STATCOM 與地區電壓無功控制系統的協調控制

黃小耘

（廣東電網公司佛山供電局，佛山528000）

電壓是一個重要的電能質量參數，同時也是電網運行的重要參數。調度員對電壓無功控制的任務是要保證電力穩定可靠的輸送，電力用戶的電壓在規定的范圍之內，線損盡量的少。總之，電壓無功控制的目標是：①優化系統性能（如減少線損）；②提高電壓穩定性，防止電壓崩潰；③提高電能質量，提到電壓合格率；④減少調度/集控員或變電站/發電廠運行人員的工作量；⑤幫助調度/集控員監視系統運行情況，及時發現問題；⑥提高電力系統的可靠性。為了達到以上目的，通常的做法是盡量保持電壓在接近高位運行，無功就地分層平衡。

電壓-無功控制的手段是發電機電壓和無功出力、電容器投退、變壓器抽頭升降。發電機是連續無功源，以前一般由定端電壓方式和定功率因素方式自動進行電壓無功調節，近期由中調地區電壓無功控制AVC（area voltage&var）系統對發電機勵磁系統遙調方式進行全局電壓無功控制。電廠是一個優質的動態無功源，其電壓/無功出力應當與電網運行相聯系。

自動電壓無功控制以分級管理為根據，控制命令的產生過程包括3 個階段：①一次電壓控制。每臺發電機的勵磁均可獨立進行快速控制，秒級，在發生局部擾動時能快速動作（例如依靠發電機勵磁器的即時反應）。②二次電壓控制，分鐘級。設在變電站的控制在地區調度一級，發電機的控制在省中調一級?？刂瓢l電機的無功出力水平，控制電網上變電站的靜態無功設備（電容器、電抗器）。電壓無功控制VQC、AVC 就屬于該范疇；③三次電壓控制：設在中調或總調一級，它對各地區控制中心的命令進行協調，并保證電壓水平最佳化。

國內地區電網電壓-無功控制發展階段依次為：變電站內手動控制、調度集控中心手動控制、變電站內VQC 和全局AVC。

隨著大功率、遠距離、交直流運行電網的出現，電網日益復雜，電力系統可靠運行是個嚴峻問題。世界范圍內已經出現了多次電壓崩潰事故，造成極大的損失。如1982 年瑞典電壓崩潰事故，2003 年瑞典/丹麥電壓崩潰事故，美加“8·14 大停電”過程中的電壓崩潰[1]。電壓崩潰的原因是系統重負荷導致無功需求大增，當受到各種擾動，如設備故障，出力或負荷的突然增減后系統電壓不能回復正常，引起電網崩潰事故。對于超高壓、遠距離、大容量互聯電網的受端，會有嚴重的動態無功不足問題，容易產生電壓崩潰[2]。由于廣東珠三角密集的內部環網，處于遠距離交、直流并列輸電的受端，電壓崩潰是潛在的威脅[3]。STATCOM 對電壓穩定有積極的作用[4-6]。

靜止無功補償器STATCOM（static compensator）是由IGBT 等半導體器件組成的新型無功補償設備，其特點是無功量可以連續調節，既可發出又可吸收，同時其響應速度很快，達到10 ms，是很好的動態無功源。STATCOM 相對電容器組價格較為昂貴，所以不能大規模部署，但在需要的地區，也有較大容量的部署，如南方電網在珠三角地區就安裝了正負200 Mvar 的STATCOM[7]。而AVC控制的靜態電容器組和電抗器是大容量、不連續的無功源。

STATCOM 作為新型電力電子裝置，只是在最近才有所規模配置。STATCOM 在對抗沖擊性負荷中有較好的作用[8]。

對于STATCOM 在輸變電系統的協調控制，目前基本處于理論研究階段。針對有載調壓變壓器、電容器組和STATCOM 的協調控制，文獻[9]提出了“離線設備優先動作，連續設備精細調節”的協調策略，但思路是將STATCOM 作為可變電容進行控制，沒有發揮其動態性能。

