換相失敗下STATCOM助增暫態(tài)過電壓機(jī)理與優(yōu)化策略

梁卓航，時(shí)純，李巖松，劉君

( 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

0 引 言

我國(guó)能源負(fù)荷分布不均衡，基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電(line commutated converter high voltage direct current, LCC-HVDC)成為我國(guó)資源優(yōu)化配置的一項(xiàng)重要手段[1-2]，在我國(guó)得到迅猛發(fā)展與廣泛應(yīng)用。這種輸電方式能滿足我國(guó)大規(guī)模新能源發(fā)電集中外送的要求，也能提高輸送功率的穩(wěn)定性[3-6]。但隨著偏遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)電等新能源發(fā)電廠大規(guī)模地接入系統(tǒng)，LCC-HVDC送端往往為弱交流系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，短路容量小，無法對(duì)直流系統(tǒng)起到強(qiáng)有力的靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator, STATCOM)支撐作用，電網(wǎng)整體呈現(xiàn)出“強(qiáng)直弱交”的特性[7-8]。當(dāng)受端系統(tǒng)發(fā)生故障引發(fā)直流換相失敗時(shí)，送端系統(tǒng)也會(huì)受到?jīng)_擊，出現(xiàn)暫態(tài)過電壓等[9-10]。在我國(guó)西北地區(qū)，大量風(fēng)電場(chǎng)匯集在直流送端，而送端的暫態(tài)壓升可能會(huì)傳遞到近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，從而引發(fā)風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)等不良后果。

STATCOM具有可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)、無功輸出相當(dāng)于同容量靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator, SVC)的1.4～2.0倍等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)無功補(bǔ)償與電壓暫態(tài)穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能[11-12]。因此，STATCOM常用于送端換流站內(nèi)提供無功支撐，提高系統(tǒng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，改善LCC-HVDC運(yùn)行特性。

STATCOM輸出無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓變化是通過改變控制系統(tǒng)輸出指令實(shí)現(xiàn)的[13]，無可避免地存在一定的滯后延時(shí)。當(dāng)控制指令無法立即響應(yīng)電壓的迅速變化[14]時(shí)，STATCOM可能會(huì)助增系統(tǒng)的過電壓。文獻(xiàn)[15]提出直流發(fā)生換相失敗故障，會(huì)將能量傳遞到送端，破壞送端交流系統(tǒng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[16]提出弱送端系統(tǒng)在抵御直流系統(tǒng)帶來的擾動(dòng)時(shí)，抗干擾能力弱，送端母線會(huì)因無功過剩從而引起送端暫態(tài)過電壓。文獻(xiàn)[17]和[18]提出換相失敗下，STATCOM可能會(huì)助增過電壓，呈現(xiàn)電壓“反調(diào)”特性。文獻(xiàn)[19]對(duì)STATCOM控制器進(jìn)行了分析，但未對(duì)滯后效應(yīng)與響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)的分析推導(dǎo)。文獻(xiàn)[20]提出STATCOM在換相失敗下的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償性能不如大容量調(diào)相機(jī)，而未對(duì)STATCOM提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。同時(shí)，針對(duì)直流輸電系統(tǒng)中交流側(cè)暫態(tài)過電壓的抑制，學(xué)界也提出了一定的方法。一部分策略利用改變系統(tǒng)參數(shù)以抑制暫態(tài)過電壓，如文獻(xiàn)[21]提出了改進(jìn)整流站定電流控制器的時(shí)間常數(shù)以抑制暫態(tài)過電壓數(shù)值。文獻(xiàn)[22]與[23]則分別提出通過換相失敗期間逆變站主動(dòng)投旁通對(duì)，并調(diào)節(jié)直流電流指令以及在逆變站直流側(cè)出口增加直流斬波器降低暫態(tài)過電壓數(shù)值。另一部分策略則主要通過改進(jìn)無功補(bǔ)償裝置降低其對(duì)暫態(tài)過電壓的助增作用。如文獻(xiàn)[24]提出采用響應(yīng)速度較快的TCR型SVC裝置,故障時(shí)進(jìn)行緊急閉鎖以避免助增暫態(tài)過電壓。另一方面，對(duì)于小容量的無功補(bǔ)償裝置STATCOM，也曾提出采用雙閉環(huán)控制，即采用電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的方法降低其對(duì)暫態(tài)過電壓助增作用。但對(duì)大容量STATCOM助增暫態(tài)過電壓現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理分析及相應(yīng)策略改進(jìn)的文獻(xiàn)仍相對(duì)較少。顯然，STATCOM滯后特性不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[25]，因此，STATCOM滯后特性的研究及相應(yīng)優(yōu)化策略的提出具有十分重要的意義。

