1　引言 　　STATCOM是將靜止無功補償、電壓源逆變、大功率門極可關(guān)斷晶體管（GTO）的制造與控制等技術(shù)相互結(jié)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(tǒng)）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(shè)計是整個STATCOM裝置設(shè)計中非常重要的一環(huán)，本文試圖討論控制器設(shè)計中遇到的多控制目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。 　　STATCOM除了向系統(tǒng)提供電壓支撐，還應(yīng)在提高系統(tǒng)暫穩(wěn)極限、阻尼系統(tǒng)功率振蕩方面貢獻力量〔1，2〕。本文通過理論分析和數(shù)字仿真，說明以上的控制目標(biāo)在系統(tǒng)的暫態(tài)過程中往往是互相矛盾的，不可能使這些控制目標(biāo)同時達到最優(yōu)。為此本文給出了對這些矛盾折衷的原則并依此設(shè)計了協(xié)調(diào)控制器。對單機和多機系統(tǒng)的數(shù)字仿真表明該控制器可有效地協(xié)調(diào)以上控制目標(biāo)。 [b]2　STATCOM與系統(tǒng)的接口 [/b]　　圖1～3是一個中點接有STATCOM的單機-無窮大系統(tǒng)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(tǒng)級研究時，用一個可控的無功電流源來描述STATCOM〔2〕可較準(zhǔn)確地描述STATCOM的特性，同時也可簡化STATCOM與系統(tǒng)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(shù)字仿真中還用到如下假設(shè)： 　　（1）發(fā)電機機械輸入功率恒定。 　 　圖1　裝有STATCOM的單機無窮大系統(tǒng) 　　 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 　?。?）發(fā)電機用經(jīng)典二階模型表示，E′恒定。 　　（3）忽略發(fā)電機、變壓器、線路的電阻。 　?。?）Iq以向系統(tǒng)發(fā)出感性無功為正。 [b]3　STATCOM的多目標(biāo)控制問題 [/b]　　STATCOM通過向系統(tǒng)提供無功電流而維持（或改變）其接入點的電壓，并由此調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電磁功率，進而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以STATCOM面臨的主要控制目標(biāo)至少有： 　?。?）維持系統(tǒng)電壓。通過快速的無功調(diào)節(jié)將系統(tǒng)某點電壓維持在設(shè)定的水平，是發(fā)展并聯(lián)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(diào)節(jié)效果最好的裝置。 　?。?）提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限，即提高第一擺穩(wěn)定性。由等面積法則可知，在系統(tǒng)發(fā)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(fā)電機轉(zhuǎn)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(tǒng)的暫穩(wěn)極限。對圖2所示的系統(tǒng)，設(shè)x1＝x2=XL/2，E＇=Vc=1，則接入STATCOM后發(fā)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(fā)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(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限。 　　（3）增加系統(tǒng)阻尼。通過控制STATCOM的無功輸出以改變發(fā)電機的有功輸出從而增加系統(tǒng)的阻尼是對發(fā)電機控制中PSS概念的發(fā)展［3］。 　　考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電機阻尼系數(shù) 　　2H　　——發(fā)電機慣性時間常數(shù)，s 　　顯然，唯一能影響電機轉(zhuǎn)子運動規(guī)律的是可控的ΔPe。若假設(shè)穩(wěn)態(tài)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(shù)KD=，從而增強系統(tǒng)的阻尼。但與勵磁控制不同，對STATCOM（以及如SVC、TCSC等其他遠離發(fā)電機的FACTS裝置）而言，Δω不可直接從當(dāng)?shù)販y得。本文假設(shè)Δω可以通過直接或間接的方法獲取。 [b]4　多重控制目標(biāo)的矛盾及其協(xié)調(diào) [/b]　　對于上述的每一個控制目標(biāo)，都可以設(shè)計出一個相應(yīng)的最佳的控制器。比如以參數(shù)合適的PI控制器來保證電壓控制的動態(tài)品質(zhì)與穩(wěn)態(tài)精度；由于STATCOM裝置容量有限，以開關(guān)控制，在Δω＞0時使STATCOM發(fā)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(tǒng)的阻尼。文獻［4］針對SVC的控制指出這種開關(guān)控制方式可以比連續(xù)控制更有效地阻尼系統(tǒng)的振蕩；為提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限，STATCOM應(yīng)在擾動發(fā)生后發(fā)電機的第一擺期間發(fā)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： 　?。?）純電壓控制不能向系統(tǒng)提供正的阻尼。系統(tǒng)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(shè)裝置容量足夠大、電壓控制足夠強以致使Vm為常數(shù)，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(shù)KD，僅能增加同步功率系數(shù)。 　?。?）要增強系統(tǒng)阻尼振蕩的能力，則必須以犧牲電壓品質(zhì)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(diào)阻尼控制必然使式（6）被破壞，從而損壞電壓品質(zhì)。 　?。?）同理，為提高系統(tǒng)暫穩(wěn)極限而在第一擺時采用的開關(guān)控制也不利于維持電壓。 　　圖4是系統(tǒng)1在經(jīng)受大擾動后在不同控制方式下的功角及電壓響應(yīng)曲線。 　　 