STATCOM與傳統電壓無功控制手段協調應用

張勇，羅滇生，范幸，李帥虎

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082）

STATCOM與傳統電壓無功控制手段協調應用

張勇，羅滇生，范幸，李帥虎

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082）

靜止同步補償器（STATCOM）在電壓無功控制中應用效果的發揮有賴于它與傳統電壓無功控制手段的協調。文中指出阻抗模裕度指標是系統電壓穩定性最直觀的衡量指標，并利用其變化情況來反映系統所處運行狀態。從充分發揮STATCOM暫態特性的角度出發，提出了基于系統不同運行狀態的變電站內STATCOM與傳統無功電壓控制裝置協調控制策略，給出了系統運行于穩態和暫態時STATCOM與有載調壓變壓器、電容器組不同的協調原則。算例表明該策略是可行的和有效的。

靜止同步補償器；阻抗模裕度；運行狀態；協調控制

我國已形成華東、東北、華中、粵閩瓊和京津冀魯五大受端電網。地區負荷過重，外電送入比例不斷增大，空調負荷、恒功率負荷比重越來越大等特點使電壓穩定問題日益突出[1]。目前，基于廣域信息下的絕大多數變電站電壓無功控制VQC（voltage quality control）由并聯電容器組配合有載調壓變壓器根據“九區圖”實現。可是，該策略下控制設備只能實現階躍、分段控制，投切容量相對較大，難以實現精確調節。而且由電容器組離散性質決定，其一旦投切可能使母線產生較大沖擊電壓，導致裝置盲目誤動[2-3]。多年來專家學者們多從“九區圖”的邊界和控制算法上對其進行改進，但上述根本問題仍未解決。

近年來，以靜止同步補償器STATCOM（static synchronous compensator）為代表的靈活交流輸電系統FACTS（flexible AC transmission systems）以其響應時間短、產生諧波含量少、輸出無功的能力不受母線電壓影響等優點獲得業界高度關注[4-6]。當電網故障時，STATCOM快速交換無功，抑制電壓波動，提高交流系統的電壓恢復能力[7]。然而，其控制復雜，價格昂貴，且在抑制三相不平衡的暫態過程中容易過流，經常出現“要么處于封鎖狀態，要么只能以小容量工作”的情況[8]。因此，STATCOM的單獨推廣運行目前較為困難。

有學者針對在無功優化中如何綜合考慮連續變量及離散變量進行了相關的研究[9-10]，然而具體到廠站內部關于二者協調問題的討論并不多見。文獻[11-12]分析了STATCOM和有載調壓變壓器動態性能的差異，分別采用人工神經網絡和設置輸出限值的方法來減小電壓波動，在一定程度上改善了有載調壓變壓器頻繁動作的問題。但在實際的變電站電壓無功控制中，電容器組仍然是主要的無功承擔者，因此需要一種控制策略來指導有載調壓變壓器、電容器組、STATCOM在廠站內的協調動作。文獻[13]提出了一種基于“離散設備優先動作，連續設備精細調節”原則的在線靈敏度計算協調控制策略，發揮了STATCOM快速動態支撐無功的作用，也在一定程度上減少了變壓器分接頭和電容器組動作次數。但是，STATCOM的動態特性決定了其主要針對暫態故障，上述策略經過電壓無功計算、靈敏度計算、控制動作指令的形成等過程，執行時間較長，無法滿足暫態補償實時性的要求，且容易造成控制動作的混亂。此外，該策略采用的“九區圖”規則不能很好地適用于變電站內有連續設備的情況，也沒有考慮有載調壓變壓器的調節也會影響無功分布。

為解決上述問題，本文提出了基于系統不同運行狀態的變電站內STATCOM與傳統無功電壓控制裝置協調控制策略。通過設置一個快速辨別系統是處于穩態還是暫態的模塊來實現對穩態運行和暫態擾動不同模式的調控。為了更準確地實現連續設備和離散設備之間的協調動作，STATCOM與電容器組按照“離散設備基礎支撐，連續設備精細調節”的原則進行無功分配，設置一個“死區模塊”來協調STATCOM與有載調壓變壓器的動作配合。該策略既最大限度地發揮了STATCOM快速抑制電壓波動的暫態支撐能力，又可在穩態時配合離散設備調控，有效減少其動作次數；同時為暫態故障留下充足的無功儲備，實現快速、精確、經濟的無功補償目標。