針對(duì)上述問題，文章首先詳細(xì)分析換相失敗下弱送端系統(tǒng)的電壓特性，揭示暫態(tài)壓升的產(chǎn)生機(jī)理；其次根據(jù)STATCOM的控制結(jié)構(gòu)，分析其頻率響應(yīng)特性，并揭示輸入信號(hào)頻率與響應(yīng)滯后時(shí)間之間的關(guān)系；最后針對(duì)STATCOM的滯后特性，提出一種基于阻尼投切的優(yōu)化策略，以抑制STATCOM對(duì)暫態(tài)過電壓的助增作用，并通過仿真驗(yàn)證優(yōu)化策略的有效性。

1 換相失敗對(duì)弱送端系統(tǒng)的影響

隨著邊遠(yuǎn)地區(qū)的光伏、風(fēng)電等新能源大規(guī)模接入系統(tǒng)，弱送端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力弱，無法強(qiáng)有力地支撐直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)越來越明顯。而由受端交流電網(wǎng)故障引發(fā)的直流系統(tǒng)換相失敗是LCC-HVDC中的常見故障，這種故障會(huì)引起對(duì)弱送端系統(tǒng)的沖擊，帶來暫態(tài)壓升等問題。這種暫態(tài)壓升可能會(huì)傳遞到近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，引發(fā)風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)。

在直流輸電系統(tǒng)中，換流站通常需要吸收一定的無功功率以維持正常運(yùn)行，這些無功一般由換流站附近的無功補(bǔ)償裝置提供。直流換相失敗后，常常伴隨著無功功率的急劇變化，這會(huì)對(duì)換流站電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[26]。

以直流標(biāo)準(zhǔn)模型為例，直流送受端在正常運(yùn)行時(shí)與交流系統(tǒng)交換的無功功率可通過式(1)—(6)計(jì)算得出：

(1)

(2)

Vdr-Vdi=RdId

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Vdor與Vdoi分別為整流側(cè)與逆變側(cè)空載直流電壓(r與i分別代表整流側(cè)與逆變側(cè)，下同)；Nr、Ni分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)6脈動(dòng)換流器個(gè)數(shù)；Tr、Ti分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)換流變壓器變比；Vr、Vi分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)換流母線電壓；Vdr、Vdi代表直流電壓；α代表整流側(cè)觸發(fā)角；β代表逆變側(cè)觸發(fā)角；Xcr、Xci分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)換相電抗；Rd、Id分別為直流線路電阻與直流電流；φr、φi分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)功率因數(shù)角；Pr、Pi代表對(duì)應(yīng)側(cè)直流功率；Br、Bi分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)濾波器電納；Qr、Qi分別代表對(duì)應(yīng)側(cè)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)交換的無功功率。

在暫態(tài)過程中，還需要以下方程描述直流線路的動(dòng)態(tài)過程：

(7)

式中：Lr、Li為平波器電抗；Ld為直流線路電感，暫態(tài)過程計(jì)算中使用式(7)代替式(3)。

當(dāng)受端(逆變端)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或發(fā)生故障，引發(fā)直流輸電系統(tǒng)換相失敗后，逆變側(cè)的直流電壓將會(huì)被限制在較低的水平。在低電壓限流功能(voltage dependent current order limit，VDCOL)的作用下，直流電流指令會(huì)被限制在最小值。為了將直流電流降低，控制系統(tǒng)將整流側(cè)的觸發(fā)角由正常運(yùn)行時(shí)的15°增大至130°左右。但由于控制系統(tǒng)存在的延時(shí)性，在觸發(fā)角增大的初期，直流電流Id仍會(huì)增大(原因：式(7)中有Vdi≈0、Vdr>0或Vdi>0、Vdr>0但有Vdi?Vdr)。此時(shí)，直流電流和整流觸發(fā)角均同時(shí)增加，整流端換流器將消耗大量無功功率(原因：式(5)中Vdr>0，Id?穩(wěn)態(tài)值，導(dǎo)致式(6)中Prtanφr很大)，從而導(dǎo)致交流系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率缺額，交流母線的電壓隨之降低。

