靜止同步補償裝置電壓調整與合環轉換控制策略研究

楊用春，牛超群，唐健雄，趙成勇，徐 志

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003；2. 云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

高質量、高可靠性的電力供應，是經濟發展的必要保證條件之一。伴隨社會的快速發展，用戶對電能質量的要求持續提高[1]。隨著電力系統不斷升級，目前電網結構已經變得越來越復雜；配電網中，雙電源、多電源供電運行模式日益普遍[2,3]，這使得電網對自身的要求變得更加嚴格。

為了增加供電的可靠性、提高電能質量、滿足用戶良好的用電體驗，越來越多的地方電網開始采用合環的方式來實現不停電負荷轉供電操作。

由于線路中合環電流過大會降低電網運行的安全穩定性，所以電網進行合環操作需要滿足一定的條件。文獻[4]分析了低壓配電網合環電流產生的原因，針對合環存在的風險提出了操作建議。文獻[5]針對存在30°相位差的35 kV電網合環問題展開研究，設計了在線合環策略，實現了不停電倒負荷。文獻[6]針對合環現場的實際需求，提出了一種基于移相變壓器的合環控制裝置，實現了在極端條件下相差調節；但是其調壓功能的靈活性還有待提高。

作為一種無功補償裝置，目前STATCOM已經廣泛應用于電力系統中[7]。STATCOM 具有控制靈活、響應迅速的特點，能夠在系統故障或負荷突增時對系統提供動態無功補償，進而穩定節點電壓、抑制負荷擾動對電壓造成的影響，提高電網電壓恢復能力[8]。

對于STATCOM的研究，目前大部分集中在其作為無功補償裝置的控制策略與手段方面，對于其在電力領域其它方面應用的研究不多。STATCOM 除了可以用來補償無功、調節電壓、補償電網電壓不平衡外，其應用還可以進行拓展。

隨著敏感電氣設備的廣泛使用，用戶對電能質量和供電可靠性的要求越來越高[9]。針對大型數據中心、特種高科技行業這類對供電可靠性、電能質量要求較高的用戶[10,11]，可以考慮運用STATCOM 改善敏感用戶電能質量，提高供電可靠性。通過調整控制策略，使STATCOM在電網中發揮更積極作用——這方面研究具有工程應用價值。

文獻[12]采用兩側獨立 STATCOM 聯合構成了雙VSC柔性合環裝置，實現了不停電合環轉供；但是文中沒有體現合環前STATCOM對電壓的控制，也沒有詳細介紹STATCOM參與合環的控制策略如何轉換。

基于此，本文利用STATCOM下垂調節實現了負載母線電壓的控制，并提出無縫切換合環控制策略，使STATCOM作為合環裝置參與直流側合環操作。

1 STATCOM的電壓控制策略

1.1 結構與工作原理

本文采用電壓型橋式逆變電路構建STATCOM主電路，直流側利用儲能元件維持電路有功損耗。該結構不僅可以降低補償裝置補償電流的諧波含量，而且直流側穩壓效果好、控制簡單，可滿足補償裝置低損耗要求。STATCOM裝置的主電路電力電子開關器件由絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）組成，與反并聯的二極管共同起到續流的作用[13]，并通過控制電力電子器件的通斷來實現電壓調節功能。

STATCOM 調節系統電壓的方式主要是向系統吸收或者注入無功功率，進而使接入點處的節點電壓即公共連接點（point of common coupling，PCC）電壓保持穩定，避免由于PCC電壓的波動而造成電力系統的不穩定甚至崩潰。為了保證STATCOM 的穩定運行，直流側電壓Udc必須能夠維持不變；因此，對于STATCOM 的控制要求是——在保證穩定PCC電壓UPCC的同時維持直流側電容電壓Udc。

1.2 電壓下垂控制策略

在實際運行中，當負荷發生擾動后，系統一般允許PCC電壓在額定值的某一范圍內波動（一般不超5%）；因此，在STATCOM 容量一定的情況下，采用下垂調節自動調整電壓，可以增大PCC電壓的調節范圍[14]。該下垂調節的原理如圖1所示。

