極弱受端交流系統(tǒng)情況下利用STATCOM啟動LCC-HVDC系統(tǒng)研究

李 丹，倪俊強，趙成勇，郭春義

(1．華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206;

2．國家電網(wǎng)公司上海金山供電公司，上海 200540)

極弱受端交流系統(tǒng)情況下利用STATCOM啟動LCC-HVDC系統(tǒng)研究

李 丹1，倪俊強2，趙成勇1，郭春義1

(1．華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206;

2．國家電網(wǎng)公司上海金山供電公司，上海 200540)

傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電 (LCC-HVDC)要求交流電網(wǎng)提供換相支撐，因此受端交流系統(tǒng)要有足夠的強度。當受端系統(tǒng)為極弱交流系統(tǒng)時，LCC-HVDC系統(tǒng)的啟動和運行就十分困難。將靜止同步無功補償器(STATCOM)接入LCC-HVDC逆變側的交流母線，組成混合直流輸電系統(tǒng)，來啟動受端是極弱交流系統(tǒng)的LCC-HVDC系統(tǒng)。首先，搭建了由STATCOM和LCC-HVDC組成的混合直流輸電系統(tǒng)的模型，設計了STATCOM和LCC-HVDC的控制策略，提出一種混合直流輸電系統(tǒng)的啟動控制方法。采用分步啟動的方式，先啟動STATCOM，然后啟動LCC-HVDC系統(tǒng)，在啟動時，STATCOM串聯(lián)了限流電阻，并采用了基于DQ軸解耦的控制策略。LCC-HVDC系統(tǒng)則采用軟啟動的方式，啟動過程中逐漸增大電流調(diào)節(jié)器整定值至額定值，直到系統(tǒng)完全切換為正常運行時的控制策略，啟動結束。最后，通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了該啟動控制方法的可行性和有效性。

LCC-HVDC;極弱交流系統(tǒng);啟動控制;STATCOM

0 引言

傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電(Line-Commuta-ted-Converter High Voltage Direct Current transmission，LCC-HVDC)以其技術上和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢［1］，在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛應用，并且迅速發(fā)展。截止到目前，我國投入商業(yè)運營的LCCHVDC工程達21項。2020年前，中國規(guī)劃的LCCHVDC工程達到20多項，大于世界上其他國家高壓直流輸電工程的總和。

LCC-HVDC工程的換流器采用無自關斷能力的普通晶閘管作為換流元件。因此，其運行需要交流系統(tǒng)提供換相電流實現(xiàn)換相，使得 LCCHVDC運行可靠性受兩端交流電網(wǎng)強度影響［2，3］。因此要保證可靠換相，LCC-HVDC的受端交流系統(tǒng)必須具有足夠的容量，即足夠的短路比。這一要求在一些工程中并不容易，如青藏直流，作為受端的拉薩電網(wǎng)，是典型的弱交流電網(wǎng)，導致?lián)Q相失敗經(jīng)常發(fā)生［4，5］;另外在南方電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)，隨著LCC-HVDC工程數(shù)量的不斷增多，容量的不斷增大，交流系統(tǒng)的容量相對變小，系統(tǒng)的強度在顯著降低，容易發(fā)生換相失敗和級聯(lián)換相失敗，使系統(tǒng)安全面臨嚴重威脅［6］。

FACTS技術自1980年問世以來的短短 30年，得到飛速的發(fā)展。作為第二代FACTS產(chǎn)品，STATCOM在電力系統(tǒng)中的作用［7～9］主要有:(1)補償電力系統(tǒng)無功，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性;(2)增大電力系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)中的振蕩;(3)提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限與暫態(tài)穩(wěn)定極限。

在無功補償方面，與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，STATCOM具有調(diào)節(jié)連續(xù)、諧波小、損耗低、運行范圍寬、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點［10，11］。此外，當電力系統(tǒng)電壓下降時，固定電容器發(fā)出的無功功率會降低，將會使得系統(tǒng)的電壓更加惡化。SVC是以電容器為基礎的，在其達到運行極限時，裝置輸出的無功電流將隨著電壓的下降迅速下降，而STATCOM即使在系統(tǒng)電壓降到較低的情況下，其輸出的容性電流仍然可以維持不變，不依賴電壓值。與其他無功補償設備相比，STATCOM在抑制母線電壓振蕩、提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平方面作用突出［12～14］。

