劉 策，霍利民

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

基于WAMS的多STATCOM穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

劉 策，霍利民

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

隨著電網(wǎng)電力需求不斷的增大，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定能力和動態(tài)無功補償能力顯得格外重要。STATCOM在穩(wěn)態(tài)運行時與無功補償設(shè)備協(xié)調(diào)控制，可以實現(xiàn)母線電壓的有效控制和系統(tǒng)的無功補償。為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，根據(jù)STATCOM現(xiàn)有的5種控制模式，借助廣域測量系統(tǒng)(WAMS)，形成多個STATCOM穩(wěn)態(tài)模式協(xié)調(diào)控制策略。該策略利用WAMS實測信息靈活切換STATCOM控制模式，且與有載調(diào)壓變壓器配合，實現(xiàn)STATCOM穩(wěn)態(tài)模式與有載調(diào)壓的協(xié)調(diào)控制，提升區(qū)域電壓穩(wěn)定性。在IEEE39節(jié)點測試系統(tǒng)內(nèi)進行了分析與驗證。分析結(jié)果表明，該策略能改善區(qū)域系統(tǒng)電壓過低情況，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

靜止同步補償裝置；廣域測量系統(tǒng)；控制模式；協(xié)調(diào)控制

0 引言

柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS)提升現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行的效率和安全穩(wěn)定的能力尤為突出，很好地確保了電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟和優(yōu)質(zhì)的運行[1-2]。靜止同步補償裝置(Static Synchronous Compensator，STATCOM)作為并聯(lián)型的FACTS，具有吸收或補償無功功率的能力，在遠距離交流輸電系統(tǒng)和風電并網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著改進電能質(zhì)量、提高輸送容量以及增強系統(tǒng)阻尼等方面的作用[3]。廣域測量系統(tǒng)(WAMS)能精確快速地測量系統(tǒng)各節(jié)點的電氣量，為電力系統(tǒng)的參數(shù)辨識提供了方便，在更好地進行全網(wǎng)控制方面起到了關(guān)鍵的作用，展示了良好的應用前景[4]。

在電網(wǎng)電力需求量大，負荷高度密集的地區(qū)。一旦因為動態(tài)無功支撐不足而使負荷中心出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的電壓潮流就會發(fā)生劇烈變化，就可能造成系統(tǒng)電壓嚴重失穩(wěn)，使整個系統(tǒng)崩潰。通過利用STATCOM的技術(shù)，能夠有效改善電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓可靠性和穩(wěn)定性，并使其抵御電網(wǎng)事故的能力得到提升。

近年來，國內(nèi)外對STATCOM接入系統(tǒng)的控制策略方面的研究和利用取得了部分成果。文獻[5]提出了統(tǒng)一潮流控制策略，該策略中輸電線路末端的母線電壓是根據(jù)本地測量的電氣量再經(jīng)過潮流計算得到的，計算過程較復雜。此時可以直接用WAMS中的PMU裝置直接實時測得兩線路末端母線電壓幅值和相位角等信息，更簡單地實現(xiàn)了線路有功功率和無功功率協(xié)調(diào)控制的過程。WAMS系統(tǒng)信號傳輸滯后對控制效果影響較大[6]，時滯的存在使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制變得更加復雜和困難，也是系統(tǒng)不穩(wěn)定的根源之一。文獻[7]根據(jù)自由權(quán)矩陣理論和優(yōu)化算法，提出一種抗時滯的多FACTS廣域協(xié)調(diào)控制算法，采用WAMS信號給出一種多FACTS集中協(xié)調(diào)控制形式，以保持多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。但是該控制算法計算相對復雜，權(quán)的不確定性較大，優(yōu)化過程的結(jié)果不易得到。文獻[8]針對裝有PSS、大型風電場和FACTS設(shè)備的電力系統(tǒng)，基于廣域信號設(shè)計的廣域協(xié)調(diào)控制器利用粒子群算法進行全局參數(shù)優(yōu)化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是該粒子群算法網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的編碼和遺傳算子的選擇都比較復雜，因此全局參數(shù)的優(yōu)化不易實現(xiàn)。文獻[9]提出了一種可控制動電阻控制器(Thyristor Controlled Braking Resistor, TCBR)廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，該策略采用三級共態(tài)預估算法對本地控制器進行全局的非線性遞階最優(yōu)化協(xié)調(diào)。該控制策略能參考實時系統(tǒng)的運行狀態(tài)，根據(jù)WAMS提供的實時信息來確定和校正每個本地控制器的控制參數(shù)，由此使控制器適應不斷變化的系統(tǒng)運行情況，保證隨時獲得最優(yōu)的控制效果。