國內外的工程實踐一般將STATCOM 與AVC（或VQC）獨立控制，互不牽連?，F在已經有一些變電站安裝了STATCOM，但其控制是獨立的，與AVC 沒有協同。要么將STATCOM 動態無功當靜態無功使用，當系統需要動態無功的時候可能其無功已經用到極限，不能發揮關鍵作用；要么僅將STATCOM 作為動態無功運用，平時不參與電壓無功控制，只在電壓崩潰等緊急情況下發揮作用。一種折中的控制辦法是預留STATCOM 一部分容量（例如2/3）在緊急情況下使用，只用其中的一部分容量（例如1/3）參與平時的電壓無功調節。但無論如何，STATCOM 與AVC 是沒有協調控制的。

本文提出了將AVC 和STATCOM 協同控制的簡單有效方法并將其實現，最大限度地利用和發揮STATCOM 的動態無功作用，以達到提高電壓合格率和提高防電壓崩潰能力的目的。

1 STATCOM 控制策略

變電站中典型的STATCOM 應用方式是將STATCOM 與電容器組一樣混合接于變電站變低側母線上。例如某220 kV 變電站某10 kV 母線配置了1 組8 Mvar 的STATCOM 和4 組8 Mvar 靜態電容器。

STATCOM 控制目標為通過10 kV 電壓調節抑制電壓波動及閃變。此處STATCOM 裝置采用電壓控制策略，其中包括快速電壓控制和慢速控制2種調節方式。

在電壓控制策略下，STATCOM 有2 種運行方式：電壓調節（或者慢速控制）和暫態響應（或者快速控制）。慢速控制參數用于STATCOM 在正常操作模式下調節所控制母線電壓的運行方式，快速控制參數專用于快速瞬態低高電壓沖擊。

單獨運行的STATCOM 電壓調節和暫態響應參數分別如圖1 所示。慢速控制參數用“慢速降壓斜線”和“慢速升壓斜線”表示，快速控制參數用“快速降壓斜線”和“快速升壓斜線”表示。

圖1 STATCOM 電壓調節和暫態響應曲線Fig.1 STATCOM voltage curves of regulation and dynamic response

對于慢速控制方式，10 kV 母線電壓按照調度規程在1.0～1.07 p.u.電壓水平上下波動。基于此特點，并綜合考慮VQC/AVC 系統的運行情況，最佳的STATCOM 控制電壓參考值設定為1.05 p.u.。且設置電壓參考值對應的死區為±0.015 p.u.（1.5%），這意味著STATCOM 僅在控制母線電壓大于1.065 p.u.或者小于1.035 p.u.時才會開始注入或者吸收無功。死區的作用是防止STATCOM 頻繁響應參考值附近較小的電壓波動。一旦STATCOM 開始按控制斜線運行，電壓會被重新拉回慢速升壓目標值和慢速降壓目標值。推薦慢速降壓和慢速升壓目標值參數設定為1.06 p.u. 和1.04 p.u.。為確保STATCOM 系統的穩定運行，并且系統按控制斜線上的電壓值控制來STATCOM 注入或者吸收無功量，其無功量以ΔQ 表示。推薦的STATCOM 電壓調節功能的上升或者下降增量（斜率）為3%。按照下降設置，當電壓下降至1.01 p.u. 或者更低時，STATCOM 注入其全部容性容量（8 Mvar）；當電壓上升至1.09 p.u. 或者更高時，STATCOM 吸收滿載感性容量（-8 Mvar）。當電壓處于1.01～1.09 p.u.之間時，STATCOM 的輸出按照圖1 中的斜率曲線運行。在圖1 電壓曲線以外，STATCOM 輸出保持在其滿容量額定輸出狀態。