因此，將STATCOM接入受端是極弱交流系統(tǒng)的LCC-HVDC的逆變側交流母線，組成一個新的混合直流輸電系統(tǒng)，對抵御LCC-HVDC的換相失敗，提高LCC-HVDC系統(tǒng)的運行獨立性，具有重要意義。本文重點研究利用STATCOM對電壓的控制支撐能力，來啟動極弱受端交流系統(tǒng)中的LCCHVDC系統(tǒng)。首先建立了混合直流輸電系統(tǒng)中LCC-HVDC和STATCOM的模型，設計了模型中的主要電氣參數(shù);然后，設計了利用STATCOM來啟動極弱受端交流系統(tǒng)中的LCC-HVDC系統(tǒng)的啟動控制方法;最后，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下驗證了該啟動控制方法的有效性。本文在一定程度上解決了LCC-HVDC自身存在的極弱受端系統(tǒng)中的啟動和運行問題，拓展了LCC-HVDC在電力系統(tǒng)的功能和作用。

1 混合直流輸電系統(tǒng)模型

LCC-HVDC和STATCOM組成的混合直流輸電系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 混合直流輸電系統(tǒng)模型Fig．1 Hybrid HVDC system model

混合直流輸電系統(tǒng)包括LCC-HVDC子系統(tǒng)和STATCOM子系統(tǒng)兩部分。

LCC-HVDC子系統(tǒng)與國際大電網(wǎng)標準直流測試系統(tǒng)(CIGRE)模型［15］的基本參數(shù)相同。額定容量為1 000 MW、直流電壓500 kV;但是逆變側交流系統(tǒng)短路比改為1.5。文獻［16，17］指出，當短路比小于2時，LCC-HVDC的逆變側為極弱交流系統(tǒng)。而LCC-HVDC在極弱受端交流系統(tǒng)條件下不能運行，本文中逆變側短路比改為1.5后即為極弱交流系統(tǒng)，所以如果沒有STATCOM的存在，該LCC-HVDC不能正常運行;而且PSCAD/EMTDC環(huán)境下的電磁暫態(tài)仿真結果也表明該系統(tǒng)在逆變側短路比為1.5時，不具備運行能力。

在該混合直流輸電系統(tǒng)中，STATCOM的容量為300 Mvar，其簡要模型如圖2所示。

如圖2所示，當STATCOM采用正弦脈寬SPWM調(diào)制時，其輸出交流基波線電壓如式(1):

圖2 STATCOM子系統(tǒng)簡要模型Fig．2 STATCOM subsystem brief model

考慮STATCOM的運行范圍限制，對換流電感設計。通過研究換流站在穩(wěn)態(tài)下交流電壓、直流電壓與換流電抗器取值之間的內(nèi)在聯(lián)系，來確定換流電抗的取值，從而確定STATCOM子系統(tǒng)的相關參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 混合直流輸電系統(tǒng)模型主要參數(shù)Tab．1 Primary parameters of hybrid HVDC system model

2 混合直流輸電系統(tǒng)的啟動控制

2.1 啟動控制策略

在啟動時，采用分步啟動的方式。首先是STATCOM子系統(tǒng)的啟動，此時LCC-HVDC系統(tǒng)處于閉鎖狀態(tài)。啟動過程中STATCOM子系統(tǒng)串聯(lián)了限流電阻，采用了基于DQ軸解耦的定直流電壓和定交流電壓的控制策略。STATCOM啟動最初期，閉鎖STATCOM觸發(fā)脈沖，交流系統(tǒng)通過限流電阻和續(xù)流二極管向STATCOM直流電容充電;之后解鎖STATCOM觸發(fā)脈沖并切除限流電阻，STATCOM通過自身定直流電壓來完成電容充電;當STATCOM子系統(tǒng)啟動成功后，就可以為LCCHVDC子系統(tǒng)的啟動提供無功功率支撐，通過定交流電壓來穩(wěn)定母線電壓保持LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側交流母線電壓的穩(wěn)定。LCC-HVDC子系統(tǒng)采用軟啟動方式，啟動過程中逐漸增大電流調(diào)節(jié)器整定值［1］，直到啟動結束，LCC-HVDC子系統(tǒng)完全切換為正常運行時的控制策略。

