李寧，高本鋒，張建坡，于弘洋，楊志昌，崔浩江

（1.河北省分布式與微網重點實驗室（華北電力大學），河北保定 071003；2.先進輸電技術國家重點實驗室（國網智能電網研究院有限公司），北京 102209）

0 引言

我國西部地區(qū)的風電、光伏和水電資源豐富，基于電網換相的高壓直流輸電（Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCCHVDC））憑借輸送容量大、功率調節(jié)能力強、損耗低等特點，有效解決了我國能源中心與負荷中心逆向分布問題[1]。截至2022 年上半年，我國共投運18回特高壓直流，總額定容量達142.6 GW[2]。

交流電網的動態(tài)無功響應特性直接影響直流系統的運行可靠性[3]。對于火電支撐少、負荷水平重的弱直流受端系統，暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題突出，若無功支撐能力不足，極易引發(fā)直流連續(xù)換相失敗。根據連續(xù)換相失敗的表現形式可將其分為閥級連續(xù)換相失敗與系統級連續(xù)換相失敗。閥級連續(xù)換相失敗均是由第1 次換相失敗所引發(fā)的后續(xù)換相失敗，時間間隔均在幾個毫秒[4]。

目前，國內外學者對直流受端系統換相失敗抑制問題主要從優(yōu)化直流系統控制策略和提升受端系統電壓支撐能力2 個方面進行改進[5]。在提升受端系統電壓支撐能力方面，動態(tài)無功補償裝置在故障后可快速向系統注入無功以支撐母線電壓。因此工程上通常將其加裝在特高壓直流落點及近區(qū)變電站，來解決逆變側的換相失敗問題并提升受端電網電壓穩(wěn)定水平[6-7]，當前南方電網已有部分地區(qū)在直流受端配置靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）。文獻[8-10]通過在受端加裝STATCOM 來穩(wěn)定換流母線電壓，從而抑制換相失敗。文獻[11]針對同步調相機對分層接入方式下高低端換流器換相失敗的抑制作用進行了機理分析和仿真研究。文獻[12]通過實時檢測換流母線電壓并計算故障條件下無功缺額及其無功補償量，以此作為靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）無功控制策略的理論依據。文獻[13-14]根據LCC-HVDC 的實時無功缺額動態(tài)調節(jié)柔性直流輸出的有功與無功功率，從而改變其暫態(tài)運行點，以抑制LCC-HVDC 換相失敗并較大限度提升其有功功率的傳輸能力。然而這些補償措施靈活性相對受限，系統間缺乏協調配合。

針對含STATCOM 的LCC-HVDC 系統，文獻[15-17]在故障時通過調節(jié)STATCOM 定交流電壓參考值，在一定程度上提升了電網電壓支撐能力。文獻[18]將STATCOM 經過1 個“虛擬電抗”之后得到新參考電壓，借助該參考電壓弱化了STATCOM 電壓外環(huán)控制模塊與LCC 逆變站的耦合，減小了交流系統等效阻抗，但并未分析裝置的輸出特性改善情況。文獻[19]研究了系統電壓不平衡下鏈式靜止同步補償器的控制策略和補償模式并提出了無功控制和電壓控制2 種改進型補償模式，并對其輸出特性進行了分析。

本文針對LCC-HVDC 受端系統，通過分析暫態(tài)下各電氣量變化過程及逆變換流站無功特性，給出不同工況下STATCOM 輸出特性與HVDC 和過渡阻抗的關系曲線，同時提出一種STATCOM 與逆變側關斷角偏差信號的協調控制策略，通過對協調控制策略與傳統控制策略分析比較，得出其在響應速度及動態(tài)協調能力上的顯著優(yōu)勢；最后，基于南方某背靠背聯網直流輸電工程，在Pscad/Emtdc 仿真平臺上搭建電磁暫態(tài)仿真模型，驗證所提協調控制策略的有效性。

