MMC-STATCOM在變電站應(yīng)用中的研究

賀小明 范 巖 鮑尖措

（韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512132）

近年來，伴隨著電力在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，電力系統(tǒng)的用電負(fù)荷存在大量無功功率頻繁變化的設(shè)備，譬如電焊機(jī)、軋鋼機(jī)和整流設(shè)備等。如果電網(wǎng)缺少動(dòng)態(tài)無功電壓的支持，就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣娋W(wǎng)電壓的大面積崩潰。特別是電網(wǎng)中存在的大量的沖擊性負(fù)荷，會(huì)造成電壓波動(dòng)與閃變、諧波、三相不平衡等典型電能質(zhì)量問題，還會(huì)出現(xiàn)電壓突然跌落，瞬時(shí)中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題，這些對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-3]。新一代動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備- 靜止無功補(bǔ)償器（ Static Synchronous Compensator，STATCOM）是基于全控型電力電子器件構(gòu)建而成，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨度快，補(bǔ)償能力強(qiáng)，且自身消耗功率小、不會(huì)向電網(wǎng)注入諧波等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和解決電壓波動(dòng)和閃變最有效的方法之一。

STATCOM 的基本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件組成自換相電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)生無功功率，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。但是隨著需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率容量的不斷增大，傳統(tǒng)的兩電平或者三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求[4-5]。于是本文采用了一種新的STATCOM 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-模塊化多電平變換器（MMC）。MMC是2002年德國(guó)的學(xué)者提出來的一種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以利用低電壓等級(jí)的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出，且具有輸出諧波小，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

1 變電站MMC-STATCOM 應(yīng)用

1.1 工程概況

如圖1所示，某220kV 變電站是當(dāng)?shù)氐闹匾碾妷狐c(diǎn)之一。站內(nèi)共有一臺(tái)主變，現(xiàn)有4 回進(jìn)出線，其中#1 號(hào)和#2 號(hào)出線為武廣高鐵的牽引變電站供電。受電氣化鐵路密集運(yùn)行的影響，220kV 母線出現(xiàn)了明顯的電壓波動(dòng)和閃變以及需要大容量無功補(bǔ)償。該站采用傳統(tǒng)的電容器人工投切和主變分接頭調(diào)壓等措施無法很好的解決上述問題，于是該站采用了新一代動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器：MMC-STACOM。

圖1 變電站MMC-STATCOM 接線圖

1.2 MMC-STATCOM 主電路

如圖2所示為MMC-STATCOM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MMC 有6 個(gè)橋臂構(gòu)成，其中每個(gè)橋臂有若干個(gè)相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊（submodule，SM）與一個(gè)電抗器串聯(lián)構(gòu)成，上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元。6 個(gè)橋臂具有對(duì)稱性，各子模塊的電氣參數(shù)和橋臂電抗值都是相同的[6]。

圖2中右上部分為MMC 的一個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊有上下兩個(gè)IGBT 組成，D1，D2 為反并聯(lián)二極管。UC為子模塊的電容電壓，USM和iSM分別是子模塊的輸出電壓和電流。

由MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，在任意時(shí)刻，直流側(cè)電壓Udc由各相上、下橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊和兩電抗器LS共同承擔(dān)。即滿足：

圖2 MMC-STATCOM 主電路

式中，Udc為直流側(cè)母線電壓，ipx和inx分別是第x相上、下橋臂電流。其中x=a，b，c。理論上。理論上，MMC 中每相處于輸出狀態(tài)的子模塊個(gè)數(shù)恒定不變且為個(gè)數(shù)為該相子模塊數(shù)目的一半，即為n。若設(shè)Mx為x相上橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊數(shù)，Px相下橋臂中處于輸出狀態(tài)的子模塊數(shù)，則滿足

正常運(yùn)行過程中，MMC 三相之間能量分配的不均勻?qū)?huì)產(chǎn)生相間環(huán)流，設(shè)流過第x相的環(huán)流為izx，方向如圖所示。由于MMC 結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格對(duì)稱，可視為能量在上下橋臂均分，所以可以得出如下方程式，即

對(duì)x相列寫KVL 方程得

由上式可得

上式為MMC 輸出電壓的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過控制上、下橋臂的子模塊的投入狀態(tài)來輸出所需要的三相交流電壓。當(dāng)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略直流電壓的波動(dòng)和限流電感上的壓降，由其引起的誤差通過控制系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)節(jié)加以校正。

2 MMC-STATCOM 控制策略

MMC-STATCOM 開環(huán)調(diào)試運(yùn)行、恒無功運(yùn)行和電壓穩(wěn)定運(yùn)行3 種運(yùn)行方式，可以根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行選擇，其中，開環(huán)調(diào)試方式僅用于運(yùn)行前的調(diào)試，所以本文不做考慮[7-8]。

1）恒無功運(yùn)行方式：在恒無功運(yùn)行方式下，裝置將輸出恒定的無功功率，無功出力參考值可以從額定容性無功功率到額定感性無功功率之間任意設(shè)定。