當(dāng)整流側(cè)觸發(fā)角不斷增大時(shí)，直流電流Id達(dá)到最大值后將會(huì)迅速下降，隨著直流電流的迅速減小，整流側(cè)換流器消耗的無功功率也隨之迅速減小(原因：Id≈0，導(dǎo)致式(6)中Prtanφr接近于0)，此時(shí)濾波器發(fā)出的無功功率將出現(xiàn)剩余，并注入交流側(cè)電網(wǎng)，從而導(dǎo)致暫態(tài)過電壓出現(xiàn)[22]。

綜合上述分析，在直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后，送端交流母線電壓將呈現(xiàn)“先降低后升高”的特性，過高的電壓對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行將造成威脅。

2 STATCOM助增暫態(tài)過電壓機(jī)理分析

2.1 STATCOM基本原理

為改善LCC-HVDC弱送端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，提高其換相失敗下的抗干擾能力，換流站處通常會(huì)采取一定的無功補(bǔ)償措施。STATCOM采用大功率器件，能夠快速、平滑地實(shí)現(xiàn)無功從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，無功輸出相當(dāng)于同容量SVC的1.4～2.0倍，是一種快速的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其前景廣闊，發(fā)展至今已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用[27]。STATCOM等值電路如圖1所示。

由圖1可知，STATCOM發(fā)出的無功功率Qs為：

(8)

通過控制系統(tǒng)指令調(diào)整STATCOM輸出電壓UI，即可平滑地調(diào)節(jié)Qs的大小和方向，提高弱送端電壓穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2.2 STATCOM拓?fù)渑c控制結(jié)構(gòu)

STATCOM拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STATCOM拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu)

STATCOM經(jīng)變壓器并聯(lián)于送端換流站交流母線，用于控制送端交流母線電壓。其組成結(jié)構(gòu)包括直流電容、三相逆變橋和連接電抗3部分。STATCOM控制結(jié)構(gòu)包括測(cè)量濾波、超前滯后、比例積分和限幅環(huán)節(jié)。送端換流站交流母線電壓信號(hào)VT經(jīng)過測(cè)量濾波環(huán)節(jié)與電壓參考值做差得到電壓偏差，電壓偏差經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)與比例積分環(huán)節(jié)并限幅后，輸出移相角δ，δ經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)環(huán)節(jié)生成逆變器各橋臂上觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)STATCOM對(duì)送端換流站的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?？刂平Y(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示。

表1 控制結(jié)構(gòu)典型參數(shù)

2.3 STATCOM滯后特性及助增過電壓機(jī)理分析

由于兩個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)相等，為方便后續(xù)計(jì)算，將T4、T5用T2、T3表示，則控制結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

(9)

式中：s為拉普拉斯變換因子。

典型參數(shù)下的STATCOM控制結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)Bode圖的相頻特性曲線如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)Bode圖

由圖3可知，控制系統(tǒng)在不同頻段下均呈現(xiàn)出負(fù)相頻特性。對(duì)于不同頻率的正弦輸入信號(hào)，該控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的滯后效應(yīng)。

為分析滯后時(shí)間與輸入信號(hào)頻率的關(guān)系，以頻率為自變量分析控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，如式(10)所示：

(10)

式中：f為輸入信號(hào)頻率； j為虛數(shù)單位；T1、T2、T3為控制系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，如表1所示；KP為控制系統(tǒng)比例常數(shù)，如表1所示。

則滯后相位φ為：

(11)

則不同頻率的輸入信號(hào)在控制系統(tǒng)作用下的滯后時(shí)間Δt為：

(12)