圖1 STATCOM的電壓下垂調節Fig. 1 Voltage droop regulation of STATCOM

圖1中，L1、L2、L3分別代表3種不同性質負載的 PCC電壓與負載無功電流的U-I特性曲線。初始負載為L2時，PCC工作點位于A點；當系統出現感性負載的擾動，則PCC處電壓下降，此時通過k1的下垂調節調整PCC處的電壓，工作點移動到C處。ΔUL表示負載發生變化后PCC電壓的變化量，ΔUL,k表示利用下垂控制自動調整后PCC電壓的變化量；顯然 ΔUL,k<ΔUL，下垂調節后電壓波動減小了。從圖 1中還可以看出，STATCOM對負載進行的無功電流補償量和k值成反比：k越小，補償的電流越大，PCC處電壓距離額定值就越接近。當STATCOM實現理想控制時（k=0），工作點位于D點，PCC處的電壓沒有發生變化，此時對應的補償電流也是最大的。

由此得出：加入下垂控制可以更好地調節因負荷變化造成的電壓波動，使PCC電壓更靠近額定值。PCC電壓指令值與額定值的關系可以寫為式（1）（2）：

式中：Iq為補償的無功電流；k為下垂因子。

根據系統所需的下垂特性，將k定義為：

式中：ΔUL,max為輸出最大感性電流IL,max時，PCC電壓的上升值。

圖2 帶電壓下垂調節的STATCOM控制Fig. 2 STATCOM control with voltage droop regulation

STATCOM 采用雙環控制策略來實現無功補償，進而調整PCC電壓。

交軸電壓外環：利用STATCOM下垂控制，將接入點處電壓參考值與測量值UPCC作差；通過，控制保證STATCOM接入點處電壓的穩定。

結合式（1），控制方程如式（4）（5）所示。

式中：t1表示STATCOM不工作時，維持直流側電壓；t2表示負載變動時，STATCOM 維持系統PCC點處電壓。

電流內環控制時，STATCOM 跟蹤補償指令電流，然后使用PI控制器使電流空間矢量轉換到電壓空間矢量，其控制方程如式（6）（7）所示。

最后，將該電壓參考值經過dq坐標變換得到的三相信號波分別與高頻載波進行比較，控制STATCOM 裝置中電力電子器件的通斷，進而實現PCC處的電壓調整。

2 直流側合環控制

為進一步提高供電可靠性，在STATCOM調壓的基礎上，通過改變控制策略，將其作為合環裝置投入到系統的不停電合環轉供電過程中。

為發揮電力電子器件靈活、迅速柔性控制的優勢，本文提出一種新的控制策略和合環方案，實現STATCOM從無功補償調壓到參與系統合環的無縫切換。

2.1 轉換直流側合環的方案

合環裝置拓撲結構如圖3所示：正常狀態時，轉供開關K5及合環開關K6斷開，1#電源、2#電源各自為1#負載、2#負載供電；左側STATCOM1伴隨負載擾動對接入點進行無功補償，維持PCC處電壓的穩定。若1#電源即將退出供電，則需要進行不停電合環轉供來保證對1#負載的供電。合環過程要點如下。

圖3 直流側合環裝置拓撲圖Fig. 3 Topology of DC side loop closing device

在進行合環操作前，兩側STATCOM均采用雙閉環控制策略，其優點是：既能維持直流側電壓Udc，同時還能穩定STATCOM 接入點處的電壓，使得合環條件（即，直流開關兩側電壓相等）容易滿足。在此條件下合環后，左側STATCOM1的直流側相當于有了功率能量的提供，此時兩側的STATCOM通過直流側合環開關的連接構成交直交裝置，STATCOM1改變了控制策略相當于逆變器，那么 STATCOM1輸出的交流側電壓就是任意可調的。此時：通過調節 STATCOM1交流側的輸出電壓，先保證維持1#負載的不間斷供電，使得1#電源安全退出；然后再控制1#負載電壓跟蹤 2#電源的母線電壓；當 1#負載順利轉為由 2#電源供電時，便可將1#電源退出，完成負載轉供電過程。