1 基于非解析復變電力系統電壓穩定動態分析的系統運行狀態判別方法

文獻[14]提出非解析復變電力系統電壓穩定的動態分析方法，將系統簡化為如圖1所示的等值電路。

圖1 非解析復變電力系統綜合動態等值電路Fig.1Comprehensive dynamic equivalent circuit of non-analytic complex power system

圖中：ZiLD為節點i負荷靜態等值阻抗；ZiTHEV為系統動態等值阻抗；EiTHEV為等值系統動態電勢；Vi為等值系統端電壓，Ii為注入等值系統的電流，PiLD+jQiLD為等值的系統負荷。

系統動態等值阻抗為

因為非解析復變系統中節點電壓不是注入電流的解析復變函數，故在復數域內不能展開成后者的泰勒級數。引入作為實數的注入系統功率λ為參變量可得

然而，λ不能同時作為目標函數和其中的參變量，應用于非解析復變電力系統的計算中。理論上，能反映系統運行狀態的任何實變量均可替代之。不妨取注入節點電流的實部Ix進一步替換為

可證明當系統動態等值阻抗模等于負荷靜態等值阻抗模時，有功功率取得極大值，電壓穩定達到臨界點。利用該判據，基于電力系統非線性等值模型的局部指標法可定義負荷節點阻抗模裕度為

上述定義將解析復變系統極限傳輸功率判據推廣到非解析的復變電力系統，從而才可應用該等值模型計算阻抗模裕度指標。阻抗模裕度反映了系統當前運行狀態離極限傳輸狀態的距離，其取值區間為0～1。當μi為0時，系統處于電壓穩定臨界點。其值越小，節點電壓穩定性越弱。可見，μi是電壓穩定性分析最直觀的指標，能有效地反映電壓穩定的裕度。

當系統處于正常的穩態運行時，μi值變化不明顯；而一旦系統出現故障或負荷突增等大的擾動時，穩定性遭到破壞，μi值將迅速減少。本文正是利用μi值在考察時間內的變化情況判斷系統是運行于穩態還是暫態。

非解析復變電力系統動態分析中，μi值計算所需狀態變量很容易得到，且計算公式簡單。故可實現控制系統在不同調控模式下的快速切換，滿足精度和時間上的要求。

2STATCOM與離散設備協調控制

2.1 協調原則

自動電壓控制AVC（automatic voltage control）的本質是響應網絡和負荷變化，對無功電壓資源進行協調，滿足合理的無功電壓分布。考慮到STATCOM裝置的動態特性以及電容器組、有載調壓變壓器的離散性質，本文的協調原則為：暫態時，STATCOM快速出力，恢復系統電壓穩定；穩態時，“離散設備基礎支撐，連續設備精細調節”，即電容器組或有載調壓變壓器對容量較大的負荷無功電壓需求進行基礎支撐，STATCOM對離散設備不能夠精細調節的部分進行補充控制。

2.2 規則庫

理論與實驗表明，“九區圖”規則庫沒有考慮連續設備的動作特性，已不能適用于廠站內有STATCOM加入的情況，更無法對STATCOM與離散設備進行協調控制。本文采用如圖2所示規則庫[15]。

圖2 規則庫Fig.2Rules base

圖中V為變電站母線電壓，Vh為主變高壓側電壓，Qh為主變高壓側注入無功。上上限和下下限為主變分接頭檔位動作條件，是一系列條件的集合，不同變電站的定義可能不同。本文選取某種典型的上上限和下下限，要求此時已經投入必要的電容器，主變無功滿足一定要求，但220 kV側電壓仍然低于某一數值[15]。

該規則庫較“九區圖”有以下優點：

（1）將傳統“九區圖”中電容器的具體投切轉換為無功的增減，從而為協調動作指明方向；

（2）考慮了連續設備的動作特性，可有效發揮連續設備暫態支撐作用。

2.3 協調控制策略

本文綜合以往協調控制策略的優缺點，設計出如圖3所示協調控制框圖。

圖3 協調控制框圖Fig.3Coordinated control block diagram

圖中n為變壓器分接頭檔位，k為投切的電容器組數，Qs為STATCOM當前無功出力。首先通過現有的監控及數據采集SCADA（supervisory control and data acquisition）下行通道將采集到的信息送入電壓無功計算模塊，計算母線電壓U、無功功率Q、電壓偏差ΔU等幾個本地參考變量。靈敏度計算單元根據這些信息計算出無功需求量ΔQ。