在混合直流輸電系統(tǒng)正常運行時，LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側采用定直流電流控制，逆變側采用定熄弧角控制［1～3］;STATCOM子系統(tǒng)采用定直流電壓和定交流電壓的控制策略。STATCOM定直流電壓和定交流電壓控制的控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3STATCOM控制系統(tǒng)結構圖Fig．3 Structure of control system for STATCOM

2.2 啟動控制方法

混合直流輸電系統(tǒng)的啟動，即利用STATCOM啟動極弱受端系統(tǒng)中的LCC-HVDC系統(tǒng)共分為兩個過程:首先是STATCOM子系統(tǒng)的啟動，此時LCC-HVDC子系統(tǒng)處于閉鎖狀態(tài);其次是LCCHVDC子系統(tǒng)啟動，此時STATCOM子系統(tǒng)已經(jīng)啟

其中，U為LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側交流母線電壓基波相量，id，iq分別為LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側交流母線與STATCOM交流側母線之間交換電流的d軸、q軸分量;Uc為STATCOM交流側母線電壓基波相量;δ為Uc滯后U的角度;Udc為STATCOM的直流電壓;Uref和Udcref為被控量U和Udc的參考輸入，即設定值;L為STATCOM和LCCHVDC逆變側交流母線之間的等效電感;M為STATCOM所采用脈寬調(diào)制技術(PWM)的調(diào)制度。STATCOM控制系統(tǒng)單元1的控制關系為動成功，利用STATCOM啟動極弱受端交流系統(tǒng)中的LCC-HVDC系統(tǒng)。

STATCOM子系統(tǒng)的啟動過程如下。

啟動初期，閉鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，投入限流電阻(限制啟動初期的過電流，一段時間后切除)，通過續(xù)流二極管向STATCOM的直流電容充電。直流電壓穩(wěn)定后，檢測直流電壓后解鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，通過其自身的定直流電壓控制來提高STATCOM的直流電壓。當STATCOM直流電壓穩(wěn)定在額定值時，STATCOM子系統(tǒng)啟動過程結束。

LCC-HVDC子系統(tǒng)的啟動過程如下。

(1)LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側和逆變側換流站換流變壓器網(wǎng)側斷路器分別合閘，使得換流變壓器和換流閥帶電;

(2)LCC-HVDC子系統(tǒng)的逆變側換流站投入一組交流濾波器;

(3)在觸發(fā)角大于90°條件下，在3.1 s解鎖LCC-HVDC子系統(tǒng)的逆變器，之后解鎖整流器;

(4)LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側關斷角調(diào)節(jié)器升高直流電壓，降低關斷角整定值至額定值(15°);

(5)LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側電流調(diào)節(jié)器升高直流電流。直流電流整定值初值設置為0.1 p．u．，按直線規(guī)律上升，4.5 s上升至LCC-HVDC子系統(tǒng)運行的額定值;

(6)在此過程中，隨直流功率上升，為滿足無功補償要求，逐組投入LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側和逆變側的交流濾波器和固定電容器;

(7)在LCC-HVDC子系統(tǒng)直流電壓和直流電流均升到額定值時，混合直流輸電系統(tǒng)轉入正常運行，啟動過程結束。

2.3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下搭建了混合直流輸電系統(tǒng)模型，對上述啟動控制方法進行仿真驗證。按照前文所述混合直流輸電系統(tǒng)模型中LCC-HVDC子系統(tǒng)和STATCOM子系統(tǒng)的電氣參數(shù)和控制策略搭建混合直流輸電系統(tǒng)的模型。仿真結果如圖4～圖8所示。整個啟動過程分為兩部分，在2.0 s之前，是STATCOM的啟動過程，LCC-HVDC處于閉鎖狀態(tài)。2.0 s后開始是LCCHVDC子系統(tǒng)的解鎖過程。

首先是STATCOM子系統(tǒng)的啟動。在啟動初

圖4 LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側交流母線電壓有效值Fig．4 RMS voltage of the AC bus in inverter side of LCC-HVDC subsystem

圖5 啟動過程中LCC-HVDC子系統(tǒng)直流電壓Fig．5 DC voltage of LCC-HVDC subsystem during startup

圖6 啟動過程中LCC-HVDC子系統(tǒng)直流電流Fig．6 DC current of LCC-HVDC subsystem during startup

