李 丹，倪俊強(qiáng)，趙成勇，郭春義

(1．華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206;

2．國(guó)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(dòng)LCC-HVDC系統(tǒng)研究

李 丹1，倪俊強(qiáng)2，趙成勇1，郭春義1

(1．華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206;

2．國(guó)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(qiáng)度。當(dāng)受端系統(tǒng)為極弱交流系統(tǒng)時(shí)，LCC-HVDC系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行就十分困難。將靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)接入LCC-HVDC逆變側(cè)的交流母線，組成混合直流輸電系統(tǒng)，來(lái)啟動(dòng)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(shè)計(jì)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(dòng)控制方法。采用分步啟動(dòng)的方式，先啟動(dòng)STATCOM，然后啟動(dòng)LCC-HVDC系統(tǒng)，在啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)的方式，啟動(dòng)過(guò)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(yùn)行時(shí)的控制策略，啟動(dòng)結(jié)束。最后，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了該啟動(dòng)控制方法的可行性和有效性。

LCC-HVDC;極弱交流系統(tǒng);啟動(dòng)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(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［1］，在我國(guó)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并且迅速發(fā)展。截止到目前，我國(guó)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的LCCHVDC工程達(dá)21項(xiàng)。2020年前，中國(guó)規(guī)劃的LCCHVDC工程達(dá)到20多項(xiàng)，大于世界上其他國(guó)家高壓直流輸電工程的總和。

LCC-HVDC工程的換流器采用無(wú)自關(guān)斷能力的普通晶閘管作為換流元件。因此，其運(yùn)行需要交流系統(tǒng)提供換相電流實(shí)現(xiàn)換相，使得 LCCHVDC運(yùn)行可靠性受兩端交流電網(wǎng)強(qiáng)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(dǎo)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(duì)變小，系統(tǒng)的強(qiáng)度在顯著降低，容易發(fā)生換相失敗和級(jí)聯(lián)換相失敗，使系統(tǒng)安全面臨嚴(yán)重威脅［6］。

FACTS技術(shù)自1980年問(wèn)世以來(lái)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(bǔ)償電力系統(tǒng)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償方面，與傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，STATCOM具有調(diào)節(jié)連續(xù)、諧波小、損耗低、運(yùn)行范圍寬、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)［10，11］。此外，當(dāng)電力系統(tǒng)電壓下降時(shí)，固定電容器發(fā)出的無(wú)功功率會(huì)降低，將會(huì)使得系統(tǒng)的電壓更加惡化。SVC是以電容器為基礎(chǔ)的，在其達(dá)到運(yùn)行極限時(shí)，裝置輸出的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)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(cè)交流母線，組成一個(gè)新的混合直流輸電系統(tǒng)，對(duì)抵御LCC-HVDC的換相失敗，提高LCC-HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行獨(dú)立性，具有重要意義。本文重點(diǎn)研究利用STATCOM對(duì)電壓的控制支撐能力，來(lái)啟動(dòng)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(shè)計(jì)了模型中的主要電氣參數(shù);然后，設(shè)計(jì)了利用STATCOM來(lái)啟動(dòng)極弱受端交流系統(tǒng)中的LCC-HVDC系統(tǒng)的啟動(dòng)控制方法;最后，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下驗(yàn)證了該啟動(dòng)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(dòng)和運(yùn)行問(wèn)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(guó)際大電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)直流測(cè)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(cè)交流系統(tǒng)短路比改為1.5。文獻(xiàn)［16，17］指出，當(dāng)短路比小于2時(shí)，LCC-HVDC的逆變側(cè)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(yùn)行，本文中逆變側(cè)短路比改為1.5后即為極弱交流系統(tǒng)，所以如果沒(méi)有STATCOM的存在，該LCC-HVDC不能正常運(yùn)行;而且PSCAD/EMTDC環(huán)境下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果也表明該系統(tǒng)在逆變側(cè)短路比為1.5時(shí)，不具備運(yùn)行能力。

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

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

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

考慮STATCOM的運(yùn)行范圍限制，對(duì)換流電感設(shè)計(jì)。通過(guò)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(lái)確定換流電抗的取值，從而確定STATCOM子系統(tǒng)的相關(guān)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(dòng)控制

2.1 啟動(dòng)控制策略

在啟動(dòng)時(shí)，采用分步啟動(dòng)的方式。首先是STATCOM子系統(tǒng)的啟動(dòng)，此時(shí)LCC-HVDC系統(tǒng)處于閉鎖狀態(tài)。啟動(dòng)過(guò)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(dòng)最初期，閉鎖STATCOM觸發(fā)脈沖，交流系統(tǒng)通過(guò)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(guò)自身定直流電壓來(lái)完成電容充電;當(dāng)STATCOM子系統(tǒng)啟動(dòng)成功后，就可以為L(zhǎng)CCHVDC子系統(tǒng)的啟動(dòng)提供無(wú)功功率支撐，通過(guò)定交流電壓來(lái)穩(wěn)定母線電壓保持LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線電壓的穩(wěn)定。LCC-HVDC子系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)方式，啟動(dòng)過(guò)程中逐漸增大電流調(diào)節(jié)器整定值［1］，直到啟動(dòng)結(jié)束，LCC-HVDC子系統(tǒng)完全切換為正常運(yùn)行時(shí)的控制策略。