為了滿足暫態補償的實時性要求，且保持控制動作的精確有序，先將上述狀態變量送入系統狀態識別模塊辨別系統所處運行狀態。當系統發生故障等大擾動時，μ值明顯減小甚至跌落，狀態識別模塊據此判別系統是處于暫態，指示協調控制器直接對STATCOM發出暫態模式指令，STATCOM以開環控制方式快速投入運行響應；穩態時，狀態識別模塊檢測到μ值沒有明顯變化，協調控制器一邊接收變電站母線和STATCOM注入無功的實時信息，一邊接收狀態識別模塊的穩態指令，實現暫態和穩態不同調控模式的切換，具體完成以下兩步協調動作。

步驟1根據規則庫，初步確定是要進行無功的增減還是變壓器的投退。

步驟2按照第一步指示的調控方向，在連續變量和離散變量之間進行無功的分配和動作的協調。

如果系統運行狀態要求利用無功補償進行調壓，則無功在STATCOM與電容器組之間按照“離散設備基礎支撐、連續設備精細調節”的原則進行配合，設當前可投入或退出的電容器容量為Qc。

（1）若ΔQ>0，則增加無功補償。

①若Qs+ΔQ≥Qc，則投入電容器，同時STATCOM無功調節到Qs+ΔQ-Qc；

②若Qs+ΔQ

（2）若ΔQ<0，則減少無功補償。

①若Qs+ΔQ≤-Qc，則退出電容器，同時將STATCOM無功調節到Qs+ΔQ+Qc；

②若Qs+ΔQ>-Qc，則僅將STATCOM無功調節到Qs+ΔQ。

如果系統運行狀態利于有載調壓變壓器調壓，則按照如圖4所示的控制流程協調STAT-COM與變壓器抽頭的動作。

圖4STATCOM與有載調壓變壓器協調原理Fig.4Coordination principle between STATCOM and on-load voltage regulating transformer

為防止系統頻繁振蕩，協調控制策略設計了一個死區模塊。這個模塊在一個特定的范圍內會產生零輸出，稱之為死區。死區上下限指定為死區開始和結束對應的母線電壓、主變高壓側注入無功等參數。STATCOM無功輸出作為模塊輸入，工作原理如下。

①當輸入在死區上下限之間時，模塊輸出為零；

②其他情況，模塊輸出為輸入減去上限。

有載變壓器的電壓參考值隨著STATCOM無功輸出而變化，其調節目標是保持負載母線電壓不變。僅當死區模塊輸出為零時，有載調壓變壓器電壓參考值等于負載母線電壓。當電網發生波動時，參考電壓與負載母線電壓不同。此時，STATCOM由于其動態特性，快速提供一定的無功電壓支撐。協調控制器調節有一定延時的變壓器分接頭動作，STATCOM漸漸釋放已補償的無功，為下一次波動提供穩定裕度。分接頭每動作一次，STATCOM釋放部分無功容量，直到最終的變壓器參考電壓接近負載母線電壓。

上述協調策略考慮了變壓器動作對無功分布的影響。通過死區模塊的設置，既可減少抽頭的頻繁操作，又使STATCOM為暫態故障留有足夠大的裕量。

3 仿真分析

3.1 仿真模型及仿真條件

選取南方電網某220 kV變電站為仿真對象驗證本文所提協調策略，其基本接線圖和運行參數分別如圖5和表1所示。

圖5220 kV變電站接線Fig.5220 kV substation wiring

表1 基本運行參數Tab.1Basic operating parameters

圖中P+jQ表示負荷大小。選取0時為當前時刻，此時，兩臺主變抽頭都位于220+2×1.5%檔位；兩個10 kV側母線負荷P1+jQ1與P2+jQ2均為42.5 MW+j17.0 Mvar；110 kV側母線負荷P3+ jQ3=350 MW+j85.0 Mvar；母線1、2當前均只投入1組并聯電容器，即8 Mvar。此外，母線1接有一個容量為20 Mvar的STATCOM。

采用中國電力科學研究院研制的電力系統計算分析軟件包中國版BPA（bonneville power administration）作為本次研究的仿真和計算工具。阻抗模裕度指標計算條件如下：

（1）電網研究水平為2013年夏大運行方式，考慮系統同步功率擾動情形，在典型日負荷曲線下進行仿真計算。

（2）計及負荷靜態特性，采用ZIP負荷模型（30%恒阻抗，40%恒功率，30%恒電流）。

規則庫中電壓和無功合格范圍如下：

①220 kV高壓側母線電壓Vh合格范圍上下限：209 kV～231 kV，即0.95～1.05（以220 kV為基準）；

②主變高壓側注入無功Qh合格范圍上下限：-150 Mvar～150 Mvar。

以10 kV低壓側母線電壓為考察對象，其合格范圍上下限：10.05～10.65 kV，即0.957～1.014（以10.5 kV為基準）；死區上下限定義為（-0.018 75～0.018 75）。