2）電壓穩(wěn)定運(yùn)行方式：由于日負(fù)荷的變動(dòng)和電網(wǎng)其他因素的影響，系統(tǒng)電壓會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng)，由于STATCOM 裝置的自動(dòng)控制和快速響應(yīng)功能，因而在一定范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)和電壓水平的維持。

為了更好的對(duì)MMC-STATCOM 進(jìn)行控制，本文將控制策略分為三級(jí)：系統(tǒng)級(jí)控制、裝置級(jí)控制和器件級(jí)控制。

2.1 系統(tǒng)級(jí)控制策略

系統(tǒng)級(jí)控制層是整個(gè)MMC-STATCOM 控制系統(tǒng)中控制級(jí)別最高，負(fù)責(zé)接收調(diào)度中心的有功、無功類物里量整定值和調(diào)節(jié)信號(hào)作為調(diào)度控制指令，通過指令調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，產(chǎn)生所需要的無功類物理量參考值，并通過控制總線下發(fā)給裝置級(jí)控制層，同時(shí)向調(diào)度中心反饋有關(guān)運(yùn)行信息。當(dāng)STATCOM 處于電壓穩(wěn)定運(yùn)行方式時(shí)，MMC-STATCOM 以系統(tǒng)電壓作為控制目標(biāo)，通過改變自身的無功功率輸出使系統(tǒng)電壓在穩(wěn)定在誤差允許的范圍之內(nèi)；當(dāng)STATCOM 處于恒無功運(yùn)行方式時(shí)，采取遠(yuǎn)方通信接口接收調(diào)度中心或者AVC 主控單元的無功指令作為STATCOM 無功參考值。

2.2 裝置級(jí)控制策略

裝置級(jí)控制層是MMC-STATCOM 控制系統(tǒng)的核心控制層，是系統(tǒng)級(jí)控制層與器件級(jí)控制層之間的橋梁。裝置級(jí)控制層主要負(fù)責(zé)從系統(tǒng)級(jí)控制層接受有功、無功類指令參考值，通過裝置級(jí)控制層控制得到調(diào)制比M和移相角δ下發(fā)到器件級(jí)控制層，以獲得期望的電壓、潮流等運(yùn)行指標(biāo)?？刂撇呗灾饕ㄖ苯与娏骺刂坪烷g接電流控制等。

2.3 器件級(jí)控制策略

器件級(jí)控制層是MMC-STATCOM 控制系統(tǒng)中的最低控制層也叫做執(zhí)行控制層，主要對(duì)MMC 的開關(guān)器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各種指令的具體執(zhí)行和操作，該層接受裝置級(jí)控制層傳來的控制指令-調(diào)制比M和移相角δ，生成橋臂電壓參考值，通過調(diào)制產(chǎn)生PWM 觸發(fā)脈沖來控制開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，通過子模塊電容電壓平衡控制策略維持所有子模塊電容電壓的平衡并采取措施抑制相間環(huán)流?？刂撇呗灾饕ǎ簶虮垭妷簠⒖贾档纳?，調(diào)制策略的選擇，電容電壓平衡控制，相間環(huán)流抑制，故障保護(hù)控制等。

圖3 MMC-STATCOM 控制框圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

以上述提到的某變電站數(shù)據(jù)模型為依據(jù)，在電力系統(tǒng)分析綜合程序（CPSASP）中建立了MMC-STATCOM 的仿真控制模型，STATCOM 控制部分連接模擬的控制保護(hù)裝置。該控制保護(hù)裝置由系統(tǒng)控制模塊、裝置控制模塊、器件控制模塊和監(jiān)視模塊等組成。其中系統(tǒng)控制模塊主要負(fù)責(zé)MMC-STATCOM 的系統(tǒng)級(jí)控制策略，產(chǎn)生參考無功信號(hào)；裝置級(jí)控制模塊主要負(fù)責(zé)STATCOM 的裝置級(jí)控制，接受系統(tǒng)級(jí)模塊的指令，得到需要的調(diào)制波；器件控制模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)裝置級(jí)的指令和電容電壓平衡、相間環(huán)流指令綜合后生成PWM 調(diào)制信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷[9-10]。

3.1 電壓穩(wěn)定運(yùn)行控制

設(shè)定220kV 側(cè)母線電壓為主電壓控制目標(biāo)，驗(yàn)證STATCOM 在電壓穩(wěn)定控制模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，參照變電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以變電站內(nèi)電抗器和電容器的投切模擬電壓的波動(dòng)，CPSASP 試驗(yàn)中設(shè)定STATCOM 輸出無功功率限制在（-80，+80）MVA范圍內(nèi)變化。初始狀態(tài)時(shí)220kV 母線電壓為額定電壓220kV，經(jīng)過0.2s 后投入220kV 母線上的60Mvar。觀察MMC-STATCOM 投入和未投入時(shí)母線電壓的變化以及STATCOM 的輸出特性。