對于快速控制方式，系統正常運行時STATCOM 處于備用狀態，當檢測點的電壓高于整定電壓上限或低于整定電壓下限時，才啟動STATCOM。在圖1 中依快速升壓斜線和快速降壓斜線運行，即在電壓超過1.1 p.u.或低于1.0 p.u.時STATCOM 才啟動。直到電壓上升或者下降到快速降壓斜線或者快速下降，快速升壓斜線外部，此時電壓在0.97 p.u.或1.13 p.u.以外，STATCOM 將發揮其短時過載能力（最大至2.67 倍額定負載，持續2 s），迅速將電壓拉回至正常運行水平。

慢速控制方式對解決接有沖擊性負荷（例如鋼廠）的電壓合格率問題效果較好，同時能精細快速地調節無功出力，提高功率因素，減少線損，但對提高電壓穩定性作用不大。

法國RTE 有2 處STATCOM，容量分別為200 MVA 和100 MVA，采用快速控制方式?？焖倏刂品绞綄鉀Q電壓穩定問題效果較好[10]，但STATCOM利用率低，沒有發揮其連續和快速無功的作用?？焖倏刂品绞较耂TATCOM 只在系統出現電壓穩定問題時才發揮作用，STATCOM 與AVC 無需協調控制。

另外還有一種折中的方法，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。例如對于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 的控制過程

變電站的主要調節策略遵循9 區，主要的遙測控制參數為：低壓母線電壓為U，主變高側無功為Q。這里重點在無功補償設備的控制，將9 區圖簡化為7 區圖，其控制策略如圖2 所示。

圖2 電壓無功控制策略圖Fig.2 Diagram for voltage-reactive power control strategy

圖中，母線電壓的上限U_high和下限H_low。當母線電壓越下限時退出一組電抗器，如果電抗器已經全部退出，則投入一組電容器，努力使系統從區域③進入區域①；當母線電壓越上限時退出一組電容器，如果電容器已經全部退出則投入一組電抗器，努力使系統從區域②進入區域①；當母線電壓沒有越限時則盡量保持無功就地平衡，即無功在Q_high和Q_low之間的區域。如果主變變高流入的無功能夠由一組電抗器平衡，則退出一組電抗器，如果所有的電抗器已經退出，則投入一組電容?？傊?，讓主變變高無功接近于0，但電壓不越限，從區域④或區域⑤進入區域①。由于投入無功會使得電壓升高，退出無功會使得電壓下降，所以當系統處在區域⑥或⑦時AVC 不動作，以保持電壓在合格狀態。這里ΔU 是投退一組電容或電抗器引起的母線電壓的最大變動量。

3 AVC 與STATCOM 的協調控制策略

本文提出的方法通過STATCOM 與靜態無功設備（電容器、電抗器）的協同控制，充分利用STATCOM 的性能，兼顧STATCOM 在系統正常狀態下控制電壓無功和在系統非正常情況下支持電壓穩定的作用。

STATCOM 與電容電抗器組共同構成可控無功，即

式中：Ci為第i 組電容器電抗器的容量，i = 1，2，…，n；xi為開關狀態量，如果其開關分開則xi=0，開關合上則xi=1。

AVC 與STATCOM 協調控制的目標是保證系統運行正常情況下電壓無功控制在最佳水平，同時在系統出現擾動、動態無功不足的情況下，馬上利用STATCOM 的動態無功支持系統。從另一方面來講就是平衡好低價大容量的傳統電力電容器與高價快速可連續調節無功的STATCOM 的關系，發揮各自的作用，達到最佳的運行水平。

本文采用AVC 與STATCOM 協調控制的方式使得STATCOM 能綜合STATCOM 慢速控制和快速控制的好處，在系統正常狀態時STATCOM 作為連續和快速的無功源。該無功源隨后讓靜態無功設備代替，STATCOM 釋放其無功以應付下一次電網波動，當系統需要電壓支撐時能夠全力提供其無功能力。

