCOM独立运行时，能够给系统进行无功补偿——可在发生负载扰动后，通过下垂调节，将PCC电压波动调整在系统允许范围内。

（2）可以通过改变控制策略的方式，将STATCOM 用于配电网合环场景中，从而减小合环后带来的电流波动和冲击，实现不停电柔性合环转供电。

（3）正常情况下，STATCOM用来维持母线电压；需要合环时，又可参与合环。

在配电网运行中， STATCOM的充分利用具有工程实用价值。