東莞變電站鏈?zhǔn)絊TATCOM控制保護(hù)的RTDS試驗(yàn)研究

謝化安，王永源，萬四維，杜 威，袁志昌，姜齊榮

（1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞 523000； 2.清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100083）

0 引言

近年來，靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用正在快速推廣[1-2]。目前，工程設(shè)計(jì)人員主要依靠PSCAD/EMTDC、ATP-EMTP等離線電磁暫態(tài)仿真軟件對STATCOM主電路參數(shù)和控制保護(hù)策略進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-5]。但離線仿真軟件無法對實(shí)際控制器的控制效果進(jìn)行檢測。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS（Real Time Digital Simulator）可以實(shí)時(shí)模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量，與實(shí)際控制器連接進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，因此已成為復(fù)雜電力系統(tǒng)中測試控制與保護(hù)系統(tǒng)的最可信賴的工具，目前已被廣泛采用[6-9]，如文獻(xiàn)[6]采用RTDS對南方電網(wǎng)交直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，文獻(xiàn)[7]采用RTDS對靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的控制策略進(jìn)行測試，文獻(xiàn)[8]采用RTDS對串補(bǔ)的控制保護(hù)裝置進(jìn)行測試，為此本文將采用 RTDS對STATCOM的控制與保護(hù)裝置進(jìn)行全面的測試。

在利用RTDS建立STATCOM主電路模型時(shí)，由于受到硬件資源的限制，通常無法做到完整的搭建STATCOM所有H橋模塊。例如在南方電網(wǎng)RTDS實(shí)驗(yàn)中心，每相只能搭建10個(gè)H橋模塊，而東莞±200Mvar STATCOM裝置每相包含26個(gè)模塊，因此必須用每相10個(gè)H橋模塊來等效實(shí)際的每相26個(gè)H橋模塊。目前常用的等效方法是整體提高每個(gè)H橋模塊的載波頻率，使整個(gè)裝置的等效開關(guān)頻率與實(shí)際裝置相符。該方法的優(yōu)點(diǎn)是使整個(gè)裝置的等效開關(guān)頻率與實(shí)際相符，但每個(gè)H橋模塊的載波頻率卻高于實(shí)際裝置，因此在無法保證每個(gè)H橋在與實(shí)際裝置相同的載波頻率下檢驗(yàn)裝置內(nèi)部的直流電壓平衡控制策略。

本文提出了一種提出了一種混合開關(guān)頻率的建模方法，在保證RTDS STATCOM模型等效開關(guān)頻率與實(shí)際裝置相等的同時(shí)，又使得大部分鏈?zhǔn)侥K的載波頻率與實(shí)際裝置相符，從而保證在相同的載波頻率下更好的檢驗(yàn)?zāi)K之間的直流電壓平衡控制效果，該方法也可用于模塊化多電平（MMC）電壓源變流器（VSC）的測試?；谠摲椒ń⒘恕?00 Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM控制保護(hù)裝置的RTDS閉環(huán)測試平臺，對STATCOM與電網(wǎng)的相互作用以及控制器的性能進(jìn)行了全面的考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該建模方法具有良好的等效性，鏈?zhǔn)絊TATCOM能有效的改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，控制保護(hù)裝置能夠按照預(yù)期合理、迅速的動(dòng)作。

1 ±200 Mvar STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

±200 Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM由兩套±100 Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM并聯(lián)組成。每套STATCOM主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，每相由26個(gè)H橋單元級聯(lián)而成。整套裝置輸出35 kV額定交流電壓和950 A額定相電流，通過升壓變壓器接入220 kV母線。

2 ±200Mvar STATCOM控制策略

2.1 系統(tǒng)級控制策略

STATCOM 的系統(tǒng)級控制分為暫態(tài)電壓控制、遠(yuǎn)方控制、穩(wěn)態(tài)調(diào)壓控制、恒無功輸出控制四種模式。 如圖2所示，暫態(tài)電壓控制主要用于系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)，STATCOM 可以迅速的釋放無功以提供電壓支撐；采取遠(yuǎn)方控制時(shí)裝置可以通過遠(yuǎn)方通訊接口接收調(diào)度中心或者 AVC主控單元的無功指令作為STATCOM無功參考值；采取穩(wěn)態(tài)電壓控制時(shí)，STATCOM以系統(tǒng)電壓作為控制目標(biāo)，改變自身的無功輸出使系統(tǒng)電壓在合理的范圍內(nèi)變化，STATCOM 在大部分的時(shí)間都運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)電壓控制模式；恒無功模式則是STATCOM依據(jù)運(yùn)行人員的無功指令發(fā)出相應(yīng)的無功。