為更加直觀地表示滯后時(shí)間與輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系，典型參數(shù)下(取k=3時(shí))的輸入信號(hào)頻率與控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后時(shí)間之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，輸入信號(hào)頻率越低，STATCOM控制環(huán)節(jié)響應(yīng)滯后時(shí)間越長(zhǎng)。

對(duì)發(fā)生換相失敗時(shí)送端交流母線的“先低后高”型暫態(tài)過電壓進(jìn)行傅里葉頻譜分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，“先低后高”型電壓諧波分量主要集中于低頻段，結(jié)合圖4可知，當(dāng)此電壓信號(hào)作為輸入信號(hào)輸入至STATCOM控制系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)響應(yīng)的滯后。

圖4 響應(yīng)滯后時(shí)間隨輸入信號(hào)頻率變化趨勢(shì)圖

圖5 送端交流母線電壓傅里葉頻譜分析結(jié)果

根據(jù)2.1節(jié)內(nèi)容，直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后，當(dāng)電壓處于下降階段時(shí)，STATCOM在控制系統(tǒng)指令下發(fā)出無功進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)電壓開始恢復(fù)并處于上升階段時(shí)，控制環(huán)節(jié)的滯后導(dǎo)致STATCOM無法立即響應(yīng)電壓變化，仍向換流站輸出無功功率，從而對(duì)換流站處的暫態(tài)過電壓產(chǎn)生了助增作用。

2.4 STATCOM助增過電壓現(xiàn)象發(fā)生邊界分析

為提高工程應(yīng)用價(jià)值，有必要對(duì)STATCOM助增過電壓現(xiàn)象發(fā)生邊界進(jìn)行分析。一般而言，暫態(tài)過電壓的數(shù)值大小與相連交流系統(tǒng)的強(qiáng)度有關(guān)。在工程中，常用短路比 (short circuit ratio，SCR)來衡量與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱，本文用Ksc表示短路比。對(duì)于單饋入交直流系統(tǒng)而言，Ksc的計(jì)算公式如下：

(13)

式中：Sac為交流系統(tǒng)短路容量；PdN為直流系統(tǒng)容量；UN為換流變壓器網(wǎng)側(cè)額定電壓有效值；Zac為交流系統(tǒng)等值阻抗。Ksc越大，則|Zac|越小，證明交流系統(tǒng)越強(qiáng)， 換流站母線電壓對(duì)外部注入功率的變化越不敏感。一般在分類時(shí)，Ksc≥3的系統(tǒng)稱為強(qiáng)系統(tǒng)，2

圖6展示了送端系統(tǒng)Ksc為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5，受端系統(tǒng)Ksc為2.5時(shí)，逆變側(cè)發(fā)生換相失敗后裝有STATCOM的整流側(cè)母線電壓變化情況。

圖6 不同送端SCR交流母線暫態(tài)過電壓示意圖

從圖6中可以看到，隨著Ksc的增大，換流站母線電壓的最大值也在下降，也即隨著與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)短路比的增大，整流側(cè)的暫態(tài)過電壓嚴(yán)重程度顯著下降。

圖7展示了當(dāng)送受端均為弱系統(tǒng)(送受端Ksc=2.5)以及送受端有一端為強(qiáng)系統(tǒng)(送端Ksc=4.0，受端Ksc=2.5，反之亦然)時(shí)的電壓變化情況。

圖7 不同送受端SCR整流側(cè)交流母線暫態(tài)過電壓示意圖

從圖7仿真結(jié)果可以得出，當(dāng)送受端有一端為強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)，STATCOM助增暫態(tài)過電壓的現(xiàn)象均會(huì)得到較大幅度削弱。因此，對(duì)加裝于送受端均為弱系統(tǒng)的STATCOM裝置提出相應(yīng)策略，抑制其對(duì)暫態(tài)過電壓的助增作用是有必要的。

3 基于直流阻尼投切的STATCOM優(yōu)化策略及驗(yàn)證

3.1 基于直流阻尼投切的STATCOM優(yōu)化策略

由于控制系統(tǒng)的固有滯后特性，當(dāng)STATCOM用于弱送端系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其補(bǔ)償效果欠佳，還會(huì)出現(xiàn)無功電壓反調(diào)現(xiàn)象，助增暫態(tài)過電壓數(shù)值。因此本文提出了一種針對(duì)STATCOM用于弱送端系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)的優(yōu)化策略，以改善STATCOM性能。

