35 kV ±200 M var STATCOM系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

黃偉雄，劉錦寧，王永源，姜齊榮，袁志昌，杜 威

（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 100084）

0 引言

根據(jù)對(duì)廣東電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析，為了提高廣東電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，需要在廣東電網(wǎng)多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝大容量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[1-2]。在綜合考慮動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行損耗及容量、技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，STATCOM裝置以其響應(yīng)速度快、運(yùn)行損耗小、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，成為首選。作為廣東電網(wǎng)推廣應(yīng)用STATCOM補(bǔ)償裝置的第一步，在東莞站安裝±200 Mvar STATCOM裝置對(duì)提高東莞地區(qū)電壓穩(wěn)定性具有最佳的效果。同時(shí)，以該STATCOM裝置為示范，可以從響應(yīng)速度、無功輸出、運(yùn)行損耗、占地面積及提高電網(wǎng)穩(wěn)定性效果等方面對(duì)裝置進(jìn)行評(píng)估考核，為系列STATCOM裝置的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文針對(duì)東莞變電站的要求，對(duì)STATCOM的主電路及控制策略等進(jìn)行了分析比較，提出了可滿足高電壓與大容量需求的雙三角連接鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的主電路；在控制方面，給出了一種新的鎖相環(huán)技術(shù)并應(yīng)用于該STATCOM，并提出了適合系統(tǒng)需求的多目標(biāo)控制策略。本文分為5個(gè)部分，第1部分介紹STATCOM主電路的選擇，第2部分提出了一種新的鎖相環(huán)技術(shù)，第3部分給出了相應(yīng)的控制與保護(hù)策略，第4部分進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性，第5部分介紹了STATCOM現(xiàn)場運(yùn)行情況，尤其是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)STATCOM裝置的動(dòng)作情況，驗(yàn)證了STATCOM裝置可在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)提高系統(tǒng)的電壓水平和電壓穩(wěn)定性。

1 STATCOM裝置主電路選擇

根據(jù)對(duì)廣東電網(wǎng)的仿真研究及現(xiàn)有技術(shù)條件，東莞站STATCOM裝置性能要求及技術(shù)指標(biāo)如下：額定容量為±200 Mvar，電壓等級(jí)為35 kV直掛，響應(yīng)速度不大于20 ms，額定容量時(shí)損耗不大于0.6%。

在目前的電力電子技術(shù)水平及生產(chǎn)工藝條件下，±200 Mvar STATCOM裝置的主電路可以采取如下5種形式：變壓器串聯(lián)多重化方案、功率單元并聯(lián)變壓器多重化方案、開關(guān)器件串聯(lián)三電平方案、鏈?zhǔn)椒桨概c模塊化多電平（MMC）方案[3-4]。

早期的大容量STATCOM裝置均采用變壓器多重化方案，如1991年日本三菱、關(guān)西電力154 kV／80 Mvar STATCOM，1993年日本東芝、日立、東京電力66 kV／100 Mvar STATCOM，1996年美國西屋電氣、EPRI、TVA 161 kV／100 Mvar STATCOM 等均采用了變壓器串聯(lián)多重化方案；而2001年日本三菱設(shè)計(jì)的美國 Essex 115 kV／86 Mvar STATCOM，2003年富士設(shè)計(jì)的日本Numazu 77 kV／60 Mvar STATCOM，2003年日本三菱、美國SDG&E設(shè)計(jì)的Talega 138 kV／100 Mvar STATCOM裝置均采用了功率單元并聯(lián)的變壓器多重化方案。雖然采用變壓器可以較容易地實(shí)現(xiàn)變流器功率單元的串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大容量，但變壓器的引入造成了磁路非線性，存在變流器與變壓器絕緣水平要求高、損耗嚴(yán)重、占地面積大、成本高昂等缺點(diǎn)，因此目前應(yīng)用越來越少。開關(guān)器件串聯(lián)三電平方案是ABB公司采用的一種STATCOM主電路結(jié)構(gòu)，目前在世界上已有多臺(tái)投入運(yùn)行，但是IGBT器件串聯(lián)實(shí)現(xiàn)困難，三電平結(jié)構(gòu)的諧波較大且d u／d t很高，造成STATCOM連接電抗器設(shè)計(jì)非常困難，目前只有ABB掌握了較成熟的技術(shù)。況且，容量要達(dá)到±200 Mvar，除IGBT串聯(lián)外還需要引入IGBT并聯(lián)，更增加了技術(shù)難度?；谀K化多電平的方案尚不成熟，目前只有柔性直流輸電中有幾個(gè)示范工程，其應(yīng)用還未在STATCOM中普及，未得到充分的驗(yàn)證。因此，采用35kV鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)成為±200Mvar STATCOM裝置的首選。

