±100 Mvar高壓STATCOM直接電流分相諧振控制參數(shù)整定方法及RTDS仿真實(shí)驗(yàn)

張 揚(yáng)，常 亮，楊小品

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±100 Mvar高壓STATCOM直接電流分相諧振控制參數(shù)整定方法及RTDS仿真實(shí)驗(yàn)

張 揚(yáng)1,2，常 亮2，楊小品1

(1.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

高壓直流輸電換流站采用的是±100 Mvar等級(jí)高壓STATCOM，對(duì)可靠性要求較高，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較高的響應(yīng)速度來(lái)應(yīng)對(duì)金屬性接地故障等極限工況。提出了基于直接電流的分相諧振控制策略，并首次完整地提出了適用于高壓STATCOM的參數(shù)整定方法。按照該方法設(shè)計(jì)了南網(wǎng)富寧-廣西直流換流站±100 Mvar的控制參數(shù)，并通過(guò)RTDS硬件在環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該參數(shù)整定方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和金屬性接地故障穿越。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的直接電流分相諧振控制參數(shù)整定方法完全滿足±100 Mvar等級(jí)高壓STATCOM的工程需要。

參數(shù)整定；直接電流控制；分相控制；諧振控制；RTDS試驗(yàn)；高壓STATCOM

0 引言

高壓直流輸電是電力遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹饕绞街?。但以晶閘管為換流器件的直流輸電中，無(wú)功率因數(shù)校正的換流變壓器會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，給線路的安全可靠性造成了不利影響[1]。因此，直流輸電換流站往往需要采取無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率。常規(guī)換流站較常采用的是分組投切電容器的補(bǔ)償方式，如哈密-鄭州直流工程、貴廣二回直流工程[2]和糯扎渡-溪洛渡直流工程等都采用這種方式。但是，該方式存在補(bǔ)償方式固定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差等缺點(diǎn)。因此，南網(wǎng)富寧-廣西直流輸電工程中，采用了目前國(guó)內(nèi)單臺(tái)容量最大的±100 Mvar高壓STATCOM[3]。

與應(yīng)用到配電網(wǎng)的小容量高壓STATCOM不同，大容量高壓STATCOM需要具有極強(qiáng)的可靠性。這體現(xiàn)了兩個(gè)方面的要求：一是控制系統(tǒng)自身必須可靠；二是在輸電系統(tǒng)發(fā)生故障，例如金屬性接地故障時(shí)必須能夠有效地支撐電網(wǎng)。這就需要對(duì)控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。高壓STATCOM的控制方法主要有兩大類(lèi)，一是間接電流控制方法[3-4]，如電網(wǎng)電壓定向矢量控制和功率定向的矢量控制[5]等。其能夠?qū)τ泄﹄娏骱蜔o(wú)功電流實(shí)現(xiàn)解耦，控制器參數(shù)整定較容易，但由于采用了坐標(biāo)變換，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。二是直接電流控制，其響應(yīng)速度較快。但是有功電流與無(wú)功電流存在強(qiáng)耦合，目前缺乏工程實(shí)用的高壓STATCOM參數(shù)整定方法。大容量高壓STATCOM需要考慮接地故障穿越，因此對(duì)無(wú)功階躍響應(yīng)速度要求較高，一般在30 ms以內(nèi)，因此本文采用直接電流控制。

本文基于直接電流控制的分相控制策略，提出其參數(shù)整定方法。通過(guò)RTDS硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證了在階躍響應(yīng)下和單相金屬性接地故障下的控制性能，證明了該策略滿足高壓STATCOM應(yīng)用于直流輸電換流站中的所有工況。RTDS是目前世界上最先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，可以與控制硬件通過(guò)Aurora等協(xié)議物理連接，被廣泛地采用到超高壓直流輸電試驗(yàn)中。目前幾乎所有的直流工程都必須通過(guò)RTDS實(shí)驗(yàn)才能通過(guò)控制系統(tǒng)的驗(yàn)收。

1 高壓大容量STATCOM的分相策略

高壓STATCOM一般采用的是級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)。對(duì)于±100 Mvar容量來(lái)說(shuō)，一般采用三角形接線方式，也即將換流鏈?zhǔn)孜蚕噙B，從而得到主回路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 高壓大容量STATCOM主回路拓?fù)?/p>