1 含STATCOM 的背靠背直流受端系統結構

1.1 受端系統結構

為提高受端系統電網電壓支撐能力，將STATCOM接于逆變側交流母線。圖1 為含STATCOM 的LCC-HVDC 受端系統結構示意圖。其中，Ud，Id分別為直流受端直流電壓和直流電流；Xs為平波電抗器；Pd，Qd分別為直流輸送有功和無功功率；Us為換流母線電壓；Z為受端系統等值阻抗；Qs為STATCOM 為系統提供的無功；X為聯接電抗。

圖1 含STATCOM的LCC-HVDC受端系統結構Fig.1 LCC-HVDC receiving system structure with STATCOM

HVDC 系統參數依據背靠背工程得到。直流輸送額定容量為2 000 MW，換流母線額定電壓為540 kV。STATCOM 采用鏈式角形結構，額定容量為300MVA。

HVDC 系統逆變側采用定關斷角控制和定直流電流控制。此外還配備有低壓限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）、電流控制放大器和電壓調節(jié)器。

1.2 STATCOM控制策略

STATCOM 控制模式分為定電壓模式和定無功模式。系統穩(wěn)態(tài)運行時，STATCOM 接入自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）子站保持現行穩(wěn)態(tài)控制模式不變，設置為定無功模式[20]。STATCOM暫態(tài)運行控制原則要求當STATCOM 處于0.2～0.9 p.u.和1.1～1.2 p.u.之間時，投電壓閉環(huán)控制且控制540 kV 側母線電壓，目標值為故障前電壓值[21-23]。STATCOM 設置為定電壓模式，實現電壓閉環(huán)控制，控制結構如圖2 所示。

圖2中Us，Us*分別為換流母線三相電壓有效值和參考值；Udc_ave，Udc_ref分別為級聯模塊直流側電壓反饋值和參考值；uabc，iabc分別為STATCOM 并網點三相電壓瞬時值和流入電網電流瞬時值；Sa，Sb，Sc分別為三相PWM 脈沖；θ為鎖相輸出角度；ω為系統的角頻率；L為聯接電感值；Id，Iq，Ud，Uq為派克變換輸出的電流、電壓；Id*，Iq*分別為電壓外環(huán)控制輸出的d，q軸電流參考值；Ud*，Uq*分別為輸出電壓d，q軸電壓參考值。

圖2 STATCOM定電壓模式Fig.2 Constant voltage mode of STATCOM

2 STATCOM的輸出特性

STATCOM 可等效為幅值、相位均為可控的交流電壓源，其接入電網的等效電路如圖3 所示。其中，Us為換流母線電壓；Ui為STATCOM 輸出電壓；X為換流母線與STATCOM 間的聯接電抗；R為換流母線與STATCOM 間的等效電阻；L為聯接電感。

圖3 STATCOM接入電網等效電路Fig.3 Equivalent circuit of STATCOM connected to power grid

根據圖3 電路，可以得到式（1）所示有功P、無功Q計算公式。

式中：δ為向量滯后向量的角度。

STATCOM 實際運行中，δ在絕對值很小范圍內變化，當換流母線電壓Us大于STATCOM 輸出電壓Ui時，補償電流滯后系統電壓90°，STATCOM 吸收感性無功功率；當STATCOM 輸出電壓Ui大于換流母線電壓Us時，補償電流超前系統電壓90°，STATCOM 吸收容性無功功率。

受端系統故障點可能出現在任意位置，且高壓線路都呈現出感性阻抗，所以通常在換流母線處設置感性接地，模擬故障點與母線間的距離關系。電感值越小，則電氣距離越近，換流母線電壓下降越多，即故障水平越高；電感值越大則相反[22-23]。為校驗STATCOM 不同工況下輸出無功大小，在逆變換流母線處設置感性接地故障，共22 組，單相和三相接地各11 組。阻抗基準值為ZN=UN2/SN，其中UN為換流母線額定電壓540 kV，SN為直流額定容量2 000 MW，接地電感L1變化范圍為0.01～1H。圖4和圖5 分別為STATCOM 輸出特性與HVDC 系統換流母線電壓與接地阻抗ZL變化關系曲線，其中Qs為STATCOM 輸出無功。