圖1 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)STATCOM裝置主電路Fig.1 Main circuit of STATCOM with cascaded structure

35 kV鏈?zhǔn)絊TATCOM目前有3種主電路結(jié)構(gòu)，分別為三角接結(jié)構(gòu)、星接結(jié)構(gòu)與三角星形混合式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。三角接結(jié)構(gòu)既可以補(bǔ)償無功、諧波，也可以補(bǔ)償較大的負(fù)序電流，功能較全，也容易實(shí)現(xiàn)大容量，但需要串聯(lián)的H橋多，控制略顯復(fù)雜；星接結(jié)構(gòu)可以補(bǔ)償無功、諧波，需要串聯(lián)的H橋僅為三角接的，但其無法補(bǔ)償負(fù)序電流，否則會(huì)引起中點(diǎn)電位偏移，造成設(shè)備過壓，星接結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)容量較??；三角星形混合式結(jié)構(gòu)可以綜合三角接與星接的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，控制也更復(fù)雜。根據(jù)STATCOM容量要求，35 kV±200 Mvar STATCOM裝置額定線電流為3300 A。采用三角接、星接時(shí)H橋上電流分別為1905A、3300A。由于目前IGCT、IGBT與IEGT最大單管電流限制，采用三角接結(jié)構(gòu)需要至少2個(gè)以上器件的并聯(lián)，而采用星接結(jié)構(gòu)則需要3個(gè)以上器件的并聯(lián)。綜上所述，本文采用了圖1（a）所示的三角接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備耐受系統(tǒng)電壓不對(duì)稱故障后沖擊的能力，因此更有優(yōu)勢。

根據(jù)前文的分析，雖然三角接結(jié)構(gòu)可以將H橋輸出的電流降至1905 A，但仍需要采用器件并聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)。綜合考慮IGCT、IGBT與IEGT器件的電壓與電流，本文提出了一種如圖2所示的雙三角接（雙△）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM主電路，其中器件采用4500 V ／1500 A 的 IEGT[5-7]，這樣每個(gè) H 橋輸出的交流電壓有效值可達(dá)1 500 V、交流電流有效值可達(dá)1500 A，從而每相H橋的總數(shù)可以降至26個(gè)（2個(gè)冗余）。由于采用了雙三角接結(jié)構(gòu)，每個(gè)三角結(jié)構(gòu)內(nèi)部鏈接的額定電流僅為1905／2≈953（A）。由此可見，采用基于IEGT的雙三角接鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，35 kV±200 Mvar STATCOM裝置H橋中的IEGT器件無需串并聯(lián)，可極大簡化H橋模塊的設(shè)計(jì)。

圖2 采用4500 V／1500 A IEGT的雙三角接鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的35 kV±200 Mvar STATCOM裝置主電路Fig.2 Main circuit of 35 kV±200 Mvar STATCOM with cascaded structure based on 4500 V／1500 A IEGTs

2 新型鎖相環(huán)

STATCOM作為并網(wǎng)型變換器的一種，電網(wǎng)電壓相位是其正常工作的重要參數(shù)，若不能準(zhǔn)確及時(shí)地與電網(wǎng)同步，有可能導(dǎo)致STATCOM直流側(cè)過電壓或輸出過流，進(jìn)而導(dǎo)致裝置閉鎖，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞裝置?，F(xiàn)運(yùn)行的STATCOM一般使用鎖相環(huán)來解決同步問題[8-9]。傳統(tǒng)鎖相環(huán)基本原理如圖3所示。

圖3 三相鎖相環(huán)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of three-phase PLL

在電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱的情況下，有：

其中，uABC=[uAuBuC]T；θ=ωt+φ，ω 是電網(wǎng)的角頻率，φ是初相角。

Park變換之后，有：

傳統(tǒng)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時(shí)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)同步，但從圖3的框圖可以看出，傳統(tǒng)鎖相環(huán)有2個(gè)積分環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)電壓發(fā)生相位跳變時(shí)，響應(yīng)速度較慢。因此，本文中的35 kV±200 Mvar STATCOM裝置使用了一種新的鎖相環(huán)，其基本原理如圖4所示。

圖4 新三相鎖相環(huán)原理框圖Fig.4 Schematic diagram of proposed PLL

與傳統(tǒng)鎖相環(huán)相比，新型鎖相環(huán)省去了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，大幅提高了鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓相角跳變的響應(yīng)速度。