本文參照STATCOM 5種基本控制模式，根據(jù)廣域測量系統(tǒng)的原理、功能及應用現(xiàn)狀，針對多STATCOM系統(tǒng)，結(jié)合PMU實時信號，利用系統(tǒng)級、裝置級的分層控制的思想，提出系統(tǒng)運行在不同狀態(tài)時各STATCOM之間協(xié)調(diào)控制策略。該策略能充分利用WAMS實測信息來靈活切換STATCOM合適的控制模式及目標，使各STATCOM與其臨近動態(tài)無功補償裝置間的控制相互協(xié)調(diào)，同時有載調(diào)壓變壓器也隨時配合STATCOM動作，實現(xiàn)STATCOM穩(wěn)態(tài)模式與有載調(diào)壓的協(xié)調(diào)控制，從而提升區(qū)域電壓穩(wěn)定性。

1 STATCOM的不同的控制模式

根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度和控制的需要，STATCOM 需要儲備部分無功容量參與日常系統(tǒng)運行的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓環(huán)節(jié)，同時作為AVC系統(tǒng)的子單元，參與到全網(wǎng)無功和電壓控制當中。為維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定并減少低壓釋放的負荷，就要求STATCOM動態(tài)補償容量要大且響應速度要快。

在進行協(xié)調(diào)控制之前，首先要對STATCOM的不同控制模式進行總結(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的不同運行情況，STATCOM的控制模式分為暫態(tài)控制、穩(wěn)態(tài)控制和阻尼控制；其中暫態(tài)控制就是暫態(tài)電壓控制，而穩(wěn)態(tài)控制又包括穩(wěn)態(tài)電壓控制、恒無功控制和遠方控制[10]。

(1)暫態(tài)電壓控制模式

系統(tǒng)遭遇諸如線路故障或較大感性無功負荷投入或切除等大擾動時，系統(tǒng)的電壓會迅速跌落至0.9 p.u.以下或上升至1.1 p.u.以上，當在時間檢測窗口內(nèi)檢測到電壓瞬時值變化速率持續(xù)超過2～3 p.u./s或任一相電壓不在區(qū)間[0.9,1.1]范圍內(nèi)時，STATCOM將切換至暫態(tài)電壓控制模式。當檢測到電壓跌落至0.3 p.u.以下時，即判定為近端短路故障，此時閉鎖STATCOM控制系統(tǒng)，避免其響應使短路電流增大。

(2)遠方控制模式

非耦合點電壓受到干擾超過界限在可控范圍內(nèi)時，STATCOM通過遠方通信接收指令進入穩(wěn)態(tài)電壓控制或恒無功控制模式，在保證STATCOM自身耦合點電壓穩(wěn)定前提下，調(diào)節(jié)無功輸出使區(qū)域內(nèi)遠方母線的電壓維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。遠方控制的優(yōu)先級低于暫態(tài)電壓控制。

(3)穩(wěn)態(tài)電壓控制模式

公共耦合點(PCC)處的電壓穩(wěn)定在[0.9,0.95]或者在[1.05,1.1]區(qū)間時，STATCOM進入穩(wěn)態(tài)電壓控制模式，在該模式下PCC電壓參考值可以進行人工設(shè)定，裝置根據(jù)系統(tǒng)的電壓變化而進行自動反饋調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)遭遇小擾動或需要分鐘級的長期電壓調(diào)節(jié)時，STATCOM可以自動調(diào)節(jié)無功輸出以維持節(jié)點電壓的恒定。

需要注意的是，在實際的系統(tǒng)運行中，當電壓超過系統(tǒng)要求時，需要通過投入電抗器來降低電壓；當電壓低于系統(tǒng)的要求時，則需要投入電容器來提升電壓。故STATCOM 的穩(wěn)態(tài)控制策略中需要考慮與臨近的可機械投切的無功補償設(shè)備進行配合。同樣，為了保證裝置留有足夠的動態(tài)無功備用，處于穩(wěn)定調(diào)壓的可用容量需要設(shè)定上限和下限。這樣做即可以保證無功調(diào)節(jié)的連續(xù)可調(diào)性，又減少了STATCOM大功率運行的有功損耗。