1.1 三角形接線下的三相獨(dú)立性分析

三角形拓?fù)涞刃щ娐啡鐖D2所示[6]。、、是高壓STATCOM所在電網(wǎng)接入點(diǎn)的三相線電壓；、、是逆變器換流鏈的逆變電壓。、、是換流鏈的電流，是電抗器的電感，是電抗器的等效電阻。

圖2 三角形接線下的STATCOM等效電路

由基爾霍夫定理，可得

考慮到在正常工作時(shí)，直流電壓的目標(biāo)值是一致的，以AB換流鏈為例，則有每個(gè)模塊的目標(biāo)直流電壓必須滿足：

(2)

依次類(lèi)推，對(duì)于三相換流鏈，其功率方程為

(4)

由式(4)可以得出，三角形連接的三相換流鏈之間完全獨(dú)立，因此可以進(jìn)行分相控制。

1.2 分相控制的設(shè)計(jì)

采用矩陣形式整理式(1)和式(4)，可得

由此，可得

因此，分相控制的整體控制框圖如圖3所示。

圖3 STATCOM分相控制框圖

2 諧振控制器的設(shè)計(jì)

圖3中的控制器，在文獻(xiàn)中采用的是PI調(diào)節(jié)器[7]，但是該調(diào)節(jié)器在交流下存在靜差。本文采用的是諧振控制器，諧振頻率定為50 Hz，其具有在基波上的最大增益。本文研究該控制器在高壓大容量STATCOM中的設(shè)計(jì)方法。

2.1 比例諧振控制器和準(zhǔn)比例諧振控制器

比例諧振控制器，即PR調(diào)節(jié)控制器，由比例環(huán)節(jié)和諧振環(huán)節(jié)組成，可對(duì)正弦量實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制。理想PR控制器的傳遞函數(shù)如式(7)所示。

理想比例諧振控制器在特定頻率上有極高的增益，但是通帶頻率很窄，如圖4(a)。而實(shí)際工程存在擾動(dòng)，因此理想比例諧振控制器無(wú)法適用。

準(zhǔn)比例諧振控制器的傳遞函數(shù)為

圖4 50 Hz下的比例控制器的伯德圖

Fig. 4 Bode graph of PR control loop under 50 Hz

2.2 高壓STATCOM電流跟蹤控制的傳遞函數(shù)

如圖3所示，準(zhǔn)比例諧振控制器在高壓STATCOM中應(yīng)用于電流的跟蹤控制中。則以AB換流鏈為例，電流控制環(huán)可以等效為圖5。

(9)

忽略系統(tǒng)損耗(電阻部分)、低通濾波器與控制延時(shí)環(huán)節(jié)的影響，則系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

則增益為

(12)

2.3 參數(shù)整定方法

高壓STATCOM的無(wú)功電流主要是指基波電流(50 Hz)，對(duì)應(yīng)。響應(yīng)速度在10 ms附近較為合適，因此電流環(huán)截止頻率應(yīng)在100 Hz附近。在該頻帶內(nèi)，諧振控制器的增益很小，可以忽略，因此將式(10)的諧振項(xiàng)忽略，可得

(14)

準(zhǔn)比例諧振允許一定的穩(wěn)態(tài)誤差，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/DW241《靜止同步補(bǔ)償器》，控制精度一般要在2.5%以內(nèi)。設(shè)允許誤差為(0<<1)，則根據(jù)式(12)，則令：

2.4 誤差分析

根據(jù)控制環(huán)路的穩(wěn)定性-相位裕度，忽略低通濾波器和采樣引起的相位延時(shí)，式(10)中是積分環(huán)節(jié)，具有90°的相移，令可得

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

以南網(wǎng)富寧-廣西直流輸電工程觀音巖換流站±100 Mvar高壓STATCOM為例，其參數(shù)如表1所示。

如圖6所示，短路點(diǎn)在500 kV附近。高壓STATCOM經(jīng)過(guò)一個(gè)500 kV/35 kV變壓器接入到電網(wǎng)中。

根據(jù)式(14)，可以計(jì)算出：

根據(jù)式(15)，可以計(jì)算出：

如果模擬量采集和控制采用標(biāo)幺值(電流峰值1 346 A對(duì)應(yīng)為1)進(jìn)行采樣和控制，則該參數(shù)需要乘以134 6。則此時(shí)標(biāo)幺化參數(shù)，。