3 控制與保護(hù)策略

STATCOM裝置的控制可分為系統(tǒng)級(jí)控制、裝置級(jí)控制及底層控制[10-12]。東莞站35 kV ±200 Mvar STATCOM裝置的主要功能包括維持220 kV節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定、提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性及阻尼振蕩[13]。針對(duì)廣東電網(wǎng)的特點(diǎn)，可為STATCOM設(shè)置5種控制模式：暫態(tài)電壓控制模式、遠(yuǎn)方控制模式、穩(wěn)態(tài)調(diào)壓模式、恒無功輸出模式、阻尼附加控制模式，其中遠(yuǎn)方控制模式和阻尼控制模式根據(jù)應(yīng)用需要選取。為了保證多種控制模式的合理協(xié)調(diào)，本文提出了裝置的系統(tǒng)級(jí)多目標(biāo)協(xié)調(diào)的控制策略，如圖5所示。在正常穩(wěn)態(tài)條件下，STATCOM裝置主要用于穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓并增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼；一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，STATCOM則進(jìn)入暫態(tài)控制模式用于提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

STATCOM裝置級(jí)控制目標(biāo)是跟蹤系統(tǒng)控制策略所給出的參考電流并保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定。因此，STATCOM裝置級(jí)控制主要包括電流跟蹤控制與直流電壓平衡控制。由于STATCOM裝置直掛35 kV線路，每相有26個(gè)鏈節(jié)，因此直流電壓平衡控制是STATCOM裝置級(jí)控制的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，直流電壓平衡控制的難易程度與H橋中開關(guān)器件的工作頻率相關(guān)，即開關(guān)的工作頻率越高，直流電壓平衡控制越易實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓不平衡是每個(gè)H橋產(chǎn)生電壓的差異導(dǎo)致的，若提高開關(guān)器件的工作頻率就可以減小電壓的差別。雖然提高開關(guān)頻率可以使直流電壓平衡控制更容易，但將增加損耗，因此需要采用合適的控制方法對(duì)H橋直流電壓平衡進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[14] 給出了一種直流電壓平衡控制方法，仿真中發(fā)現(xiàn)該方法在電流小時(shí)難以實(shí)現(xiàn)直流電壓平衡控制。研究表明采用該方法時(shí)，每個(gè)H橋的瞬時(shí)功率為：

圖5 35 kV±200 Mvar STATCOM的系統(tǒng)級(jí)控制策略框圖Fig.5 System-level control strategy of 35 kV±200 Mvar STATCOM

其中，uCav、uCi、uf、is分別為直流側(cè)平均電壓、第 i個(gè) H橋的直流電壓及其輸出電壓與電流?？梢娫摲椒ㄊ峭ㄟ^控制H橋瞬時(shí)功率中與電流平方成正比的部分來控制其直流電容的電壓的。實(shí)際控制中是以STATCOM輸出額定電流作為電流基值的，因此額定電流時(shí)is對(duì)應(yīng)為1。因?yàn)楫?dāng)電流遠(yuǎn)小于額定電流值時(shí)（如在10%額定電流以內(nèi)），電流平方更小，所以直流電壓平衡控制容易失效。為此本文采用根據(jù)電流大小適當(dāng)調(diào)整比例系數(shù)k的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓平衡的有效控制，即：

其中，k0為常數(shù)，is1為通過對(duì)is基波電流快速鎖相而得到的與其基波同相且幅值為1的信號(hào)。代入式（3）得到：

由式（5）可見，采用該方法H橋的瞬時(shí)功率中控制直流電容電壓的功率部分只與電流的大小成正比，因此小電流時(shí)直流電壓平衡控制會(huì)更有效。圖6為采用固定k值與式（4）的變k值方法在STATCOM裝置并網(wǎng)充電然后發(fā)出10%額定無功功率時(shí)的直流電壓的控制情況。由圖可見，固定k值方法在小電流時(shí)，各H橋直流側(cè)電壓會(huì)發(fā)散，而變k值方法可更有效地維持直流側(cè)電壓的平衡。

圖6 10%額定無功功率時(shí)，不同控制方法直流電壓平衡的情況Fig.6 DC voltages balancing for different control methods with 10%of rated reactive power

STATCOM裝置的保護(hù)系統(tǒng)主要包括電流保護(hù)與電壓保護(hù)。其中電流保護(hù)是監(jiān)測每個(gè)H橋鏈節(jié)的電流，一旦超過設(shè)定值則閉鎖脈沖。電壓保護(hù)包括每個(gè)H橋直流電壓的過壓和欠壓保護(hù)以及單相直流總電壓過壓保護(hù)，無論是出現(xiàn)過壓還是欠壓，保護(hù)系統(tǒng)都將閉鎖脈沖，并根據(jù)過壓值的大小決定是否跳開主開關(guān)。