(4)恒無功控制模式

PCC電壓在[0.95,1.05]時，STATCOM將切換至恒無功控制模式。初始狀態(tài)下為了減小損耗并保留無功備用，STATCOM不補償感性無功或只吸少量的感性無功，在該控制模式下STATCOM對小擾動不作響應。為避免PCC電壓在恒無功控制與穩(wěn)態(tài)電壓控制模式分界點附近波動時STATCOM頻繁切換控制模式，切換方式將遵循繼電動作特性。

(5)阻尼控制模式

在主控制回路中附加阻尼控制回路，該回路由線路功率為輸入，修正無功電流為輸出?？稍谙到y(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時減小由功率振蕩造成的電壓波動，從而增強系統(tǒng)阻尼。

2 基于WAMS的多STATCOM穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)

由WAM、WAC和WAP組成的廣域測量系統(tǒng)(WAMS)將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以及母線電壓幅值、相角等實時信號作為FACTS的輸入信號，起到了簡化控制器協(xié)調(diào)控制的控制算法的作用。

近年來在電力系統(tǒng)控制中應用WAMS技術(shù)收效顯著，因此，為實現(xiàn)大電網(wǎng)的優(yōu)化穩(wěn)定控制，在開展多STATCOM協(xié)調(diào)控制研究時，可以考慮與WAMS結(jié)合起來，依據(jù)實測信息達到更好的控制效果。

2.1 基于WAMS的協(xié)調(diào)控制整體方案

基于WAMS的多個STATCOM協(xié)調(diào)控制整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于WAMS的協(xié)調(diào)控制整體方案

首先利用相量測量單元獲取電壓、電流等實時同步信號，經(jīng)通信線路傳送至控制主站?？刂浦髡緦邮盏降膶崟r數(shù)據(jù)進行預處理，根據(jù)時間標簽將數(shù)據(jù)進行分類，并辨別和去除錯誤信息。得到正確的信息以后，控制主站將利用實測信息對系統(tǒng)狀態(tài)進行估計，并制定系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制策略，該策略經(jīng)系統(tǒng)級控制層將動作命令傳輸至本地控制層，選擇各STATCOM長期穩(wěn)態(tài)控制或短期暫態(tài)運行模式，協(xié)調(diào)控制STATCOM、變壓器等其他動態(tài)裝置。

2.2 基于WAMS的多STATCOM穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)

結(jié)合5種不同的STATCOM基本控制模式，本文提出基于WAMS的多STATCOM系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，所得到的控制框圖如圖2所示。

在初始穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，首先基于WAMS的實時檢測數(shù)據(jù)找出電壓較低的區(qū)域，并確定需要進行控制的節(jié)點，即確定系統(tǒng)中需要參與協(xié)調(diào)控制的STATCOM裝設(shè)處。然后對參與協(xié)調(diào)控制的STATCOM進行遠方控制，即向其發(fā)出遠方指令，使其切換到遠方控制模式，此時其他的STATCOM不動作。

圖2 基于WAMS的多個STATCOM協(xié)調(diào)控制

遠方控制信號根據(jù)STATCOM輸出補償容量的不同，控制STATCOM切換不同的控制模式。當STATCOM輸出的容量小于一個電容器組的容量時，遠方信號控制STATCOM進入穩(wěn)態(tài)電壓控制模式并調(diào)節(jié)節(jié)點電壓升高0.01 p.u.；當STATCOM輸出的容量大于一個電容器組的容量但是小于2個電容器組容量時，遠方信號控制STATCOM切換至恒無功控制模式并增加發(fā)出的無功容量到穩(wěn)態(tài)無功容量的上限；當STATCOM輸出的容量超過2個電容器組的容量時，STATCOM只能保持最大穩(wěn)態(tài)容量的輸出，此時需要借助有載調(diào)壓調(diào)節(jié)變壓器分接頭到+2.5%。

經(jīng)過一輪調(diào)控，WAMS再次進行實時檢測，若此時節(jié)點電壓介于0.95 p.u.和1.05 p.u.之間則控制結(jié)束，否則繼續(xù)重復上一輪的控制過程，直到節(jié)點電壓滿足控制要求結(jié)束。