圖7 啟動過程中STATCOM子系統(tǒng)直流電壓Fig．7 DC voltage of STATCOM subsystem during startup

圖8 啟動過程中LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側關斷角Fig．8 Extinction angle in inverter side of LCC-HVDC

期0.5 s，閉合斷路器，將STATCOM聯(lián)接于交流系統(tǒng)，閉鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，交流系統(tǒng)通過限流電阻(在STATCOM觸發(fā)脈沖解鎖后切除)和續(xù)流二極管向STATCOM直流電容充電，其直流電壓穩(wěn)定在0.7 p．u．左右，未能達到額定值;在0.7 s解鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，通過STATCOM自身的定直流電壓控制來完成STATCOM的啟動。但是由于LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側為極弱交流系統(tǒng)，而且STATCOM額定容量達到300 Mvar，對交流母線電壓造成一個沖擊，此沖擊是由于STATCOM觸發(fā)脈沖的解鎖，STATCOM自身的控制造成。如圖4所示;直到2.0 s，STACOM直流電壓穩(wěn)定在額定值，STATCOM啟動過程結束。如圖7所示:STATCOM子系統(tǒng)的直流電壓在啟動過程中有一個過沖，大約為額定直流電壓的20%，但在設備自身允許的范圍之內(nèi)。

然后是LCC-HVDC子系統(tǒng)的解鎖(2.0 s之后):閉合整流側和逆變側換流變壓器的網(wǎng)側斷路器;投入一組交流濾波器并且在3.1 s解鎖逆變側的換流器和整流側的換流器;逐漸提高 LCCHVDC子系統(tǒng)直流電流并逐個投入交流濾波器和固定電容器。啟動過程中LCC-HVDC逆變側的交流母線電壓基本維持在額定值，在不同設備的投入及控制動作時，產(chǎn)生波動，最大波動不超過10%，如圖4所示。由圖5和圖6可以看出，LCCHVDC子系統(tǒng)直流電壓和直流電流按照設定值變化，其中產(chǎn)生了幾次較大的突變，這是由于LCCHVDC子系統(tǒng)整流側或者逆變側大容量無功補償設備(交流濾波器或者固定電容器)投入造成的;STATCOM子系統(tǒng)在LCC-HVDC啟動過程中可以較好地穩(wěn)定LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側的交流母線電壓，而且其直流電壓在整個啟動過程中基本維持在額定值附近(圖7)。

在整個混合直流輸電系統(tǒng)的啟動過程中:LCC-HVDC子系統(tǒng)及STATCOM子系統(tǒng)均穩(wěn)定運行;LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側的換流器關斷角一直大于臨界關斷角(7°)，沒有發(fā)生換相失敗，如圖8所示。

仿真結果表明整個混合直流輸電系統(tǒng)在啟動過程中有很好的響應特性，從而驗證了所提出的利用STATCOM啟動受端是極弱交流系統(tǒng)時LCCHVDC控制方法的可行性和有效性。

3 結論

本文研究了極弱受端交流系統(tǒng)下LCC-HVDC和STATCOM組成的混合直流輸電系統(tǒng)的啟動控制，得到以下結論:

(1)建立了混合直流輸電系統(tǒng)的模型，并設計模型中STATCOM子系統(tǒng)和LCC-HVDC子系統(tǒng)的參數(shù);

(2)確定混合直流輸電系統(tǒng)中STATCOM和LCC-HVDC的控制策略;

(3)提出一種混合直流輸電系統(tǒng)的柔性分步啟動控制方法。

(4)在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，驗證了所提出的啟動控制方法的可行性，而且在啟動過程中LCC-HVDC子系統(tǒng)沒有發(fā)生換相失敗。

(5)本文的工作為發(fā)揮LCC-HVDC系統(tǒng)在大電網(wǎng)故障后的電網(wǎng)恢復階段的作用提供了思路。

［1］浙江大學發(fā)電教研組直流輸電科研組．直流輸電［M］．北京:電力工業(yè)出版社，1982．

［2］徐政．交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［3］趙畹君．高壓直流輸電工程技術 ［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［4］唐曉駿，劉東冉，陳麟宇，等．青藏直流接入后西藏地區(qū)電網(wǎng)電壓/無功控制 ［J］．電網(wǎng)技術，2010，34(9):94－99．