圖1 ±100 Mvar STATCOM主電路結(jié)構(gòu)Fig. 1 Main circuit structure of the ±100 Mvar STATCOM

圖2 ±200 Mvar STATCOM系統(tǒng)級控制策略Fig. 2 System-level control strategy of the ±200 Mvar STATCOM

2.2 裝置級控制策略

STATCOM 的裝置級控制采用分相電流瞬時(shí)跟蹤控制策略[5]，如圖3所示，該控制策略共分為分相電流參考值設(shè)定和瞬時(shí)電流跟蹤控制兩個(gè)部分。分相電流參考值設(shè)定部分主要用來控制STATCOM每相直流電壓平衡和得到系統(tǒng)級控制給出的無功電流參考幅值。瞬時(shí)電流跟蹤控制則是利用PI控制器對其瞬時(shí)電流進(jìn)行反饋控制，同時(shí)引入系統(tǒng)電壓前饋環(huán)節(jié)，這樣可以在電網(wǎng)故障時(shí)實(shí)時(shí)的將電壓的變化反應(yīng)到控制器中，減小裝置的過流。在底層控制中采用直流電壓均衡控制，以保證各個(gè)H橋單元之間直流側(cè)電壓的平衡[10-11]。

圖3 ±200 Mvar STATCOM裝置級控制策略Fig. 3 Device-level control strategy of the ±200 Mvar STATCOM

3 RTDS測試平臺

3.1 STATCOM主電路的混合開關(guān)頻率建模

為了保證10鏈節(jié)STATCOM模型的整體等效開關(guān)頻率與26鏈節(jié)實(shí)際裝置一致，同時(shí)又使得大部分H橋模塊的載波頻率與實(shí)際裝置相符。本節(jié)給出了一種混合開關(guān)頻率建模的等效方法以滿足以上要求。由于東莞站STATCOM每個(gè)H橋的載波頻率為250 Hz，因此裝置的等效開關(guān)頻率為 26×250×2=13 000 Hz。在RTDS模型中，本文保持8個(gè)H橋的載波頻率為250 Hz，與實(shí)際裝置相等，提升其余兩個(gè)H橋的載波頻率至2 250 Hz，使得這兩個(gè)H橋的等效開關(guān)頻率與實(shí)際裝置18個(gè)H橋的等效開關(guān)頻率相等，從而模型的等效開關(guān)頻率為 82×50+22×250=13 000 Hz，仍然與實(shí)際裝置相符。這樣，既保證裝置的等效開關(guān)頻率與實(shí)際裝置相符，又能使大多數(shù)H橋在與實(shí)際裝置載波頻率相同的情況下檢驗(yàn)內(nèi)部的直流電壓平衡控制策略。

為了驗(yàn)證該混合開關(guān)頻率建模法的合理性，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了 26鏈節(jié)的STATCOM模型，將其中鏈節(jié)3至鏈節(jié)10共8個(gè)模塊的直流電壓與RTDS 仿真軟件中10鏈節(jié)模型其中鏈節(jié)3至鏈節(jié)10所對應(yīng)的直流電壓相對比，以驗(yàn)證RTDS仿真軟件中所搭建的STATCOM模型直流電壓平衡效果。如圖4所示：圖(a)為 RTDS中10鏈節(jié)STATCOM模型鏈節(jié)3至鏈節(jié)10共8個(gè)模塊的直流電壓，圖(b)為PSCAD中26鏈節(jié)STATCOM模型鏈節(jié)3至鏈節(jié)10共8個(gè)模塊的直流電壓，可見兩圖中電容電壓的波動(dòng)范圍都在0.95 pu至1.05 pu之間波動(dòng)，電壓均衡的效果非常一致，說明了混合開關(guān)頻率建模法的合理性。

