葉 慧 ，吳 熙 ，桂國亮

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.安徽省電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601）

STATCOM是一種并聯(lián)型的無功補償裝置，是FACTS（Flexible AC Transmission Systems,靈活交流輸電系統(tǒng)）家族的重要成員，具有體積小、容量大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。STATCOM通常用來改善動態(tài)電壓性能，增強(qiáng)電力系統(tǒng)電壓的控制能力[1，2]。而通過安裝STATCOM的附加阻尼控制器可以增加系統(tǒng)阻尼，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩[3，4]。但在某些運行條件及系統(tǒng)參數(shù)下，常規(guī)的阻尼控制可能失效甚至使STATCOM向系統(tǒng)提供負(fù)阻尼[5]。因此，有必要對STATCOM穩(wěn)定可靠的發(fā)揮功能阻尼區(qū)域間振蕩進(jìn)行研究。

設(shè)計并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制器來抑制低頻振蕩。首先比較傳統(tǒng)的STATCOM附加阻尼控制器采用幾種常用附加控制信號時抑制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線低頻振蕩的效果，判斷不同附加控制信號的阻尼特性以及對系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的適應(yīng)性。針對傳統(tǒng)STATCOM附加阻尼控制器的負(fù)阻尼或阻尼比提升水平不佳問題，選取2種合適的輸入信號作為控制信號，設(shè)計并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制器來抑制低頻振蕩。在四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)中的仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的STATCOM附加阻尼控制，并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制更好地提升系統(tǒng)阻尼，在系統(tǒng)運行方式變化的時候魯棒性會更強(qiáng)。

1 原理

STATCOM通過向系統(tǒng)提供無功補償電流從而調(diào)整輸電線路的無功功率，維持或改變接入點的電壓。將STATCOM作為可控的電流源，這樣能較準(zhǔn)確地描述STATCOM[6]的特性,同時也可簡化STATCOM與系統(tǒng)的接口。利用STATCOM的附加阻尼控制，通過調(diào)節(jié)輸出的無功補償電流可以實現(xiàn)阻尼控制[3]。

為簡單起見，選用單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并作如下假設(shè)：（1）發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型；（2） 發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率 Pm恒定；（3）STATCOM等效為可控?zé)o功電流源。系統(tǒng)圖及其參數(shù)見圖1。

圖1 單機(jī)無窮大系統(tǒng)

圖1中STATCOM將中點電壓調(diào)節(jié)到Vm，其輸出的無功電流為Is。為簡單起見，設(shè)|E'|=|Vb|=1?？梢郧蟪鯯TATCOM接入后發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe，如：

在穩(wěn)態(tài)工況及Δω很小時，ΔPe≈ΔTe，電磁力矩ΔTe可表示為：

中點電壓在平衡點處展開，有：

如果STATCOM進(jìn)行純電壓控制且作用足夠強(qiáng)，使得Vm為常數(shù)，即ΔVm=0，則：

代入式（4）可得：

純電壓控制只能增加與Δδ分量相關(guān)的同步力矩系數(shù)Ke，影響振蕩頻率，對與Δω分量相關(guān)的電氣阻尼力矩系數(shù)De沒有貢獻(xiàn)。

如果允許對輸出無功電流Is隨 Δω變化進(jìn)行調(diào)制便可以對系統(tǒng)阻尼作出貢獻(xiàn)。取ΔIs=KΔω，K為常數(shù)。那么電磁力矩可表示為：

對比式（5）和式（6），可以看到配置 STATCOM的附加阻尼控制，對STATCOM輸出無功電流隨Δω變化進(jìn)行調(diào)制后，使電磁力矩中增加一個和速度增量Δω成比例的正阻尼力矩成分De2Δω，提升了系統(tǒng)抑制低頻振蕩的能力。以上在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中對STATCOM的附加阻尼控制抑制低頻振蕩的基本原理進(jìn)行了推導(dǎo)，并且做了部分簡化假設(shè)，但是同樣適用于實際多機(jī)系統(tǒng)。

2 STATCOM不同附加控制信號阻尼效果比較

STATCOM附加阻尼控制器通過引入反映系統(tǒng)振蕩的變量來增加系統(tǒng)阻尼，選擇合適的附加控制信號是影響其阻尼效果的關(guān)鍵因素。一般線路有功功率P、線路電流幅值Im、線路有功電流分量Ia和區(qū)域慣量中心角頻率ω都可作為STATCOM附加阻尼控制的輸入信號。且分別采用以上4種附加控制信號，改變系統(tǒng)運行方式，通過小擾動分析比較采用不同附加控制信號時STATCOM附加阻尼控制的阻尼特性。

選擇如圖2所示的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)[7]作為仿真驗證系統(tǒng)。STATCOM安裝于兩區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的中間母線bus8處。

圖2 四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)

在區(qū)域一向區(qū)域二輸送200 MW有功功率的運行方式下，對考察系統(tǒng)進(jìn)行小擾動穩(wěn)定分析，得到此時該系統(tǒng)的特征根，如表1所示。

表1 系統(tǒng)低頻振蕩特征根

根據(jù)特征根的模態(tài)結(jié)果，序號（2），（3）振蕩模式分別是發(fā)電機(jī)1，2和3，4的區(qū)域內(nèi)振蕩模式；而序號（1）則是發(fā)電機(jī)1，2和3，4之間的區(qū)域間振蕩模式。對于區(qū)域內(nèi)振蕩模式（2）和（3），可以通過配置PSS來解決。對于區(qū)域間振蕩模式（1），則需要利用STATCOM的附加阻尼控制進(jìn)行抑制。STATCOM附加阻尼控制的傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 STATCOM附加阻尼控制的傳遞函數(shù)