在混合直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)采用定直流電流控制，逆變側(cè)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3STATCOM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Structure of control system for STATCOM

2.2 啟動(dòng)控制方法

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

其中，U為L(zhǎng)CC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線電壓基波相量，id，iq分別為L(zhǎng)CC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線與STATCOM交流側(cè)母線之間交換電流的d軸、q軸分量;Uc為STATCOM交流側(cè)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(shè)定值;L為STATCOM和LCCHVDC逆變側(cè)交流母線之間的等效電感;M為STATCOM所采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的調(diào)制度。STATCOM控制系統(tǒng)單元1的控制關(guān)系為動(dòng)成功，利用STATCOM啟動(dòng)極弱受端交流系統(tǒng)中的LCC-HVDC系統(tǒng)。

STATCOM子系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程如下。

啟動(dòng)初期，閉鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，投入限流電阻(限制啟動(dòng)初期的過(guò)電流，一段時(shí)間后切除)，通過(guò)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(cè)直流電壓后解鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，通過(guò)其自身的定直流電壓控制來(lái)提高STATCOM的直流電壓。當(dāng)STATCOM直流電壓穩(wěn)定在額定值時(shí)，STATCOM子系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

LCC-HVDC子系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程如下。

(1)LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)換流站換流變壓器網(wǎng)側(cè)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(cè)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(cè)關(guān)斷角調(diào)節(jié)器升高直流電壓，降低關(guān)斷角整定值至額定值(15°);

(5)LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器升高直流電流。直流電流整定值初值設(shè)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(yùn)行的額定值;

(6)在此過(guò)程中，隨直流功率上升，為滿足無(wú)功補(bǔ)償要求，逐組投入LCC-HVDC子系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)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(shí)，混合直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)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(duì)上述啟動(dòng)控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)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(jié)果如圖4～圖8所示。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為兩部分，在2.0 s之前，是STATCOM的啟動(dòng)過(guò)程，LCC-HVDC處于閉鎖狀態(tài)。2.0 s后開(kāi)始是LCCHVDC子系統(tǒng)的解鎖過(guò)程。

首先是STATCOM子系統(tǒng)的啟動(dòng)。在啟動(dòng)初

圖4 LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)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(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)程中STATCOM子系統(tǒng)直流電壓Fig．7 DC voltage of STATCOM subsystem during startup

圖8 啟動(dòng)過(guò)程中LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)關(guān)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(guò)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(dá)到額定值;在0.7 s解鎖STATCOM的觸發(fā)脈沖，通過(guò)STATCOM自身的定直流電壓控制來(lái)完成STATCOM的啟動(dòng)。但是由于LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)為極弱交流系統(tǒng)，而且STATCOM額定容量達(dá)到300 Mvar，對(duì)交流母線電壓造成一個(gè)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(dòng)過(guò)程結(jié)束。如圖7所示:STATCOM子系統(tǒng)的直流電壓在啟動(dòng)過(guò)程中有一個(gè)過(guò)沖，大約為額定直流電壓的20%，但在設(shè)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(cè)和逆變側(cè)換流變壓器的網(wǎng)側(cè)斷路器;投入一組交流濾波器并且在3.1 s解鎖逆變側(cè)的換流器和整流側(cè)的換流器;逐漸提高 LCCHVDC子系統(tǒng)直流電流并逐個(gè)投入交流濾波器和固定電容器。啟動(dòng)過(guò)程中LCC-HVDC逆變側(cè)的交流母線電壓基本維持在額定值，在不同設(shè)備的投入及控制動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生波動(dòng)，最大波動(dòng)不超過(guò)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(shè)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(cè)或者逆變側(cè)大容量無(wú)功補(bǔ)償設(shè)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(dòng)過(guò)程中可以較好地穩(wěn)定LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)的交流母線電壓，而且其直流電壓在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中基本維持在額定值附近(圖7)。

在整個(gè)混合直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中:LCC-HVDC子系統(tǒng)及STATCOM子系統(tǒng)均穩(wěn)定運(yùn)行;LCC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)的換流器關(guān)斷角一直大于臨界關(guān)斷角(7°)，沒(méi)有發(fā)生換相失敗，如圖8所示。

仿真結(jié)果表明整個(gè)混合直流輸電系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中有很好的響應(yīng)特性，從而驗(yàn)證了所提出的利用STATCOM啟動(dòng)受端是極弱交流系統(tǒng)時(shí)LCCHVDC控制方法的可行性和有效性。

3 結(jié)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(dòng)控制，得到以下結(jié)論:

(1)建立了混合直流輸電系統(tǒng)的模型，并設(shè)計(jì)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(dòng)控制方法。

(4)在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，驗(yàn)證了所提出的啟動(dòng)控制方法的可行性，而且在啟動(dòng)過(guò)程中LCC-HVDC子系統(tǒng)沒(méi)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(fù)階段的作用提供了思路。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51177042);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)主題項(xiàng)目課題(2013AA050105)．

李 丹 (1989－)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù);倪俊強(qiáng) (1988－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娕cFACTS技術(shù);趙成勇 (1964－)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娕cFACTS，電能質(zhì)量分析與控制等。