圖4 不同STATCOM模型直流電壓平衡控制效果Fig. 4 DC voltage balance control effect of different STATCOM

3.2 外部電網(wǎng)建模

為了考察STATCOM與電網(wǎng)的相互作用，需要建立較為詳細(xì)的外部電網(wǎng)模型，本文以2010年南方電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)架為等值網(wǎng)絡(luò)，作為RTDS實(shí)驗(yàn)一次系統(tǒng)模型[12]。電網(wǎng)為交直流混合系統(tǒng)，交流系統(tǒng)共包含40臺等值發(fā)電機(jī)、40臺變壓器、132個(gè)三相節(jié)點(diǎn)和223條交流線路；直流系統(tǒng)包括5回直流系統(tǒng)，分別為云廣特高壓直流、興安直流、安肇直流、天廣直流和安廣直流，其中云廣特高壓直流連接了實(shí)際的控制保護(hù)裝置，其余的直流控制系統(tǒng)均在RTDS中搭建。在原有500 kV網(wǎng)架基礎(chǔ)上增加500 kV東莞變電站的 220 kV、35 kV系統(tǒng)部分，STATCOM通過500 kV東莞變電站的35 kV母線接入系統(tǒng)。

3.3 控制器閉環(huán)接口設(shè)計(jì)

外部電網(wǎng)和STATCOM主電路由RTDS仿真軟件模擬，STATCOM 的控制部分則連接實(shí)際的控制保護(hù)裝置。該控制保護(hù)裝置由系統(tǒng)控制柜、裝置控制柜、監(jiān)視控制柜以及脈沖柜構(gòu)成，其中系統(tǒng)控制柜負(fù)責(zé)STATCOM的系統(tǒng)級控制策略，產(chǎn)生參考無功信號，監(jiān)視控制柜負(fù)責(zé)監(jiān)測STATCOM的運(yùn)行狀態(tài)，裝置級控制柜負(fù)責(zé)STATCOM的裝置級控制，根據(jù)參考無功信號得到調(diào)制波，脈沖柜負(fù)責(zé)產(chǎn)生PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號?？刂破鞯牟蓸宇l率為4 kHz。STATCOM 控制器 RTDS閉環(huán)測試系統(tǒng)如圖 5所示，RTDS經(jīng)過功率放大器將所需的電壓、電流以及開關(guān)狀態(tài)模擬量信號傳遞給STATCOM控制器，STATCOM 控制器根據(jù)得到的電氣量信號進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，得到每個(gè)H橋單元的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號，通過A/D裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號回傳給RTDS，控制IEGT器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖5 STATCOM控制器RTDS閉環(huán)測試系統(tǒng)Fig. 5 The closed-loop test system of STATCOM controller in RTDS

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

4.1 STATCOM穩(wěn)態(tài)調(diào)壓功能測試

在穩(wěn)態(tài)電壓控制時(shí)，STATCOM以系統(tǒng)電壓為控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)自身的無功輸出保持電壓在允許變化范圍內(nèi)。本節(jié)以東莞站內(nèi)電抗器和電容器的投切模擬電壓的波動(dòng)，考察STATCOM穩(wěn)定母線電壓的效果。

假定STATCOM以東莞站220 kV母線電壓為控制目標(biāo)，初始狀態(tài)時(shí) 220 kV母線電壓為 227.7 kV。0.5 s時(shí)投入站內(nèi)220 kV母線上80 Mvar電抗器，考察STATCOM投入和未投入時(shí)母線電壓的變化情況如圖6~圖8所示。

由圖6可見，STATCOM未投入時(shí)，80 Mvar電抗器的投入導(dǎo)致220 kV母線電壓由227.7 kV跌落至224.5 kV。當(dāng)STATCOM投入運(yùn)行時(shí)，STATCOM能夠迅速的釋放容性無功以減少電壓跌落，220 kV母線電壓最終穩(wěn)定在226.5 kV，比未投入STATCOM時(shí)電壓提升約2 kV。STACOM輸出無功功率如圖7所示，在經(jīng)過小幅的超調(diào)后迅速穩(wěn)定在42 Mvar，響應(yīng)時(shí)間約為20 ms。圖8給出了STATCOM裝置輸出相電流波形，幅值約為600 A。