因此，控制參數(shù)整定為表2。

圖6 100 Mvar高壓STATCOM系統(tǒng)仿真圖

表1 ±100 Mvar高壓STATCOM系統(tǒng)參數(shù)

注：① 對(duì)應(yīng)、、； ② 對(duì)應(yīng)、、。

表2 控制環(huán)參數(shù)

采用RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真[8]，RTDS模擬主回路部分，控制部分采用實(shí)際的物理控制器，這種仿真方式為硬件在環(huán)仿真(Hardware In Loop，HIL)。

如圖7和圖8所示，第一行是以500 kV的峰值標(biāo)幺的三相電網(wǎng)電壓，第二行是以35 kV的峰值標(biāo)幺的換流鏈電壓，第三行是以35 kV的峰值標(biāo)幺的電網(wǎng)電壓，第四行是以100 Mvar標(biāo)幺的功率，第五行是以額定電流標(biāo)幺的STATCOM電流，第六行為三相的直流電壓(有名值，單位kV)。圖7在階躍響應(yīng)測(cè)試仿真的結(jié)果表明，在0.8 s附近，功率從0.3 p.u.階躍到1.3 p.u.(過(guò)載1.3倍)，參考第四行功率的圖，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企標(biāo)，階躍響應(yīng)的定義為：到目標(biāo)值的90%所用的時(shí)間，因此響應(yīng)時(shí)間在10 ms左右。因此控制環(huán)參數(shù)滿足系統(tǒng)響應(yīng)的要求。

圖7 階躍響應(yīng)測(cè)試

如圖8所示，在發(fā)生單相金屬性接地故障后，一相電壓幾乎為0，而電流仍可支撐，且直流電壓仍然穩(wěn)定，因此，該控制參數(shù)也能很好地適應(yīng)金屬性接地故障等極限情況。

圖8 單相金屬性故障接地短路故障

4 結(jié)論

本文針對(duì)工程實(shí)際的需要，首次系統(tǒng)地提出了采用分相諧振控制策略下的參數(shù)整定方法，分析了分相控制在高壓STATCOM下的可行性，并推導(dǎo)出電流跟蹤控制環(huán)的控制框圖。在該框圖的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了高壓STATCOM的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到了其增益計(jì)算公式。根據(jù)典型I階系統(tǒng)的常用整定方法得到了比例諧振控制器的控制參數(shù)p，并根據(jù)增益誤差小于1%的原則，推導(dǎo)出了控制參數(shù)r。

最后，按照南方電網(wǎng)觀音巖直流換流站的實(shí)際需要，搭建了RTDS仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了本文提出的控制器設(shè)計(jì)以及參數(shù)整定方法。仿真表明，該方法滿足無(wú)功功率階躍響應(yīng)時(shí)間在10 ms附近的要求，并且在發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，仍然能夠正常運(yùn)行。

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(編輯 魏小麗)

Parameters setting on independent phase resonant control of STATCOM under higher voltage and RTDS simulation experiment

ZHANG Yang1, 2, CHANG Liang2, YANG Xiaopin1

(1. Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China;2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

HVDC Transaction station usually equips higher voltage level of ± 100 Mvar STATCOM for higher reliability. Thus, control system needs a faster response to deal with metallic ground fault and other extreme conditions. This paper involves a method which depends on independent phase control (IPC) of direct current control (DCC) and parameter settings for STATCOM under higher voltage. According to Funing to Guangxi Transaction Station of China Southern Power Grid, the control parameters are calculated. RTDS hardware in the loop test verifies the dynamic response of the control strategy and metallic ground fault through. Experimental results indicate that the proposed phase resonant DC current control strategy to meet the engineering needs of STATCOM ± 100 Mvar level voltage. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2012AA050206) and National Natural Science Foundation of China (No. 51567018).

parameters setting; direct current control (DCC); independent phase control (IPC); resonant control (RC); RTDS experiment; STATCOM under higher voltage

10.7667/PSPC151554

國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2012AA050206)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51567018)

2015-09-01；

2015-11-04

張 揚(yáng)(1985-)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)的建模與控制，微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模與控制；E-mail: rxzhangyang@foxmail.com 常 亮(1979-)，男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)，微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)。