考慮兩側電源間存在電壓差和相角差，直接合環后產生過大的合環電流可能會造成合環失敗以及設備損壞，所以下面提出一種無縫切換合環控制策略，目標是：（1）減小合環電流，使合環更順利進行；（2）在 1#電源退出供電后，保持1#負載的電壓穩定，實現負載平滑轉供電。

2.2 無縫切換直流側合環的控制策略

當系統實現合環后，控制直流側的電壓穩定便可以由右側 STATCOM2來保證；此時，轉換左側 STATCOM1的控制策略，由雙閉環控制改為無縫切換直流側合環的前饋電壓控制。電壓參考量由經過dq坐標變換后的前饋電壓與反饋量共同構成。前饋電壓，即PCC點處的額定電壓；反饋量，即與 PCC處實際電壓UPCC的差經PI控制后得到的值。

式中：Us1表示1#電源電壓；URL表示1#電源內阻消耗的電壓。

經系統電壓鎖相的dq變換后，1#電源電壓交軸分量為零，直軸分量的值即為1#電源電壓的電壓值；與URL同理。于是，的直軸分量指令可由電源電壓的直軸分量與電源內阻消耗的電壓直接作差獲得；交軸分量指令直接利用1#電源電壓交軸指令即可。取值方法如圖4所示。

圖4 PCC處額定電壓的取值Fig. 4 Value of rated voltage at PCC

將2個電壓信號與經過dq坐標反變換得到的三相信號波與高頻載波進行比較，以便控制STATCOM1，繼續維持PCC處的電壓穩定。這時就可以退出1#電源供電，對1#負載進行轉供電操作；將前饋控制策略中 1#負載的電壓參考值由PCC處的額定電壓切換到2#母線電壓Us2即可，則式（9）（10）變為：

負載轉供電時，采取斜坡變換方式改變前饋電壓的指令，以實現母線電壓的平滑切換。該無縫切換直流側合環的前饋電壓控制策略如圖5所示。

圖5 無縫切換合環控制策略Fig. 5 Seamless switching loop closing control strategy

3 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC對含有STATCOM裝置的10 kV配電網系統進行仿真。1#電源電壓為10.6 kV，2#電源電壓為10.2 kV；2個電源相角差為 30°。

3.1 STATCOM調整電壓仿真分析

系統仿真時間設定為4 s。

初始狀態下，0.1 s時，啟動STATCOM投入運行，直流母線電壓維持；0.5 s時，加入感性負載擾動，PCC處電壓發生下降；0.8 s時，STATCOM投入，PCC處電壓調整。

圖6為STATCOM裝置直流側電壓波形。從圖6可以看出，在電壓調整的整個過程中，直流側電壓始終保持穩定。

圖6 STATCOM直流側電壓調整波型Fig. 6 STATCOM DC side voltage adjustment waveform

圖7示出了k=0.05時，PCC處電壓調整和STATCOM輸出電流的波形。從圖7可以看出，0.5 s時，負荷的波動造成PCC處電壓從8.025 kV降到了7.5 kV，下降了6.54%，超出了系統允許的電壓下降范圍（一般為5%）。在0.8 s時，通過STATCOM下垂調節，PCC處電壓提升到了7.89 kV；此時的壓降降到了1.68%，滿足系統要求。

圖7 k=0.05時PCC電壓和STATCOM輸出電流波型Fig. 7 PCC voltage and STATCOM output current waveform when k=0.05

仿真分析在發生負荷擾動后，利用不同下垂因子k調節對應PCC處電壓的情況。

用不同下垂因子k調節后的PCC電壓如圖8所示。圖8中，k1、k2、k3、k4的值分別為0、0.05、0.1、0.15，對應的相關數據見表1。可以發現，在不超出電壓波動規定范圍的情況下，k值越大，允許調節后的電壓偏差就越大；STATCOM的調整范圍越大，輸出的電流越小；k=0時，實現理想調節。

圖8 下垂調節前后PCC電壓變化對比Fig. 8 Comparison of PCC voltage change before and after droop adjustment

表1 不同下垂因子k對應PCC電壓調整相關數據Tab. 1 Related data of different droop factors k corresponding to PCC voltage adjustment