圖6 東莞站內(nèi)220 kV母線電壓有效值Fig. 6 220 kV bus voltage rms of Dongguan station

圖7 STATCOM輸出無功功率Fig. 7 Reactive power output of STATCOM

圖8 STATCOM輸出相電流Fig. 8 Phase current output of STATCOM

將 0.5 s時(shí)投入 80 Mvar電抗器改為投入 80 Mvar電容器，可得到如圖9~圖11的結(jié)果。

圖9 東莞站內(nèi)220 kV母線電壓有效值Fig. 9 220 kV bus voltage rms of Dongguan station

圖10 STATCOM輸出無功功率Fig. 10 Reactive power output of STATCOM

圖11 STATCOM輸出相電流Fig. 11 Phase current output of STATCOM

如圖9所示，未投入STATCOM時(shí)，80 Mvar電容器的投入導(dǎo)致220 kV母線電壓上升至231 kV。當(dāng)STATCOM投入后，STATCOM迅速的釋放感性無功抑制電壓上升，系統(tǒng)電壓最終穩(wěn)定在229.9 kV，比未投入STATCOM時(shí)下降約1.1 kV。圖10和圖11分別給出了STATCOM輸出無功功率和電流的波形，可見此時(shí)STATCOM的超調(diào)略大于抑制感性負(fù)荷投切時(shí)的超調(diào)，這主要是由于電容器投入時(shí)較大的電流變化率導(dǎo)致暫態(tài)過程電壓變化較大（如圖 9所示），因此 STATCOM 在暫態(tài)過程中迅速的釋放感性無功，從而造成較大的超調(diào)。

4.2 STATCOM在電網(wǎng)故障時(shí)的響應(yīng)特性測試

STATCOM 在電網(wǎng)發(fā)生不嚴(yán)重的故障時(shí)能否保持聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行以及在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)保護(hù)邏輯能否合理迅速的動(dòng)作以避免裝置受到損害是保證STATCOM安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。

假定STATCOM運(yùn)行在恒無功輸出模式，0.5 s時(shí)220 kV母線發(fā)生單相非金屬性短路故障，A相電壓跌落約37%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12~圖14所示。

如圖 10所示，故障前 A相電壓有效值約為132.6 kV，故障期間A相電壓有效值為84.1 kV，B、C相電壓基本不變。35 kV母線AB、CA相電壓分別跌落約22%和31%，BC相電壓上升約10%。由于STATCOM工作在恒無功模式，每相參考電流由每相無功參考值除以該項(xiàng)電壓有效值得到，因此故障期間STATCOM輸出AB、CA相電流升高，而BC相電流降低。在故障期間，裝置未出現(xiàn)過壓過流故障，可見在電網(wǎng)發(fā)生不嚴(yán)重的故障時(shí) STATCOM 可以保持聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

圖12 220 kV母線電壓Fig. 12 220 kV bus voltage rms

圖13 35 kV母線電壓Fig. 13 35 kV bus voltage rms

圖14 裝置輸出電流Fig.14 Current output of STATCOM device

5 結(jié)論

本文搭建了±200 Mvar STATCOM控制保護(hù)裝置的RTDS閉環(huán)測試平臺，對STATCOM控制器的性能和STATCOM與電網(wǎng)的相互作用進(jìn)行了全面的考察。在進(jìn)行RTDS STATCOM主電路模型建模時(shí)，提出了一種混合開關(guān)頻率的建模方法，在保證RTDS STATCOM模型等效開關(guān)頻率與實(shí)際裝置相等的同時(shí)，又使得大部分鏈?zhǔn)侥K的載波頻率與實(shí)際裝置相符，從而保證在相同的載波頻率下更好的檢驗(yàn)?zāi)K之間的直流電壓平衡控制效果。RTDS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該混合開關(guān)頻率建模法的有效性，為將來RTDS實(shí)驗(yàn)?zāi)M包含眾多電力電子器件設(shè)備時(shí)的建模方法提供了新思路。本次RTDS實(shí)驗(yàn)表明，該STATCOM具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能夠有效的改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定以及應(yīng)對電網(wǎng)發(fā)生的故障，為±200 Mvar STATCOM工程的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

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