圖4 Qs和Us隨ZL的變化曲線（單相）Fig.4 Variation curves of Qs and Us with ZL（single phase）

圖5 Qs和Us隨ZL的變化曲線（三相）Fig.5 Variation curves of Qs and Us with ZL（three-phase）

圖4 為HVDC 受端發(fā)生單相接地故障時，QS和US隨接地阻抗ZL的變化曲線。從圖4 可知，隨著接地阻抗ZL增大，換流母線電壓Us逐漸升高，STATCOM 發(fā)出無功功率Qs逐漸減小，表明隨著故障水平減弱，受端電壓降落水平逐漸下降，即STATCOM、換流站和受端系統的無功交互影響造成STATCOM相比于額定狀態(tài)下的輸出能力大幅度減弱。在ZL（p.u.）＜1 時，換流母線電壓下降至0.9 p.u.以下，系統存在換相失敗風險，而此時STATCOM 依然有出力空間，在故障水平較低時，STATCOM 的輸出能力小于額定狀態(tài)下的50%。

圖5 為HVDC 受端出現三相接地故障時，Qs，Us隨接地阻抗ZL的變化曲線。從圖5 可知，當ZL值較小時STATCOM 輸出達到上限，出現超調，超調量達到43%。在ZL逐漸增大的一段變化范圍內，STATCOM 都存在一定的超調量。隨著故障水平減弱，STATCOM 輸出能力逐漸下降，但相比單相短路，由于前者造成在相同故障水平下，造成的線路壓降更多，在定電壓控制模式下產生的誤差量Us*-Us更大（Us*為換流母線電壓參考值），使STATCOM 的輸出的無功量也較大。在故障水平較低時，STATCOM 的輸出能力依然小于額定狀態(tài)下的50%。

因此，在傳統定電壓模式下，不同工況時STATCOM 輸出能力存在較大差異，大多工況下STATCOM 輸出沒有達到額定值，不利于受端系統電網電壓支撐，因此有必要通過優(yōu)化控制，在容量允許范圍內提升裝置的支撐能力，提高系統穩(wěn)定性。

3 STATCOM控制策略改進

為解決STATCOM 在部分工況下對電網電壓支撐能力不足問題，根據受端交流系統故障時HVDC各電氣量的暫態(tài)變化過程可知，換流母線電壓幅值直接影響換相失敗[24-27]。若電網動態(tài)無功支撐不足，很有可能引起連續(xù)換相失敗，此過程關斷角變化明顯。因此，為改善STATCOM 的輸出特性，本文提出在原定換流母線電壓控制的基礎上，增加基于直流換流站關斷角信號偏差量的附加控制，以同時響應交流系統和換流站的無功特性，協調控制策略整體框圖如圖6 所示。

圖6 協調控制策略整體結構圖Fig.6 Flowcharts of coordinated control strategy

圖6中γ為關斷角測量最小值。為充分發(fā)掘STATCOM 無功潛能，減小LCC-HVDC 換相失敗概率，根據γ變化過程，將γ偏差量計算得到的補償量，附加至STATCOM 的無功外環(huán)控制，使得STATCOM 在較多工況下能輸出更多的無功功率，提高對受端交流電壓的支撐能力?；陉P斷角偏差的協調控制策略邏輯框圖如圖7 所示。

圖7 中，gamaP1 和gamaP2 分別為極一和極二換流站關斷角值；γ*為關斷角指令值；Us和Us1分別為母線電壓實際值和下限。

圖7 基于逆變側關斷角偏差的協調控制策略Fig.7 Coordinated control strategy based on inverter side turn-off angle deviation

在直流系統正常運行狀態(tài)下，附加關斷角控制器不動作，STATCOM 運行在定無功模式。當直流協調控制啟動邏輯判斷環(huán)節(jié)檢測到關斷角降低到7.2°以下或母線電壓（Us1）降低到0.9 p.u.時，邏輯判斷輸出“1”。根據母線電壓的降落程度，由圖4 和圖5 可預估出STATCOM 輸出無功大小，當輸出能力小于STATCOM 額定容量時啟動協調控制。

首先計算逆變側關斷角指令值γ*與實際值γ延時比較的偏差Δγ，輸出保持器接收到“1”的信號后將Δγ鎖定并輸出，然后通過1 個比例環(huán)節(jié)Km得到Km·Δγ，并將信號附加至STATCOM 電壓外環(huán)控制參考指令，以增加無功輸出，加快STATCOM 的響應速度。