3 測試系統(tǒng)分析與驗證

為了清楚地闡明基于WAMS的多STATCOM協(xié)調(diào)控制策略下，參與協(xié)調(diào)的多個STATCOM的工作狀態(tài)，需要結(jié)合具體的測試系統(tǒng)進行分析。本文采用IEEE39節(jié)點標準測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為3個區(qū)域，分別命名為區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，如圖3所示，其中節(jié)點1為平衡節(jié)點。

圖3 IEEE39節(jié)點標準測試系統(tǒng)

3.1 STATCOM協(xié)調(diào)控制節(jié)點選擇

為確定參與協(xié)調(diào)控制的STATCOM節(jié)點，需要對系統(tǒng)的電壓分布和有功分布進行分析，做到維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定并兼顧提高系統(tǒng)阻尼，根據(jù)測試系統(tǒng)電壓的圖譜得到區(qū)間分布表，如表1所示。

表1 節(jié)點電壓標幺值區(qū)間分布表

由電壓分布表可知，區(qū)域I和III處的電壓相對較高，而區(qū)域II內(nèi)節(jié)點電壓偏低，全系統(tǒng)電壓最低的前10個節(jié)點及其電壓值如表2所示。

表2指出電壓最低的10個節(jié)點中有9個位于區(qū)域II中，且節(jié)點38、12、13、16的電壓均低于0.95 p.u.，但不能僅憑電壓選擇區(qū)域II中的STATCOM進行動作。

除了衡量節(jié)點電壓外，還需考察有功功率較重的非變壓器線路，以及區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率情況。根據(jù)系統(tǒng)有功分布得到負荷較重的前10條線路和區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率如表3和表4所示。

表3和表4指出區(qū)域I與另外2個區(qū)域聯(lián)系較緊密，但區(qū)域II和區(qū)域III之間聯(lián)系較弱，因此僅區(qū)域II內(nèi)STATCOM動作不能有效地提高區(qū)域III內(nèi)的暫態(tài)穩(wěn)定以及系統(tǒng)阻尼。

表2 全系統(tǒng)電壓由低到高前10節(jié)點

表3 有功由高到低前10線路

表4 區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率

區(qū)域II中節(jié)點11作為升壓變壓器高壓側(cè)節(jié)點，任務是將發(fā)電機G1的有功經(jīng)11-12送給負荷的同時將G10的有功經(jīng)11-15-13也送給負荷。因此節(jié)點11是重要節(jié)點，考慮到?jīng)]有無功補償情況下節(jié)點11電壓為0.952 p.u.，非常接近正常區(qū)間下限，因此節(jié)點11選作為第1個STATCOM控制節(jié)點。

區(qū)域II中節(jié)點35不僅承擔將G10的有功經(jīng)過10-36-35-16送給負荷，還是區(qū)域聯(lián)絡(luò)節(jié)點，其電壓在未補償時僅為0.955 p.u.，為保證節(jié)點35不會因為電壓失穩(wěn)而引起系統(tǒng)解列，因此節(jié)點35選作第2個STATCOM控制節(jié)點。

區(qū)域III中節(jié)點32承擔著將G9和G8的有功經(jīng)線路32-27送給負荷，需要保證該節(jié)點電壓穩(wěn)定并兼具阻尼功能，故選擇節(jié)點32為第3個STATCOM控制節(jié)點。同時節(jié)點27還是聯(lián)接區(qū)域I的重要節(jié)點，故也選擇節(jié)點27作為第4個STATCOM控制節(jié)點。

因此，綜合考慮系統(tǒng)電壓分布與有功分布特性，在該系統(tǒng)中參與協(xié)調(diào)控制的4臺STATCOM，分別位于節(jié)點11、35、32、27。其中，4臺STATCOM的臨近的電容器組容量為40 Mvar/組，其具體參數(shù)如表5所示。

表5 STATCOM的主要元件參數(shù)

3.2 STATCOM穩(wěn)態(tài)控制模式與有載調(diào)壓變壓器協(xié)調(diào)配合過程

系統(tǒng)的初始狀態(tài)為4臺STATCOM接入系統(tǒng)但輸出感性無功為零，節(jié)點11、35處STATCOM檢測到耦合點電壓0.952 p.u.和0.955 p.u.，故進入恒無功控制模式；32和27處STATCOM進入恒無功控制模式。