綜上得出，STATCOM 在維持直流側電壓穩定的情況下，還能夠對交流側進行無功補償，很好地維持PCC處電壓穩定、保證良好的電能質量。

3.2 STATCOM轉直流側合環仿真分析

仿真條件：1.5 s時，對系統進行合環操作，閉合直流側合環開關K6；2.5 s時，將1#電源退出供電。

圖9、圖10分別示出了直接合環過程與采用無縫切換策略后直流側電壓、電流波形。

圖9 不同合環策略下直流側電壓對比圖Fig. 9 Comparison diagram of DC side voltage with different closing strategies

圖10 不同合環策略下直流側電流對比圖Fig. 10 Comparison diagram of DC side current of different closing strategies

圖9、圖10中，Udc1、Idc1和Udc2、Idc2分別表示采用無縫切換策略合環和直接合環時直流側電壓、電流。從圖中可以看出，采用無縫切換合環策略后，電壓最大波動值（標幺值表示）由0.012降為0.007，電流波動由0.37 kA降為0.18 kA；同時，避免了2.5 s時由于1#電源退出產生的0.39 kA的電流沖擊，減少了對合環裝置的影響。

采用無縫切換合環策略后，整個合環過程中直流側的電壓、電流變化如圖11所示，負載電壓變化情況如圖12所示。

圖11 合環過程直流側電壓、電流變化情況Fig. 11 Changes of DC side voltage and current during loop-closing

圖12 合環過程負載電壓變化情況Fig. 12 Load voltage variation during loop-closing

分析圖11可知：1.5 s合環時，由于負載的增加，直流側電壓出現了微小的下降，但是很快便恢復正常；整個合環過程中，合環電流也不是很大，合環操作能夠順利完成。

圖12中，ULf表示負載電壓有效值。從圖12也可以看出，實現合環后策略的轉換沒有使負載電壓發生較大波動，負載電壓基本維持了穩定。

綜合圖11、圖12，在2.5 s時：1#電源退出供電；受負荷擾動的影響，直流側電壓再次出現下降但也很快恢復正常值；直流側電流由于1#負荷電流向STATCOM的轉移增大到200 A；但是，負載電壓的穩定沒有受到影響。

3.3 負載轉供電過程仿真分析

仿真條件：在3.5 s時，對負荷進行電源的轉供電。將1#負載轉為由2#電源供電。

轉供電前后直流側的電壓、電流波動情況如圖13所示，負載電壓變化情況如圖14所示，轉供電時負載電壓切換過程如圖15所示。

圖13 負載轉供電過程的電壓、電流變化情況Fig. 13 Changes of voltage and current during load to power supply

圖14 轉供電前后負載電壓變化情況Fig. 14 Change of load voltage before and after switching power supply

圖15 轉供電負載電壓切換過程Fig. 15 Switching process of switching power supply load voltage

由圖13可知，直流側電壓、電流在整個轉供電過程中未產生很大的波動。

由圖14可知，在3.5 s執行轉供電策略時，負載電壓發生了輕微地下降，但是很快順利轉供，實現了2#電源供電；短時的電壓下降對負載的影響很小，因此可以忽略不計。

圖15示出了在3.48 s～3.62 s時段，負載轉供電情況下，電壓的平滑切換過程（以a相為例），其中藍色線條表示負載電壓ULa，紅色線條表示負載額定電壓，橙色線條表示2#電源電壓Us2,a。圖中，在3.5 s后，負荷實現了平滑的轉供電過程。

4 結論

本文針對10 kV配電網系統提高電能質量和供電可靠性的問題，提出了利用STATCOM裝置提供無功補償調節電壓并參與系統直流側合環的方案。

（1）STATCOM獨立運行時，能夠給系統進行無功補償——可在發生負載擾動后，通過下垂調節，將PCC電壓波動調整在系統允許范圍內。

（2）可以通過改變控制策略的方式，將STATCOM 用于配電網合環場景中，從而減小合環后帶來的電流波動和沖擊，實現不停電柔性合環轉供電。

（3）正常情況下，STATCOM用來維持母線電壓；需要合環時，又可參與合環。

在配電網運行中， STATCOM的充分利用具有工程實用價值。