圖4（a）為MMC-STATCOM 投入前后220kV母線電壓仿真波形圖，從圖中可以看出，STATCOM投入時(shí)，由于電抗器的作用導(dǎo)致220kV 母線電壓跌落了大約10%，當(dāng)STATCOM 投入運(yùn)行時(shí)，由于STATCOM 能夠迅速的發(fā)出容性無功功率，減少母線電壓的跌落，從仿真圖中可以看出，母線電壓最終穩(wěn)定在209kV 附近，說明STATCOM 的投入很好的抑制了母線電壓的波動(dòng)。如圖4（b）、（c）所示為MMC-STATCOM 的輸出無功功率與三相輸出電流波形圖。根據(jù)圖4（b）可知，在經(jīng)過小幅度的超調(diào)之后，無功功率經(jīng)極短的響應(yīng)時(shí)間迅速穩(wěn)定下來。圖4（c）表明投入MMC-STATCOM 三相輸出電流波形質(zhì)量較好、諧波含量低，使用很小的濾波裝置即可有效的濾除諧波。

圖4 投入電抗器時(shí)電壓穩(wěn)定運(yùn)行控制仿真波形

將 0.2s 時(shí)投入的 60Mvar 電抗器改為投入60Mvar 電容器，可得到如圖5的仿真波形。如圖5（a）所示，為投入STATCOM 時(shí)，由于電容器的投入導(dǎo)致了 220kV 母線電壓上升了 10%。當(dāng)MMC-STATCOM 投入后迅速的釋放感性無功功率抑制電壓的上升，母線電壓最終穩(wěn)定在222kV 附近變化。圖5（a）、（b）分別給出了STATCOM 的輸出無功功率和三相電流的波形，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)，這是因?yàn)橛捎陔娙萜鞯耐肚袝r(shí)較大的電流變化率導(dǎo)致暫態(tài)過程電壓變化較大。

圖5 投入電容器時(shí)電壓穩(wěn)定運(yùn)行控制仿真波形

3.2 恒無功運(yùn)行控制

MMC-STATCOM 選擇恒無功控制方式，改變STATCOM 的無功參考值，觀察裝置輸出無功功率的準(zhǔn)確度及其相應(yīng)特性。仿真條件為：220kV 母線電壓為額定的電壓220kV。STATCOM 輸出無功功率限制在（-80，80）MV 范圍內(nèi)。0.2s 時(shí)無功參考值由+30Mvar 突變?yōu)?30Mvar。

如圖6（a）所示為STATCOM 輸出的有功和無功功率波形圖，從圖中可以看出STATCOM 能夠快速跟蹤無功變化，準(zhǔn)確的輸出相應(yīng)的無功功率，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。圖6（b）為STATCOM 的三相輸出電流波形，從圖中可知經(jīng)過短暫的波動(dòng)之后，三相輸出電流迅速處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖6（c）表明MMC-STATCOM 輸出無功的迅速變化，對(duì)母線電壓造成的影響較小，可以忽略不計(jì)。

圖6 恒無功功率控制仿真波形

4 結(jié)論

本文根據(jù)某變電站的實(shí)際運(yùn)行情況，研究和制定了基于模塊化多電平變換器的STATCOM 接入系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。根據(jù)該變電站的實(shí)際參數(shù)在PSASP 軟件中搭建了STATCOM 裝置的控制模型。PSASP 仿真分別驗(yàn)證了MMC-STATCOM 在恒電壓控制運(yùn)行方式和恒無功控制運(yùn)行方式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明，MMC-STATCOM 不僅能有效的解決沖擊性負(fù)荷對(duì)母線電壓造成的影響，保證母線電壓維持在正常水平，提高了電網(wǎng)電壓質(zhì)量，而且能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無功變化情況，動(dòng)態(tài)、快速、連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出。

[1] 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院.500kV 東莞站±200MVA STATCOM 系統(tǒng)PSCAD 仿真報(bào)告[R].廣州: 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院,2011.

[2] 陳閩江,陳陳,吳蓓,等.計(jì)及STATCOM 的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定概率評(píng)估[J].高電壓技術(shù),2010,36(4): 1032-1037.

[3] 黃劍.南方電網(wǎng)±200MVA 靜止同步補(bǔ)償裝置工程實(shí)踐[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2012,6(2): 14-20.

[4] 唐杰,王躍球,劉麗,等.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器新型雙閉環(huán)控制策略[J].高電壓技術(shù),2010,36(2): 495-500.

[5] 王成福,梁軍,張利,等.基于靜止同步補(bǔ)償器的風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(25): 23-28.

[6] 張振華.江道灼.基于模塊化多電平變流器的STATC()M 研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,32(2): 62-66.

[7] 胡應(yīng)宏,任佳佳,王建賾,等.級(jí)聯(lián)STATCOM 直流側(cè)電壓平衡控制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(11): 31-35.

[8] 王軒,熊超英,傅堅(jiān),等.鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)模型建模方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(9): 1-6.

[9] 王軒,林嘉揚(yáng).滕樂天,等.d_q_0 坐標(biāo)系下鏈?zhǔn)絊TATCOM 電流控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(15): 48-54.

[10] 許樹楷,陳名,傅闖,等.南方電網(wǎng)±200Mvar 靜止同步補(bǔ)償裝置系統(tǒng)調(diào)試[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2012,6(2): 21-25.