當逆變側交流系統故障時，換流母線電壓Us降低，逆變換流站內γ瞬間下降，Δγ增大，此時在外環(huán)交流電壓控制中引入Δγ的比例輸入可以短時增大電壓控制外環(huán)的誤差信號，增大STATCOM 輸出，減小電壓跌落幅度。隨著故障恢復，HVDC 定關斷角控制發(fā)揮作用，伴隨γ增加，Δγ逐漸減小，邏輯判斷失效，協調控制閉鎖。

當直流系統發(fā)生換相失敗故障時，STATCOM 控制系統從逆變換流母線電壓的單一控制對象轉換至協同換流站關斷角的雙重控制目標，為系統提供更多的無功支撐，協調控制下換相電壓變化如圖8 所示。其中，UL為換相電壓；α為觸發(fā)延時角；μ為換相角；β為觸發(fā)超前角；δ1為關斷延時角。

由圖8 可知，換相電壓降低直接影響閥組的換相過程。圖8 中，STATCOM 為系統提供更多地無功支撐可減小電壓的下降程度，即增大了換相電壓和換相面積，降低發(fā)生后續(xù)換相失敗風險。

圖8 協調控制下的換相電壓Fig.8 Commutation voltage under coordinated control

4 仿真驗證

為驗證STATCOM 附加關斷角協調控制策略抑制后續(xù)換相失敗的有效性，本文采用背靠背直流輸電系統模型，基于某換流站受端廣東側電網算例中電廠全廠開機運行方式進行仿真。換流站廣東側電網網架結構如圖9 所示。其中，受端網架中地名為拼音首字母。

圖9 廣東側電網網架結構Fig.9 Grid structure at Guangdong side

受端網架中，荷樹園電廠全開機正常運行，最小短路電流為9.26 kA，短路比為4.21。為驗證控制策略的有效性，本文分別對如下3 種模式的控制效果進行對比分析：

案例1：不含STATCOM 的LCC-HVDC 系統，LCC-HVDC 采用傳統控制策略。

案例2：含STATCOM 的LCC-HVDC 系統，STATCOM 和LCC-HVDC 均采用傳統控制策略。

案例3：含STATCOM 的LCC-HVDC 系統，在傳統控制策略基礎上，STATCOM 配備了附加直流關斷角控制。

4.1 協調控制效果仿真分析

設置逆變側換流母線在0.75 s 時經0.1H 電感發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時間為0.1s，Δγ的增益Km取值為0.3。在該故障水平下，3 種控制模式的受端關斷角對比效果如圖10 所示；有無協調控制的STATCOM 輸出對比如圖11 所示。

圖10 3種控制模式下的受端關斷角對比Fig.10 Comparison of turn-off angle on receiving end under three control modes

圖11 有無協調控制的STATCOM輸出對比Fig.11 Comparison of STATCOM output with and without coordinated control

從圖10 可知，系統無STATCOM 和加裝STATCOM 裝置但未配備協調控制策略情況下，在1次換相失敗16 ms 后，關斷角再次降低到0°。STATCOM 配備協調控制策略后，逆變側關斷角上升幅值大于上述2 種情況，在降到0°后，沒有再次降低到零，在0.85 s 故障消除后，關斷角先快速上升并在0.86 s 后快速下降，相比于無STATCOM 和未配備協調控制的系統，其關斷角較大。無附加控制的HVDC 系統逆變側關斷角連續(xù)2 次降到0°，發(fā)生閥級連續(xù)換相失敗，而含協調控制的HVDC 系統關斷角下降趨勢得到抑制，只出現1 次，避免了后續(xù)換相失敗。

從圖11 可知，協調控制根據關斷角誤差和電壓誤差動態(tài)調整電流內環(huán)指令，從而可動態(tài)提升STATCOM 發(fā)出的無功功率。配備協調控制策略的STATCOM 在交流側故障時發(fā)出的無功功率為340 Mvar，接近于無附加控制下2 倍的無功功率，提供了較好的無功支撐。在故障消除后，協調控制閉鎖，電壓參考值階躍下降，造成STATCOM 輸出無功特性也出現大幅度變化。