由式(8)可知，在穩(wěn)態(tài)過程中，UI≈Us，STATCOM發(fā)出的無功約為0；在暫態(tài)過程中，由于母線電壓的跌落，UI

STATCOM采用PWM方式產(chǎn)生觸發(fā)脈沖時(shí)，其輸出電壓UI與逆變橋直流側(cè)電壓Udc的關(guān)系為：

(14)

式中：m為PWM調(diào)制比。

將式(14)代入式(8)得：

(15)

降低調(diào)制比m與直流側(cè)電壓Udc均可使Qs減小，但由于調(diào)制比m是由控制系統(tǒng)響應(yīng)改變的，具有滯后性，因此，暫態(tài)過程中可以減小直流電壓Udc來降低系統(tǒng)吸收的無功功率。

由于直流電壓Udc的減小可以通過直流電容串聯(lián)阻尼的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，基于此，文章提出一種基于阻尼投切的策略對(duì)STATCOM滯后特性進(jìn)行優(yōu)化，在STATCOM助增暫態(tài)過電壓的暫態(tài)過程中，短時(shí)投入阻尼引起Udc驟降，從而降低STATCOM輸出電壓UI，減少STATCOM發(fā)出的無功功率，其優(yōu)化策略結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 基于阻尼投切的STATCOM優(yōu)化策略結(jié)構(gòu)

圖中，R為直流阻尼，S為直流阻尼投切裝置，正常運(yùn)行期間，S閉合，阻尼被短路；過電壓期間，S斷開以投入阻尼。控制阻尼投切的基本環(huán)節(jié)如圖9所示。

圖9 阻尼投切控制環(huán)節(jié)示意圖

控制環(huán)節(jié)工作的原理如下：當(dāng)檢測(cè)到STATCOM接入點(diǎn)電壓USTATCOM低于Umin時(shí)，按一定時(shí)間延遲多次采樣系統(tǒng)電壓，若電壓數(shù)值采樣效果持續(xù)遞減，可判斷電壓跌落條件成立，系統(tǒng)發(fā)生故障，滿足直流阻尼投入初步條件。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電壓數(shù)值處于上升狀態(tài)且大于一定數(shù)值時(shí)，直流阻尼投入策略生效，投入直流阻尼抑制STATCOM發(fā)出的無功功率。在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后斷開直流阻尼，使得STATCOM繼續(xù)正常運(yùn)行。

STATCOM發(fā)出的無功可通過式(8)計(jì)算,為將暫態(tài)過電壓降低到電力系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，STATCOM發(fā)出的無功功率與其額定無功功率QN有：

Qs=KQN

(16)

式中： 0

對(duì)于采用PWM方式產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的STATCOM來說，存在式(14)的關(guān)系，故聯(lián)立式(8)、(14)、(16),得到STATCOM逆變側(cè)直流電壓Udc為：

(17)

直流阻尼上應(yīng)分得的電壓可通過式(18)計(jì)算：

UR=UC-Udc

(18)

式中：UR為直流阻尼兩端電壓；UC為直流電容兩端電壓。配合STATCOM工作時(shí)逆變橋側(cè)直流電流值Idc即可求得所需阻尼參數(shù)范圍。本仿真模型中直流電容大小為3 000 μF?；谏鲜隼碚撚?jì)算結(jié)果，本文采用的阻尼阻值為100 Ω。

3.2 仿真驗(yàn)證

文章基于CIGRE-HVDC模型，在PSCAD仿真軟件中搭建交直流互聯(lián)系統(tǒng)，其中送受端均為短路比為2.5的弱交流系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的額定電壓為±500 kV，額定容量為1 000 MW，送端與受端交流母線電壓分別為345 kV和230 kV。兩側(cè)換流站裝有交流濾波器。在送端交流母線處并聯(lián)容量為500 MV·A的STATCOM提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，STATCOM電壓控制點(diǎn)為送端換流站交流母線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 仿真電路結(jié)構(gòu)