附加控制信號首先通過隔直環(huán)節(jié)隔直，然后經(jīng)過2級的超前滯后環(huán)節(jié)最終調(diào)制STATCOM的母線注入電流Is。其中部分參數(shù)設(shè)為KR＝1，Kp＝10，KI＝10，TR＝0.02，Tw＝5，ITmax＝3，ITmin＝-3。 附加控制器超前滯后環(huán)節(jié)參數(shù)應(yīng)用相角補償原理[8]進(jìn)行設(shè)計，采用不同附加輸入信號時控制器參數(shù)并不相同，具體參數(shù)如表2所示。

表2 不同附加輸入信號控制器參數(shù)

以上參數(shù)在特定的運行方式下進(jìn)行設(shè)計，但是區(qū)域聯(lián)絡(luò)線傳輸功率是不斷變化的，甚至可能出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線潮流反向的極端情況。改變系統(tǒng)的運行方式，保持控制器的參數(shù)不變，考察不同附加控制信號對各種運行方式的適應(yīng)性。設(shè)置運行方式1下區(qū)域一向區(qū)域二輸送250 MW有功功率，運行方式2下區(qū)域一向區(qū)域二輸送200 MW有功功率，運行方式3下區(qū)域一向區(qū)域二輸送100 MW有功功率，運行方式4下區(qū)域一向區(qū)域二輸送-200 MW有功功率。4種運行方式下特征根變化情況如表3所示。

表3 4種運行方式下區(qū)域間振蕩模式變化情況

由表3可見，系統(tǒng)運行方式變化時，采用同組參數(shù)設(shè)置，與線路電流有功分量Ia、慣量中心角頻率ω相比，線路有功功率P、線路電流幅值Im阻尼效果變化較小，相對穩(wěn)定。聯(lián)絡(luò)線潮流反向后，僅線路電流幅值Im作為附加控制信號仍能夠提供正阻尼。

從易于測量和對運行方式的魯棒性角度考慮，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線潮流正向變化時，有功功率P可作為合適的附加控制信號，但對于可能出現(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線潮流反向這一極端情況，會產(chǎn)生負(fù)阻尼作用。線路電流幅值Im為控制信號可避免上述負(fù)阻尼問題，但阻尼比提升水平卻相對較低。單一的以P或Im作為輸入信號都有不足之處，設(shè)計一種并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制器，聯(lián)絡(luò)線潮流正向變化時，將線路的有功功率P和線路電流幅值Im同時作為輸入信號，更好地提升系統(tǒng)阻尼。線路功率方向判斷器判斷聯(lián)絡(luò)線潮流反向時，切除有功功率P的附加阻尼控制通道，避免潮流反向時的負(fù)阻尼問題。

3 設(shè)計與仿真

并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制數(shù)學(xué)模型以傳統(tǒng)單通道的STATCOM附加阻尼控制數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立2個并聯(lián)的附加阻尼控制通道，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制數(shù)學(xué)模型

仿真系統(tǒng)仍然使用四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)。并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制器輸入2種控制信號，其目標(biāo)與傳統(tǒng)的STATCOM附加阻尼控制器一致，都是為了對聯(lián)絡(luò)線上的功率振蕩能量進(jìn)行持續(xù)的消減。仍然采用相角補償原理來分別設(shè)計2個附加阻尼控制通道超前滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)，運行方式2下參數(shù)設(shè)置如表4所示，通道1和通道2分別采用有功功率P和線路電流幅值Im為控制信號。

表4 并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制器參數(shù)

同樣的，保持控制器參數(shù)不變，改變系統(tǒng)運行方式，對比單通道的STATCOM附加阻尼控制和并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制對系統(tǒng)運行方式變化的適應(yīng)性。4種運行方式下特征根變化如表5所示。

表5 4種運行方式下區(qū)域間振蕩模式變化情況

由表5可見，同時將有功功率P和線路電流幅值Im作為附加控制信號，聯(lián)絡(luò)線功率正向變化時，并聯(lián)雙通道STATCOM在阻尼比提升水平高于傳統(tǒng)的STATCOM，對區(qū)域間振蕩的阻尼效果更佳。運行于聯(lián)絡(luò)線功率反向的極端方式時，切除有功功率P的附加阻尼控制通道，僅保留線路電流幅值Im的附加阻尼控制通道，避免負(fù)阻尼效應(yīng)的發(fā)生。這表明當(dāng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)大范圍運行方式時，并聯(lián)雙通道STATCOM附加阻尼控制能更好地適應(yīng)系統(tǒng)運行方式的變化，魯棒性更強(qiáng)。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)運行方式變化時，傳統(tǒng)的STATCOM附加阻尼控制采用單個控制信號可能會導(dǎo)致負(fù)阻尼作用或系統(tǒng)阻尼提升水平不佳。相對于傳統(tǒng)單通道的STATCOM附加阻尼控制，本文設(shè)計的雙通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)的STATCOM附加阻尼控制阻尼比提升水平更高且不會出現(xiàn)負(fù)阻尼效果，能夠更加穩(wěn)定可靠地阻尼區(qū)域間低頻振蕩，表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性。

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