WAMS測量系統(tǒng)檢測到區(qū)域II內(nèi)多個節(jié)點電壓過低，第一輪控制對節(jié)點11、35處STATCOM采取遠方控制模式，調(diào)節(jié)節(jié)點11、35電壓值至0.962 p.u和0.965 p.u.，保持節(jié)點32和27處的STATCOM不動作。第一輪控制結(jié)束后，區(qū)域II中節(jié)點電壓變化情況如表6所示。

表6 第一輪控制結(jié)束后各節(jié)點電壓

由表6可知，第一輪控制后，除節(jié)點38電壓仍低于0.95，其他節(jié)點電壓均處于區(qū)間[0.95,1.05]。此時節(jié)點11、35處STATCOM分別發(fā)出無功70.5 Mvar、50 Mvar，此時節(jié)點11處STATCOM無功輸出與2組電容器容量(2×40 Mvar)非常相近，節(jié)點35處STATCOM距離2組電容器容量上限還有30 Mvar的備用容量。故第二輪控制時，節(jié)點11和35處STATCOM切換為恒無功控制模式，節(jié)點11、35分別增發(fā)9.5 Mvar、30 Mvar的無功功率，到達規(guī)定的穩(wěn)態(tài)無功上限。結(jié)果如表7所示。

表7 第二輪控制結(jié)束后各節(jié)點電壓

第二輪控制后，2臺STATCOM均達到穩(wěn)態(tài)調(diào)壓輸出容量的上限，因此在第三輪控制中為保證STATCOM至少50%的無功備用，將不再繼續(xù)增發(fā)無功。故第三輪控制將調(diào)節(jié)對應升壓變的變比，將升壓變38-39的變比調(diào)節(jié)為1.025。結(jié)果如表8所示。

表8 第三輪控制結(jié)束后各節(jié)點電壓

由表8可知，第三輪控制結(jié)束后，節(jié)點12、13、15、11和39電壓相比第二輪略有下降，但仍在[0.95,1.05]區(qū)間內(nèi)，相反節(jié)點38、16、35、36和34電壓上升，且節(jié)點38電壓值升至0.95 p.u.以上進入正常區(qū)間。

經(jīng)過了三輪控制，電壓分布與初始狀態(tài)對比如表9所示。

表9 初始電壓與穩(wěn)態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制結(jié)果對比

對比控制前后可知，初始狀態(tài)時區(qū)域II內(nèi)電壓較低的節(jié)點區(qū)域在協(xié)調(diào)控制后明顯得到改善，證明協(xié)調(diào)控制能有效提高區(qū)域電壓。

4 結(jié)論

本文對STATCOM現(xiàn)有的5種控制模式進行了梳理，并根據(jù)這些控制模式，借助廣域測量系統(tǒng)(WAMS)提出多個STATCOM穩(wěn)態(tài)模式協(xié)調(diào)控制策略。該策略利用WAMS實測信息，選擇合適的STATCOM動作，即根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化進行穩(wěn)態(tài)模式間的靈活切換，同時還與有載調(diào)壓相結(jié)合，在改善區(qū)域系統(tǒng)電壓過低的同時，依然保留較大的無功備用容量以應對緊急狀態(tài)，進而提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

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Steady State Coordinated Control Strategy for Multiple STATCOMs Based on WAMS

LIU Ce，HUO Limin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

With the increasing consumption demands for power grid, the capability of voltage stability and dynamic reactive power compensation of power system become particularly important.When the STATCOM (Static Synchronous Compensator) is coordinated with the reactive power compensation device in the steady state operation, the control of the bus voltage and reactive power compensation of the system can be realized.In order to realize the coordinated control, the coordinated control strategy of multi STATCOM steady state mode is formed according to the existing five control modes of STATCOM as well as the use of the wide area measurement system (WAMS).By using the information of WAMS to flexibly switch the STATCOM control mode, the strategy cooperates with the on-load tap changer transformer to realize the coordination control, and improve the voltage stability region as well.Analysis and verification in the IEEE39 node test system is conducted.The results show that the proposed method can improve the voltage stability of the system.

STATCOM；WAMS；control model；coordination control

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.005

2017-03-31。

河北省自然科學基金(2008000357)。

TM761

A

1672-0792(2017)06-0027-07

霍利民(1965-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化技術(shù)和智能電網(wǎng)。

劉 策 (1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)自動化和智能電網(wǎng)。