3.2.1 單相接地仿真驗(yàn)證

受端交流母線第3 s單相接地故障，導(dǎo)致直流換相失敗，0.05 s后清除故障。故障發(fā)生期間，逆變側(cè)換流閥γ的波形如圖11所示。

圖11 逆變側(cè)γ波形

由圖11可知，逆變角γ在故障發(fā)生后，降低到0°，直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。

對(duì)基于阻尼投切的STATCOM滯后特性優(yōu)化策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，優(yōu)化策略前后控制點(diǎn)母線電壓和STATCOM發(fā)出的無功功率對(duì)比分別如圖12 (a)、(b)所示，運(yùn)行過程中控制阻尼投切的斷路器信號(hào)變化示意圖如圖13所示，暫態(tài)壓升及電壓下降時(shí)間等詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖12 優(yōu)化前后對(duì)比

圖13 阻尼投切信號(hào)示意圖

從圖13中可以看出，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，與阻尼并聯(lián)的斷路器S處于閉合狀態(tài)，阻尼未投入使用，對(duì)應(yīng)的斷路器控制信號(hào)為低電平值。在故障發(fā)生后，阻尼投入，抑制系統(tǒng)吸收無功，相應(yīng)的控制信號(hào)值變?yōu)楦唠娖?，并在投?0 ms后重新斷開，證明阻尼投切控制環(huán)節(jié)按照設(shè)定的邏輯正常工作。由表2可知，在優(yōu)化策略下，暫態(tài)壓升由0.177 pu下降至0.034 pu；控制點(diǎn)電壓下降時(shí)間由3.112 s提前至3.071 s。STATCOM發(fā)出無功量最大值下降了417.6 MV·A。

表2 對(duì)比量詳細(xì)數(shù)據(jù)

3.2.2 三相接地仿真驗(yàn)證

受端交流母線第3 s發(fā)生三相接地故障，導(dǎo)致直流換相失敗，0.05 s后清除故障。優(yōu)化策略前后控制點(diǎn)母線電壓數(shù)值與系統(tǒng)吸收無功對(duì)比分別如圖14 (a)、(b)所示。暫態(tài)壓升與電壓下降等數(shù)據(jù)則如表3所示。

圖14 三相接地故障時(shí)優(yōu)化前后對(duì)比

表3 三相接地故障時(shí)對(duì)比量詳細(xì)數(shù)據(jù)

在三相接地故障情況下，通過優(yōu)化策略，暫態(tài)壓升由0.191 pu下降至0.072 pu；控制點(diǎn)電壓下降時(shí)間由3.081 s提前至3.071 s。STATCOM發(fā)出無功量最大值下降了415.8 MV·A。

綜上，基于阻尼投切的優(yōu)化策略不僅能夠抑制STATCOM在弱系統(tǒng)下對(duì)暫態(tài)過電壓的助增作用，有效減少送端過電壓時(shí)間，而且可以及時(shí)減少STATCOM在暫態(tài)過電壓期間發(fā)出的無功功率，提升了送端電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，有利于HVDC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)受端交流電網(wǎng)故障引發(fā)直流系統(tǒng)換相失敗時(shí)，弱送端系統(tǒng)不能合理消納盈余的無功，其交流電壓先低后高，會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象；

2)STATCOM利用控制系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)電壓變化，文章分析了STATCOM控制系統(tǒng)在各個(gè)頻段下的頻率特性響應(yīng)，揭示了控制系統(tǒng)輸入信號(hào)頻率與控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后時(shí)間之間的關(guān)系，得出隨控制系統(tǒng)輸入信號(hào)頻率降低，其響應(yīng)滯后時(shí)間增加的結(jié)論；

3)文章提出了一種基于直流阻尼投切的STATCOM優(yōu)化策略：在暫態(tài)過電壓期間，投入直流阻尼，通過減小STATCOM直流側(cè)電壓來降低輸出的逆變電壓，從而減少STATCOM發(fā)出的無功功率，抑制其對(duì)暫態(tài)過電壓的助增作用。最后，基于CIGRE直流輸電模型，通過仿真驗(yàn)證了在換相失敗情況下，基于阻尼投切的優(yōu)化策略對(duì)抑制弱系統(tǒng)STATCOM助增暫態(tài)過電壓的有效性。