3.2 穩態運行仿真分析

在典型日負荷曲線下，仿真比較無控制、傳統手段調控、另在母線1安裝1臺容量為20 Mvar STATCOM 3種方案對變電站24 h內（從0時刻算起）運行情況的影響，并分別定義為方案A、方案B、方案C。

正常日負荷曲線下，系統運行狀況并不會發生太劇烈的變化。狀態識別模塊通過仿真計算阻抗模裕度指標，判斷系統處于穩態運行，然后指示協調控制器按照文中所提的原則協調STATCOM、有載調壓變壓器和電容器組之間的配合。表2展示了B、C兩種方案，上午6時至中午12時內有載調壓變壓器和電容器組動作情況，以及方案C下典型時刻STATCOM無功出力、10 kV側母線1 μ值的變化情況。

表中“↗1”、“↘1”分別表示主變抽頭升高和降低一個檔位，“+1”、“+2”分別表示投入1組和2組電容器，“—”表示元件不動作。由表2可見，安裝STATCOM后，從負荷低谷時刻（06：00）到負荷高峰時刻（10：00）的過程中，隨著負荷增加，系統穩定性變弱，STATCOM出力逐漸增加，μ值有一定減少。從高峰時刻再到低谷時刻（12∶00的過程中，STATCOM配合電容器組和有載調壓抽頭的動作，逐漸釋放無功，保持充足的無功備用，μ值也因為負荷減少、系統穩定性增強有所增加。盡管阻抗模裕度指標隨著負荷的增減有所變化，但在夏大運行方式負荷整體水平較高的情況下，其值還是較小的，且變化并不明顯。此外，電容器組和有載調壓抽頭動作次數也較傳統手段明顯減少。圖6給出了A、B、C 3種方案下10 kV側母線1日電壓變化曲線。

由圖見，穩態時，系統電壓會隨著負荷的變化有所波動，B、C種方案都能夠維持其在合格范圍內。傳統手段調控下電壓仍有一定程度波動，安裝1臺STATCOM后，電壓波動范圍較前者明顯減小，基本維持在額定值附近。

3.3 暫態仿真分析

為了更準確地反映短路故障對系統的影響，選取一天中負荷水平較低的0點為故障發生時刻。仿真分析10 kV側母線1發生經阻抗三相短路接地故障，0.1 s后又切除故障的系統運行情況，接地電抗為0.1 p.u.（即約0.11 Ω）。

故障發生前后，系統狀態識別模塊計算求得故障中阻抗模裕度指標如圖7所示。

表2 裝置動作情況、STATCOM出力和阻抗模裕度Tab.2Device movement，STATCOM output and μ

圖6 10kV側母線1日電壓變化曲線Fig.610 kV Bus 1 day voltage change curve

圖7 10kV側母線1 μ值變化曲線Fig.7Change curve of μ of 10 kV Bus 1

母線1三相短路后，系統穩定性遭到嚴重破壞，μ值也因此迅速跌落。狀態識別模塊指示協調控制器直接對STATCOM發出暫態指令，輸出無功支撐，維持系統電壓，如圖8方案C所示。

圖8 10kV側母線1發生三相短路母線電壓變化曲線Fig.8Change curves of 10 kV bus 1 three-phase short-circuit voltage

由圖8可見，故障后，母線電壓驟降，嚴重低于正常值。一般情況下，變電站VQC系統每次檢測時間為3 s，檢測5次（15 s）后才動作，故在暫態的較短時間內是無法進行調控的，造成故障切除后的母線電壓將低于合格范圍的下限。而在方案C的調控下，故障后母線電壓下降會緩慢一點，故障中電壓稍高一點，故障切除后母線電壓更快恢復，且電壓最終恢復值更接近故障前的電壓值。此外，得益于STATCOM針對于暫態故障的支撐作用，從圖7可見，故障后阻抗模裕度較故障前有所提高，系統穩定性有所增強。此后，μ值保持不變，進入穩態調控模式。

4 結語

本文設計了基于系統不同運行狀態的變電站內STATCOM與傳統無功電壓控制裝置協調策略。設置一個死區模塊協調STATCOM與有載調壓變壓器運行，STATCOM與電容器組按照“離散設備基礎支撐，連續設備精細調節”的原則進行無功分配。該策略既能有效減少離散設備的動作次數，又能充分發揮STATCOM對系統暫態的快速支撐作用，保持系統穩定。選取南方電網某變電站進行應用仿真說明了協調控制的具體步驟，初步驗證了這種思路的有效性。上述協調策略對STATCOM投入變電站內實際應用有一定指導意義。

[1]李邦峰，張勇軍，李勇，等（Li Bangfeng，Zhang Yongjun，Li Yong，et al）.受端系統動態無功補償優化建模方法綜述（A survey on modeling approach of optimized dynamic reactive power compensation in receiving systems）[J].電網技術（PowerSystemTechnology），2007，31（15）：21-25，38.