圖4　在電壓控制與阻尼控制下系統(tǒng)響應(yīng)的比較 　　——側(cè)重穩(wěn)定控制　　……側(cè)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(xì)調(diào)節(jié)阻尼控制器，可以僅用兩次切換使系統(tǒng)接進新的穩(wěn)態(tài)，極有效地抑制功率振蕩，但電壓品質(zhì)卻受到較嚴(yán)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(tài)過程中幾乎保持不變，但不能為系統(tǒng)提供正的阻尼。因此，尋找一個適當(dāng)?shù)恼壑?，在不過分損害其它目標(biāo)的實現(xiàn)的前提下，使主要控制目標(biāo)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(tǒng)第一擺的穩(wěn)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(yīng)在此期間發(fā)出最大的感性無功電流。即： 　?。?）在故障恢復(fù)后δ的增加階段 　　if U＜Ulim max，then Iq= Iqmax；　　elseIq=kIqmax 　　k為小于1的正數(shù)。需要說明的是，在系統(tǒng)故障過程中STATCOM為保護自身安全一般處于脈沖封鎖狀態(tài)，故障恢復(fù)后立即重新投入。 　　若系統(tǒng)沒有在第一擺失去穩(wěn)定，盡快平息功率振蕩將成為新的首要目標(biāo)。這時面臨的問題是如何在阻尼振蕩與穩(wěn)定電壓之間取得折衷。在不使電壓發(fā)生很大幅度的波動的前提下，應(yīng)該盡可能快地使功率振蕩平息下來。為此應(yīng)“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(shù)，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(yīng)發(fā)出和吸收的最大感性無功。k3，k4為正常數(shù)，其確定的原則如文獻〔4〕所述?？傊谶@期間控制的原則是充分利用動態(tài)工況下允許的電壓波動以盡快地平息功率振蕩。 　　當(dāng)功率振蕩的幅度小于一定值后，仍采用開關(guān)控制會使系統(tǒng)經(jīng)受不應(yīng)有的沖擊。振蕩基本平息后的主要控制目標(biāo)是盡快將電壓精確調(diào)回到給定值。這時使用PI控制器是恰當(dāng)?shù)倪x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(shù)的。 　　依據(jù)以上3條原則可構(gòu)成協(xié)調(diào)控制器，圖5中實線是在前述故障下系統(tǒng)1在該控制器的作用下的動態(tài)響應(yīng)曲線。虛線是固定參數(shù)的電壓PI控制疊加轉(zhuǎn)速變化起動的開關(guān)控制構(gòu)成的控制器的調(diào)節(jié)效果。 　 　圖5　協(xié)調(diào)控制的效果 　　——協(xié)調(diào)控制　　……非協(xié)調(diào)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(jié)點系統(tǒng)仿真的結(jié)果。圖7是簡化后的河南省主干網(wǎng)的一部分，STATCOM裝于朝陽站。考察河南網(wǎng)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(xiàn)不同控制策略的效果，仿真中取STATCOM的容量設(shè)為±50Mvar。圖6的曲線分別是首陽山1＃機相對系統(tǒng)平衡節(jié)點（湖北境內(nèi)）的功角搖擺及朝陽站220kV母線電壓?？梢?，協(xié)調(diào)控制可以有效地提高系統(tǒng)暫穩(wěn)極限，充分利用允許的電壓波動以提高系統(tǒng)阻尼，并可發(fā)揮PI控制在小擾動時的平滑調(diào)節(jié)作用。從仿真結(jié)果還可以看出，該控制器設(shè)計原則對單機和多機系統(tǒng)都有效。由于以提高系統(tǒng)傳輸能力為目的的STATCOM（以及SVC、TCSC等其他FACTS設(shè)備）一般都裝于兩地區(qū)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(cè)系統(tǒng)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(tǒng)分析得到的規(guī)律對多機系統(tǒng)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(shè)計了控制器，但仿真結(jié)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(shù)分析說明STATCOM強的電壓控制總對阻尼控制效果產(chǎn)生不利影響。大量阻尼力矩系數(shù)計算結(jié)果表明，在任何工作點，該規(guī)律皆成立。因此，基于該規(guī)律設(shè)計的控制器總是趨于增強系統(tǒng)的阻尼。 　　 圖6　河南電網(wǎng)仿真結(jié)果 　　——協(xié)調(diào)控制　　……非協(xié)調(diào)控制 　　Fig.6　Simulation result on the Henan Power Grid 　　 圖7　簡化后的河南電網(wǎng)的一部分 　 　Fig.7　Parts of the simplified Henan Power Grid [b]5　結(jié)論 [/b]　　多重控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)是STATCOM的控制必須解決的問題。本文通過理論分析與數(shù)字仿真，分析了STATCOM的各個控制目標(biāo)間的矛盾，并給出了各目標(biāo)協(xié)調(diào)的原則。本文指出，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)確定最主要的控制目標(biāo)，在不嚴(yán)重?fù)p害其他目標(biāo)的實現(xiàn)的前提下，使主要目標(biāo)盡可能得到實現(xiàn)。數(shù)字仿真表明，依據(jù)這些原則設(shè)計的控制器可較好地解決STATCOM的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制問題。需要繼續(xù)深入的工作是建立能夠快速估計動態(tài)時系統(tǒng)狀態(tài)的判據(jù)，并根據(jù)此判據(jù)對系統(tǒng)的評價結(jié)果設(shè)計STATCOM的多目標(biāo)控制器。 [b]參考文獻 [/b]　　[1]　姜齊榮.新型靜止無功發(fā)生器建模及其控制的研究：〔博士學(xué)位論文〕.北京：清華大學(xué)電機工程與應(yīng)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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