仿真結果表明，配備協調控制策略的STATCOM一方面響應了換流母線電壓變化，另一方面也響應了逆變站關斷角信號誤差，在換相失敗期間STATCOM擺脫了與換流站和受端系統的無功交互影響，增發(fā)無功功率，閥級換相失敗得到抑制，協調控制策略有效性得到了驗證。

4.2 不同工況下暫態(tài)電壓

3 種案例單相接地故障下系統的其他暫態(tài)特性如圖12 所示。

圖12 單相故障下受端系統暫態(tài)運行特性Fig.12 Transient operation characteristics of receiving system during single-phase fault

如圖12（a），（c）所示，在母線電壓降低期間，受端換流站內交直流系統交換的無功功率Q（取換流站流向受端交流系統方向為正）在電壓降低時變多，隨著STATCOM 發(fā)出無功的增大，受端系統換流站所提供的無功支撐也越強，造成受端系統電壓在故障期間下降更多。在故障恢復階段，配備協調控制策略后，換流站送向JY 站無功變小，減小了系統無功功率過剩，其受端電壓過電壓的程度及恢復狀況均有所改善。由圖12（d）可知，配備STATCOM 協調控制策略后，JY 站電壓在換相失敗期間，電壓跌落幅度大于未配備，但電壓恢復速率明顯高于未配備系統。說明STATCOM 協調控制策略的配備，會影響直流換流站受端交流系統的無功盈余量，等額盈余無功在受端系統中的分配情況會有所改變。

圖12（b）為受端交流系統發(fā)生故障前后直流電流對比圖。配置STATCOM 協調控制策略相比于無STATCOM 和STATCOM 未配備協調控制這兩種情況，直流電流的變化幅值得到明顯抑制，在系統處于故障下的穩(wěn)定運行點時，采用傳統控制模型下的直流電流跌落0 kA（0 p.u.），STATCOM 配備協調控制策略后，換流母線線電壓跌落至1.15 kA（約0.23 p.u.），提高了直流系統的功率傳輸能力，為逆變側交流系統提供更高的穩(wěn)定裕度。

圖13 為三相故障下受端系統暫態(tài)運行特征。

圖13 三相故障下受端系統暫態(tài)運行特性Fig.13 Transient operation characteristics of receiver system during three-phase fault

由圖13（a）可知，未裝設STATCOM 和裝設STATCOM 采用傳統控制時，閥組在故障后的71 ms內共發(fā)生4 次閥級換相失敗，配備附加控制策略后只發(fā)生1 次換相失敗，且換相失敗的持續(xù)時間為60 ms，較其他2 種情況的72 ms 有所降低。由圖13（c），（d）可知，配備附加控制策略對電壓支撐能力也略高未配備，對于JY 站電壓影響較小。雖然STATCOM 在系統故障下發(fā)出無功增多，可抑制換相失敗，但對于整體電壓水平的提升效果有限。

由圖13（b）可知，未配備協調控制時直流電流在0.816 s 出現1 次短暫上升，配置STATCOM 協調控制策略前后，直流電流在8.16 s 時并未出現短暫上升，閥級換相失敗只發(fā)生1 次，且故障清除后直流系統的恢復速度較快。

綜上所述，本文提出的關斷角信號偏差量的附加控制，既能滿足裝置本身容量要求，同時改善STATCOM 的輸出性能，提高電網電壓的支撐能力。

5 結論

本文針對含STATCOM 的背靠背直流系統在不同工況下STATCOM 輸出能力不足容易造成后續(xù)換相失敗問題，給出了STATCOM 不同工況下的輸出特性曲線，提出一種STATCOM 與LCC-HVDC 間附加關斷角信號偏差量協調控制策略。通過仿真對比分析，驗證協調控制策略的有效性，結果表明所提出的控制策略可有效提高STATCOM 的輸出性能，更多地補償故障恢復期間系統的無功缺額，改善直流電流，抑制后續(xù)換相失敗發(fā)生。