［5］吳沖，劉漢偉，董衛(wèi)國，等．青藏直流聯(lián)網(wǎng)后藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的重構［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2013，29(1):54－57．

［6］朱韜析，寧武軍，歐開?。绷鬏旊娤到y(tǒng)換相失敗探討 ［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(23):116－120．

［7］張彥魁，張焰，盧國良．基于PWM控制及相角控制的靜止同步補償器潮流模型及應用［J］．中國電機工程學報，2005，25(17):42－47．

［8］許湘蓮．基于級聯(lián)多電平逆變器的STATCOM及其控制策略研究 ［D］．武漢:華中科技大學，2006．

［9］許赟．混合級聯(lián)多電平拓撲及其在STATCOM中的應用研究［D］．武漢:華中科技大學，2008．

［10］B Nayak，A M Gole，D G Chapman，et al．Dynamic performance of static and synchronous compensators at an HVDC inverter bus in a very weak AC system［J］．Power Systems，IEEE Transactions on，1994.9(3):1350－1358

［11］Noroozian M，Petersson A N，Thorvaldson B，et al．Benefits of SVC and STATCOM for electric utility application［C］．Transmission and Distribution Conference and Exposition，2003 IEEE PES，2003，3:1143－1150．

［12］栗春，姜齊榮，王仲鴻．基于規(guī)則的STATCOM的控制器設計［J］．中國電機工程學報，1999，19(6):56－59．

［13］魏文輝，劉文華，宋強，等．基于逆系統(tǒng)方法有功—無功解耦PWM控制的鏈式STATCOM動態(tài)控制策略研究 ［J］．中國電機工程學報，2005，25(3):23－28．

［14］劉觀起，石新聰．STATCOM影響高壓直流輸電動態(tài)響應性能的仿真研究 ［J］．華北電力大學學報，2010，37(2):20－23，28．

［15］Szechtman M，Wess T，Thio C V．A benchmark model for HVDC system studies［C］．London，UK:Proceeding of International Conference on AC and DC Power Transmission，IEE，1991．374－378．

［16］徐政．聯(lián)于弱交流系統(tǒng)的直流輸電特性研究之一—直流輸電的輸送能力 ［J］．電網(wǎng)技術，1997，21(1):12－16．

［17］IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-Circuit Capacities［S］．IEEE Standard 1204－1997．

LCC-HVDC system start-up by STATCOM with a very weak receiving AC system

LI Dan1，NI Jun-qiang2，ZHAO Cheng-yong1，GUO Chun-yi1
(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;
2．State Grid Shanghai Jinshan Electric Power Supply Company，Shanghai 200540，China)

Line-commutated-converter high voltage direct current transmission(LCC-HVDC)requires AC system to provide commutation support．So its receiving system must have sufficient strength．If the receiving system is a very weak AC system，the start-up and operation of LCC-HVDC system will be very difficult．Thus，static synchronous compensator(STATCOM)is considered to connect with the AC bus at the LCC inverter side，which composes a hybrid HVDC system，to start up the LCC-HVDC system with a very weak receiving side AC system．First，the model of hybrid HVDC system is developed，and the control strategies of STATCOM and LCC-HVDC in the hybrid HVDC system are designed separately．Then，a step-by-step startup method for the hybrid HVDC system is proposed．The STATCOM starts firstly，followed by LCC-HVDC system．During the start-up period，a current-limiting resistance is connected in series with STATCOM and the control strategy based on decoupled D-Q axis is adopted．For the LCC-HVDC system，a soft-start procedure is used to gradually increase the current setting value to the rated value．When the start-up process ends，the control strategies of the whole system is completely switched to the normal control state．Finally，the simulation results in PSCAD/EMTDC show that the control method of startup is feasible and effective．

LCC-HVDC;very weak AC system;startup control;STATCOM

TM 721.1

A

1007－2691(2014)02－0001－05

10.3969/j.ISSN.1007－2691.2014.02.01

2013－11－20．

國家自然科學基金資助項目 (51177042);國家高技術研究發(fā)展計劃 (863計劃)主題項目課題(2013AA050105)．

李 丹 (1989－)，女，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電技術;倪俊強 (1988－)，男，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電與FACTS技術;趙成勇 (1964－)，男，教授，博士生導師，研究方向為高壓直流輸電與FACTS，電能質(zhì)量分析與控制等。