AVC 與STATCOM 協調控制的思路是采用軟協調的方式，即AVC 和STATCOM 根據各自的規則動作，但其動作規則可以保證他們協調一致。STATCOM 相應很快，其控制策略采用第1 節描述的慢速控制方式。STATCOM 在系統波動的時候第一時間做出反應，其無功出力量為qSTATCOM。一旦系統穩定之后應該由電力電容器或電抗器取代STATCOM 的容量，讓STATCOM 無功出力在零值附近，以保證下一次系統波動時有足夠的動態無功應對。此時AVC 只要將第2 節提到的主變高側無功Q 以Q－qSTATCOM代替即可。以上整個過程就是在STATCOM 動作以后其動態無功由AVC 靜態無功代替，STATCOM 的動態無功得到釋放，以備下次使用。

從工程實施的角度也就是STATCOM 自我動作，AVC 采用變高側無功Q 和STATCOM 無功出力qSTATCOM遙測數據，并且用Q－qSTATCOM代替Q 在九區圖上動作，實現STATCOM 和AVC 軟協調控制。

例子：某220 kV 變電站10 kV 母線裝有1 組8 Mvar STATCOM，3 組8 Mvar 電容器。AVC 整定Q-high=8 Mvar，Q-low=0 Mvar（無倒送）。

（1） 如果STATCOM 運行于慢速控制方式，STATCOM 與AVC 沒有協調，則AVC 與STATCOM的控制過程如圖3 所示。

主變的無功負荷曲線是0-A-C-F-J-K。當在0-A 時，主變的無功負荷全部由STATCOM 補償；在A-C 時，主變的無功負荷繼續增加，超過8 Mvar時，STATCOM 輸出已經到達額定值，只能繼續保持8 Mvar 輸出；當主變的無功負荷繼續增加，越過C 點時，AVC 投入1 組電容器，STATCOM 無功出力繼續保持在8 Mvar；主變無功負荷在C 到F 之間由1 組8 Mvar 電容器組和8 Mvar 的STATCOM補償；在F 點，AVC 退出1 組電容器。只有0-A 和J-K，STATCOM 能完全補償主變的無功負荷, 其他時間就好像STATCOM 不存在一樣。在A-J，STATCOM 滿負荷運行，若系統緊急需要STATCOM 提供動態無功，STATCOM 無能為力。

圖3 沒有協調控制STATCOM 無功出力Fig.3 Var output of STATCOM without control coordination

（2）采用新的AVC 與STATCOM 協調控制策略的動作過程如圖4 所示。

主變的無功負荷是曲線0-A-C-F-J-K。當在0-A 時，主變的無功負荷全部由STATCOM 補償；當主變的無功負荷繼續增加，超過8 Mvar 時，AVC投入1 組8 Mvar 電容器，STATCOM 運行點由A跳到B；當主變的無功負荷繼續增加，從A 到C時，STATCOM 無功出力從B 到D；當主變無功負荷繼續增加，越過C 點時，AVC 再投入1 組電容器，STATCOM 無功出力從D 到E；主變無功負荷在C 到F 時由2 組8 Mvar 電容器組補償和在E到G 時STATCOM 補償；在F 點，AVC 退出1 組電容器，STATCOM 運行點從G 跳到H；到J 點AVC再退出1 組電容器，STATCOM 運行點從I 跳到J；從J 到K 只有STATCOM 在運行。

STATCOM 的平均出力為0。系統出現故障需要無功支持時STATCOM 能夠提供的無功的數學期望依然是8 Mvar，與快速控制相同。

圖4 協調控制后STATCOM 無功出力Fig.4 Var output of STATCOM with control coordination

從圖4 可以看出，STATCOM 的無功輸出大部分時間保持在0 值附近，但在系統需要無功時又比較快做出響應。

4 結語

STATCOM 是較昂貴的動態無功源，與靜態的傳統的電容器電抗器相比具有響應速度快的特點，本文提出的STATCOM 與AVC 的協調策略簡單易行，已經在工程中加以應用，其運行效果與預想一致，對提高電網應對電壓崩潰能力，提高電壓合格率都有較大意義。

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