[2]Abdel-Rahman M H，Youssef F M H，Saber A A.New static var compensator control strategy and coordination with an under-load tap changer[J].IEEE Trans on Power Delivery，2006，21（3）：1630-1635.

[3]Son K M，Moon K S，Lee S K，et al.Coordination of an SVC with a ULTC reserving compensation margin for emergency control[J].IEEE Trans on Power Delivery，2000，15（4）：1193-1198.

[4]何瑞文，蔡澤祥（He Ruiwen，Cai Zexiang）.動態相量法在電力系統暫態分析中的作用（Application of the dynamic phasors in power system transient analysis）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2004，16（3）：66-68，82.

[5]董良英，房大中，林旭軍（Dong Liangying，Fang Dazhong，Lin Xujun）.含統一潮流控制器的電力系統新型潮流算法（A new technique for power flow calculation of power system with UPFC）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2001，13（2）：8-10.

[6]王野平，武志剛，張堯（Wang Yeping，Wu Zhigang，Zhang Yao）.FACTS設備在粵港電力系統中的潮流控制作用研究（Study of facts devices on power flow control in the Guangdong-Hong Kong power grid）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2002，14（4）：76-79.

[7]姜齊榮，謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償結構原理控制與應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[8]王仲鴻，姜齊榮，沈東（Wang Zhonghong，Jiang Qirong，Shen Dong）.關于新型靜止無功發生器模型參數及暫態控制模型選擇的討論（Determination of the model and parameters of the static reactive compensator in controller designing）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），1999，23（24）：43-45.

[9]劉方，顏偉，David C Yu（Liu Fang，Yan Wei，David C Yu）.基于遺傳算法和內點法的無功優化混合策略（A hybrid strategy based on GA and IPM for optimal reactive power flow）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2005，25（15）：67-72.

[10]丁曉鶯，王錫凡，陳皓勇（Ding Xiaoying，Wang Xifan，Chen Haoyong）.一種求解最優潮流的組合算法（A combined algorithm for optimal power flow）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2002，22（12）：11-16.

[11]Kim Gwang Won，Lee Kwang Y.Coordination control of ULTC transformer and STATCOM based on an artificial neural network[J].IEEE Trans on Power Systems，2005，20（2）：580-586.

[12]Fujii T，Chisyaki H，Teramoto H，et al.Coordinated voltage control and continuous operation of the 80 MVA STATCOM under commercial operation[C]//Fourth Power Conversion Conference.Nagoya，Japan，2007：969-974.

[13]段文麗，白延麗，蔚飛（Duan Wenli，Bai Yanli，Wei Fei）.有載調壓變壓器、電容器組和STATCOM的協調控制研究（Coordination control of ULTC transformer，capacitor banks and STATCOM）[J].電網與清潔能源（Power Systems and Clean Energy），2012，28（1）：54-59.

[14]劉光曄，施海亮，楊以涵（Liu Guangye，Shi Hailiang，Yang Yihan）.非解析復變電力系統電壓穩定的動態分析方法（Comprehensive dynamic analysis method for power system static voltage stability）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2013，33（10）：50-56.

[15]郭慶來，孫宏斌，張伯明，等（Guo Qinglai，Sun Hongbin， Zhang Boming，et al）.自動電壓控制中連續變量與離散變量的協調方法（一）：變電站內協調電壓控制（Coordination of continuous variables and discrete variables in automatic voltage control（Part one）：coordinated voltage con-trol for substations）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（8）：39-42，107.

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

張勇（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定

與控制。Email：13647439218@163.com

羅滇生（1971—），男，博士，教授，研究方向為電力市場理論

研究及應用、電力系統在線監測。Email：lhx20070322@hnu. edu.cn

范幸（1991—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定

與控制。Email：fx910427@163.com

2014-04-21；

2014-11-26

國家自然科學基金資助重點項目（61233008）；廣東電網專題研究項目（036000QQ00120001）