4 仿真結(jié)果

在完成35 kV±200 Mvar STATCOM裝置主電路及控制策略設(shè)計(jì)后，本文對(duì)STATCOM裝置的各種工況進(jìn)行仿真[15]，圖 7 為 35kV ±200Mvar STATCOM裝置接入東莞站后的等效系統(tǒng)圖。設(shè)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)220kV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。

圖7 STATCOM接入等效系統(tǒng)圖Fig.7 Equivalent circuit of system with STATCOM

由圖8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迅速釋放容性無功從而減少了電壓跌落，220 kV母線電壓最終穩(wěn)定在226.5 kV，相比未投入STATCOM時(shí)，電壓提升約2 kV。STATCOM輸出無功功率如圖9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20 ms。圖10給出了STATCOM裝置輸出相電流波形，幅值約為600 A。仿真結(jié)果表明STATCOM裝置在短路后能夠快速輸出無功功率，有效提高了東莞站220 kV的電壓。仿真結(jié)果驗(yàn)證了STATCOM裝置在穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)條件下能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

圖8 東莞站內(nèi)220 kV母線電壓有效值Fig.8 RMS of 220 kV bus voltage in Dongguan Substation

圖9 STATCOM輸出無功功率Fig.9 Output reactive power of STATCOM

圖10 STATCOM輸出相電流Fig.10 Output phase-current of STATCOM

5 STATCOM現(xiàn)場運(yùn)行

東莞變電站35 kV±200 Mvar STATCOM裝置于2011年8月19日并網(wǎng)試運(yùn)行，為了驗(yàn)證STATCOM裝置運(yùn)行能否滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了吸收、發(fā)出無功功率的階躍實(shí)驗(yàn)[16-17]，圖11為無功從-40 Mvar跳變到40 Mvar時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。圖中，CH1為無功功率參考值，CH2為系統(tǒng)電壓有效值，CH3為裝置輸出無功功率，CH4、CH5 為系統(tǒng)電壓，CH6、CH7、CH8為裝置輸出電流。由圖可見STATCOM裝置無功階躍響應(yīng)時(shí)間小于10 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 STATCOM無功功率從-40 Mvar跳變至40 Mvar的階躍曲線Fig.11 Fast rising curve of reactive power from-40 Mvar to 40 Mvar generated by STATCOM

圖12 東元乙線單相短路后STATCOM動(dòng)作曲線Fig.12 Response curve of STATCOM to single-phase short circuit of Dong-Yuan Yi line

為進(jìn)一步測試STATCOM裝置多目標(biāo)控制的協(xié)調(diào)性，通過短路實(shí)驗(yàn)對(duì)STATCOM裝置在系統(tǒng)故障情況下的運(yùn)行進(jìn)行了測試，考察STATCOM能否從穩(wěn)態(tài)運(yùn)行迅速切換到暫態(tài)運(yùn)行。圖12為短路實(shí)驗(yàn)時(shí)STATCOM裝置電壓及電流的變化曲線，A1—A3為東莞站220 kV母線電壓，A5—A7為35 kV母線電壓，B9—B11為圖2中左邊第一組三相電流，B13—B15為圖2中右邊第二組三相電流?？梢姽收虾?20 kV母線電壓發(fā)生了暫降，STATCOM裝置快速進(jìn)入暫態(tài)模式補(bǔ)償無功功率，提高了系統(tǒng)的電壓水平。故障清除后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)，STATCOM裝置迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)及阻尼控制模式，裝置對(duì)系統(tǒng)故障的響應(yīng)速度小于20 ms。因此裝置可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的協(xié)調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了35 kV±200 Mvar STATCOM裝置的主電路結(jié)構(gòu)及控制保護(hù)策略，仿真結(jié)果與現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明采用雙三角接結(jié)構(gòu)可以有效增加STATCOM裝置的容量而避免了器件的串并聯(lián)。多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制既可以保證STATCOM裝置穩(wěn)態(tài)發(fā)揮維持樞紐點(diǎn)電壓穩(wěn)定的能力，又能利用STATCOM裝置在系統(tǒng)發(fā)生故障后，快速輸出無功功率，提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。直接電流跟蹤控制使STATCOM裝置的響應(yīng)時(shí)間小于20 ms，同時(shí)保證STATCOM裝置在受到系統(tǒng)沖擊時(shí)不出現(xiàn)過電流。35 kV±200 Mvar STATCOM裝置是目前國際上容量最大的STATCOM裝置，其順利投運(yùn)為STATCOM裝置的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。