1　引言 　　STATCOM是將靜止無功補償、電壓源逆變、大功率門極可關斷晶體管（GTO）的制造與控制等技術相互結合而形成的無功補償新概念，是FACTS（Flexible AC Transmission Systems，靈活交流輸電系統）家族重要的成員。我國首臺±20Mvar 的STATCOM將于近期投運。其中，控制器的設計是整個STATCOM裝置設計中非常重要的一環，本文試圖討論控制器設計中遇到的多控制目標協調問題。 　　STATCOM除了向系統提供電壓支撐，還應在提高系統暫穩極限、阻尼系統功率振蕩方面貢獻力量〔1，2〕。本文通過理論分析和數字仿真，說明以上的控制目標在系統的暫態過程中往往是互相矛盾的，不可能使這些控制目標同時達到最優。為此本文給出了對這些矛盾折衷的原則并依此設計了協調控制器。對單機和多機系統的數字仿真表明該控制器可有效地協調以上控制目標。 [b]2　STATCOM與系統的接口 [/b]　　圖1～3是一個中點接有STATCOM的單機-無窮大系統及其等效電路圖和工作特性曲線。由圖3可見，STATCOM具有電流源特性，在進行系統級研究時，用一個可控的無功電流源來描述STATCOM〔2〕可較準確地描述STATCOM的特性，同時也可簡化STATCOM與系統的接口，故在本文中將其視為一個可控的電流源。本文在以下的分析和數字仿真中還用到如下假設： 　　（1）發電機機械輸入功率恒定。 　 　圖1　裝有STATCOM的單機無窮大系統 　　 Fig.1　A Single-machine Infinite-bus system with STATCOM 　　 圖2　STATCOM 的等效電路圖 　　 Fig.2　The Equivalent circuit of STATCOM 　　 圖3　STATCOM的V-I工作曲線 　 　Fig.3　The V-I working curve of STATCOM 　　（2）發電機用經典二階模型表示，E′恒定。 　　（3）忽略發電機、變壓器、線路的電阻。 　　（4）Iq以向系統發出感性無功為正。 [b]3　STATCOM的多目標控制問題 [/b]　　STATCOM通過向系統提供無功電流而維持（或改變）其接入點的電壓，并由此調節發電機輸出電磁功率，進而改善系統的穩定性。所以STATCOM面臨的主要控制目標至少有： 　　（1）維持系統電壓。通過快速的無功調節將系統某點電壓維持在設定的水平，是發展并聯型靜止無功補償裝置的初衷之一。文獻［2］指出STATCOM是FACTS家族中電壓調節效果最好的裝置。 　　（2）提高系統暫態穩定極限，即提高第一擺穩定性。由等面積法則可知，在系統發生大的擾動使電機進入功角搖擺后，若能在第一擺過程中（發電機轉速變化量Δω＞0）盡可能地提升功角曲線以增大減速面積，就可以有效地提高系統的暫穩極限。對圖2所示的系統，設x1＝x2=XL/2，E＇=Vc=1，則接入STATCOM后發電機輸出的電磁功率為 [img=301,45]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/22-4.gif[/img] 　　可見，若在第一擺過程中使STATCOM發出最大的感性無功電流Iqmax，則可以最大程度地提升P-δ曲線，增加減速面積，從而有效地提高系統的暫態穩定極限。 　　（3）增加系統阻尼。通過控制STATCOM的無功輸出以改變發電機的有功輸出從而增加系統的阻尼是對發電機控制中PSS概念的發展［3］。 　　考慮發電機轉子運動方程： [img=316,44]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/22-5.gif[/img] 　　式中　D——發電機阻尼系數 　　2H　　——發電機慣性時間常數，s 　　顯然，唯一能影響電機轉子運動規律的是可控的ΔPe。若假設穩態時Iq=0，由式（1）可得 [img=321,46]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/22-6.gif[/img] 　　所以，通過控制STATCOM的輸出無功電流ΔΙq可以達到控制ΔPe的目的。若使ΔΙq中包含與Δω成正比的一部分，就會增大阻尼功率系數KD=，從而增強系統的阻尼。但與勵磁控制不同，對STATCOM（以及如SVC、TCSC等其他遠離發電機的FACTS裝置）而言，Δω不可直接從當地測得。本文假設Δω可以通過直接或間接的方法獲取。 [b]4　多重控制目標的矛盾及其協調 [/b]　　對于上述的每一個控制目標，都可以設計出一個相應的最佳的控制器。比如以參數合適的PI控制器來保證電壓控制的動態品質與穩態精度；由于STATCOM裝置容量有限，以開關控制，在Δω＞0時使STATCOM發出一定值的感性無功電流，在Δω＜0時吸收一定值的感性無功電流，可大大增強系統的阻尼。文獻［4］針對SVC的控制指出這種開關控制方式可以比連續控制更有效地阻尼系統的振蕩；為提高系統暫態穩定極限，STATCOM應在擾動發生后發電機的第一擺期間發出最大的感性無功電流。 　　但我們必須解決的問題正在于以上的控制策略并非殊途同歸，它們往往是相互矛盾的。比如： 　　（1）純電壓控制不能向系統提供正的阻尼。系統1中STATCOM接入點的電壓為 [img=301,40]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/23-2.gif[/img] 　　在平衡點展開，得 [img=319,44]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/23-3.gif[/img] 　　假設裝置容量足夠大、電壓控制足夠強以致使Vm為常數，即ΔVm=0，則 　　[img=154,62]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/23-4.gif[/img]（6） 　　從而由式（3）得 　　[img=146,65]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/23-5.gif[/img]（7） 　　所以，純電壓控制不能增加阻尼力矩系數KD，僅能增加同步功率系數。 　　（2）要增強系統阻尼振蕩的能力，則必須以犧牲電壓品質為代價。阻尼控制要求STATCOM的輸出電流隨Δω變化。而在相平面中Δω超前Δδ 90°，故強調阻尼控制必然使式（6）被破壞，從而損壞電壓品質。 　　（3）同理，為提高系統暫穩極限而在第一擺時采用的開關控制也不利于維持電壓。 　　圖4是系統1在經受大擾動后在不同控制方式下的功角及電壓響應曲線。 　　 圖4　在電壓控制與阻尼控制下系統響應的比較 　　——側重穩定控制　　……側重電壓控制 　　Fig.4　System responses underfault with voltage controlled 　　or damping controlled STATCOM 　　仿真中擾動取為：1s時A點三相短路，1.1s切除故障線路。從圖4中可以清楚地看出電壓控制與阻尼控制之間的矛盾。一方面，若仔細調節阻尼控制器，可以僅用兩次切換使系統接進新的穩態，極有效地抑制功率振蕩，但電壓品質卻受到較嚴重的破壞；另一方面，若偏重于電壓控制精度，則可以使STATCOM接入點電壓在動態過程中幾乎保持不變，但不能為系統提供正的阻尼。因此，尋找一個適當的折衷，在不過分損害其它目標的實現的前提下，使主要控制目標得到盡可能的滿足，是STATCOM的控制必須解決的問題。 　　眾所周知，系統第一擺的穩定必須盡一切可能保證，在電壓波動不超過允許的極限的前提下，STATCOM應在此期間發出最大的感性無功電流。即： 　　（1）在故障恢復后δ的增加階段 　　if U＜Ulim max，then Iq= Iqmax；　　elseIq=kIqmax 　　k為小于1的正數。需要說明的是，在系統故障過程中STATCOM為保護自身安全一般處于脈沖封鎖狀態，故障恢復后立即重新投入。 　　若系統沒有在第一擺失去穩定，盡快平息功率振蕩將成為新的首要目標。這時面臨的問題是如何在阻尼振蕩與穩定電壓之間取得折衷。在不使電壓發生很大幅度的波動的前提下，應該盡可能快地使功率振蕩平息下來。為此應“弱化”電壓控制分量，即： 　　[img=221,59]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/24-1.gif[/img][font=宋體]（8）[/font] 　　其中，ΔIqU=-kUΔU，kU＞0　且 [img=393,79]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/24-2.gif[/img] 　　k1＜k2，皆為正常數，R為波動的閾值。 [img=357,59]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/24-3.gif[/img] 　　ΔIqmax，ΔIqmin為STATCOM最大和最小輸出無功電流，對應發出和吸收的最大感性無功。k3，k4為正常數，其確定的原則如文獻〔4〕所述。總之，在這期間控制的原則是充分利用動態工況下允許的電壓波動以盡快地平息功率振蕩。 　　當功率振蕩的幅度小于一定值后，仍采用開關控制會使系統經受不應有的沖擊。振蕩基本平息后的主要控制目標是盡快將電壓精確調回到給定值。這時使用PI控制器是恰當的選擇。即： [img=350,62]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dgjsxb/dgjs99/dgjs9902/image/24-4.gif[/img] 　　這時的控制器是固定參數的。 　　依據以上3條原則可構成協調控制器，圖5中實線是在前述故障下系統1在該控制器的作用下的動態響應曲線。虛線是固定參數的電壓PI控制疊加轉速變化起動的開關控制構成的控制器的調節效果。 　 　圖5　協調控制的效果 　　——協調控制　　……非協調控制 　　Fig.5　System response with proposed STATCOM controller 　　圖6是對河南、湖南、湖北、江西四省99機，621節點系統仿真的結果。圖7是簡化后的河南省主干網的一部分，STATCOM裝于朝陽站。考察河南網冬季大運行方式，取擾動為2.5s時B點三相短路，2.62s切除故障線路，由于STATCOM安裝點和短路容量約為9800Mvar，為充分體現不同控制策略的效果，仿真中取STATCOM的容量設為±50Mvar。圖6的曲線分別是首陽山1＃機相對系統平衡節點（湖北境內）的功角搖擺及朝陽站220kV母線電壓。可見，協調控制可以有效地提高系統暫穩極限，充分利用允許的電壓波動以提高系統阻尼，并可發揮PI控制在小擾動時的平滑調節作用。從仿真結果還可以看出，該控制器設計原則對單機和多機系統都有效。由于以提高系統傳輸能力為目的的STATCOM（以及SVC、TCSC等其他FACTS設備）一般都裝于兩地區間長輸電線的中點，文獻［3］、［5］針對TCSC和SVC的阻尼控制指出這時可將裝置兩側系統等值后進行分析并給出了等值原則。在此條件下，以上對單機系統分析得到的規律對多機系統仍然可以適用。另外，雖然本文通過在平衡點線性化分析電壓與阻尼控制的矛盾并依此設計了控制器，但仿真結果顯示在大擾動后該控制器仍舊有效。文獻［6］通過阻尼力矩系數分析說明STATCOM強的電壓控制總對阻尼控制效果產生不利影響。大量阻尼力矩系數計算結果表明，在任何工作點，該規律皆成立。因此，基于該規律設計的控制器總是趨于增強系統的阻尼。 　　 圖6　河南電網仿真結果 　　——協調控制　　……非協調控制 　　Fig.6　Simulation result on the Henan Power Grid 　　 圖7　簡化后的河南電網的一部分 　 　Fig.7　Parts of the simplified Henan Power Grid [b]5　結論 [/b]　　多重控制目標的協調是STATCOM的控制必須解決的問題。本文通過理論分析與數字仿真，分析了STATCOM的各個控制目標間的矛盾，并給出了各目標協調的原則。本文指出，應根據當前系統的狀態確定最主要的控制目標，在不嚴重損害其他目標的實現的前提下，使主要目標盡可能得到實現。數字仿真表明，依據這些原則設計的控制器可較好地解決STATCOM的多目標協調控制問題。需要繼續深入的工作是建立能夠快速估計動態時系統狀態的判據，并根據此判據對系統的評價結果設計STATCOM的多目標控制器。 [b]參考文獻 [/b]　　[1]　姜齊榮.新型靜止無功發生器建模及其控制的研究：〔博士學位論文〕.北京：清華大學電機工程與應用電子系，1997. 　　[2]　CIGRE TF 38-01-06 on Load Flow Control,Load flow control in high voltage power systems using FACTS controllers.1996. 　　[3]　Larsen E V .et al.Concepts for design of FACTS controllers to damp power swings. 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