數(shù)字變電站中電子式變壓器自適應(yīng)控制與校正方法

樓曉軒，程祥，周文，宋平，郗傳鑫，劉潤苗

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310020；2.江蘇凌創(chuàng)電氣自動化股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 310020； 3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211167)

0 引 言

隨著建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)工作的推進(jìn)，變電站也逐漸邁入數(shù)字化和信息化的發(fā)展階段[1]。數(shù)字化變電站作為電力物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，具備連接線路、傳輸電能和變換電壓等級等功能[2-3]。電子式變壓器作為電力系統(tǒng)電流測量設(shè)備，承擔(dān)著監(jiān)測一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和為二次設(shè)備提供真實(shí)可靠電氣量的任務(wù)，是繼電保護(hù)系統(tǒng)中的重要組件[4]。新型電子式變壓器具有動態(tài)范圍大、測量精度高、頻帶響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，但其在現(xiàn)場運(yùn)行中還面臨著許多待完善的技術(shù)問題，如互感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理以及互感器狀態(tài)監(jiān)測等。面對大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需要，電子式變壓器的測量準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定性和電磁兼容可靠性等有待時間的考驗(yàn)[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電子式變壓器實(shí)際應(yīng)用中的具體問題進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]優(yōu)化了數(shù)字積分(digital integral，DI)算法，利用微分控制器調(diào)節(jié)衰減因子削弱直流分量的作用，減小直流偏差以提高精度。文獻(xiàn)[7]采用可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)，根據(jù)實(shí)際需要變換不同量程以克服小信號易造成較大采樣誤差的難題。文獻(xiàn)[8]利用分散神經(jīng)自適應(yīng)動態(tài)表面控制方式(decentralized neural adaptivedynamic control，DNADC)，補(bǔ)償未知非線性動力學(xué)，并引入誤差變換函數(shù)，使功角跟蹤誤差保持在預(yù)定的性能曲線上。但上述方法在處理現(xiàn)場工作中存在大量干擾諧波，采樣誤差較高。比例積分(proportional integral，PI)控制器是電力電子變換器中最常用的控制器，其輸出端有良好的性能，與智能控制器相結(jié)合可削弱非線性量的影響。為了解決智能控制計(jì)算量大、系統(tǒng)動態(tài)性能不佳且采樣率低等問題，提出了一種數(shù)字變電站中電子式變壓器自適應(yīng)控制與校正方法。

1 電子式變壓器的自適應(yīng)控制

數(shù)字變電站中電子式變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入、隔離和輸出三個部分，并且每個部分都有一個獨(dú)立的控制單元[9]，如圖1所示。

圖1 電子式變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電子式變壓器的輸入級為三電平三相脈沖寬度調(diào)制，而對于控制器的建模，需要基于Park變換將三相電壓變量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的變量。電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的綜合解耦dq控制器中，利用PI控制器可得到電子互感器雙閉環(huán)控制器。由于PI參數(shù)在可變工作條件下有一個固定值，導(dǎo)致系統(tǒng)在分散擾動下的動態(tài)性能較差。為了克服這一問題，采用FLC在線自動調(diào)整PI控制器的增益參數(shù)，以處理線性和非線性操作?；诮Y(jié)合FLC的自適應(yīng)PI控制器的電子變壓器控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于自適應(yīng)控制器的電子變壓器控制結(jié)構(gòu)

所提的自適應(yīng)控制器由兩個輸入(誤差e、PI控制器輸出信號u)和兩個輸出信號組成，其FLC的兩個輸出自動調(diào)節(jié)PI控制器的Kp項(xiàng)和KI項(xiàng)的信號。當(dāng)負(fù)載電流變化或短路故障引起大擾動時，F(xiàn)LC根據(jù)誤差e信號和PI輸出控制信號u的變化自動更新PI增益，通過檢測與FLC輸入的可能偏差，可以自動設(shè)置設(shè)定點(diǎn)變化和負(fù)載擾動的PI控制器參數(shù)。

2 電子式變壓器的校正方法

電子式變壓器的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，所提方法通過改進(jìn)傳統(tǒng)離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)算法，完成對電子式變壓器采樣數(shù)據(jù)的有效提取。采樣數(shù)據(jù)x(n)進(jìn)行DFT變換為X(k)：

(1)

式中:λ為采樣頻率的波動和變化;k=0,1,…,N-1;φB為基頻初始相位角;A為離散域幅值;N為采樣個數(shù)。

采樣數(shù)據(jù)DFT變換后的相位頻譜φs和角差Δφ為：

(2)

按照電網(wǎng)中存在非線性負(fù)荷的波形特點(diǎn)，將采樣波形等數(shù)目地截?cái)嘣谶M(jìn)行疊加，以此削弱頻率波動和頻譜泄漏對電子式變壓器精度的影響。

電子式變壓器中使用了大量電力電子器件，因此基頻主譜線易受到高次諧波、譜間干擾的影響。為此，所提方法采用快速傅里葉變換與窗函數(shù)相結(jié)合的方法校正主頻譜，以減少電子式變壓器采樣數(shù)據(jù)中幅值與相位的誤差。主頻譜信號為x(t)=exp[j(ω0t+φ0)]。式中：ω0為初始角頻率;φ0為初始角度。存在頻偏時，信號基波頻率設(shè)為f0。第i個頻譜所對應(yīng)的X(k)在f0附近的峰值序列設(shè)為ki,該點(diǎn)的頻率為fi=ki·fs/N。式中：fs為采樣頻率。設(shè)(fi-f0)N/fs的值為σ1。將x(n)等數(shù)目截?cái)嗪螅玫乳L同頻信號x1(n)和x2(n)，則加WH2(n)后，兩者的相位差為：

φ(f1)-φ(f2)=φ0-2π(f1-f0)N/(2fs)-
[φ0-2π(f2-f0)N/(2fs)+πf0ts]=πf0ts=-2πσ1

(3)

式中:φ(f1)為x1(n)的相位;φ(f2)為x2(n)的相位;f1、f2分別為x1(n)和x2(n)的頻率;ts為采樣時間。

由窗函數(shù)的性質(zhì)可得校正后的相位φ和幅值Y分別為：

(4)

式中:k0為第0個頻譜所對應(yīng)的X(k)在f0附近的峰值序列。

3 結(jié)果與分析

為了評估所提方法的性能，利用MATLAB/Simulink構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：額定功率100 kVA，輸入電壓11 kV，輸入電感0.25 H，高壓側(cè)電容20 μF，低壓側(cè)電容30 mF，負(fù)荷100 kW。通過在電子式變壓器一次側(cè)和二次側(cè)引入擾動，對所提方法的動態(tài)性能、電能質(zhì)量和采樣準(zhǔn)確率進(jìn)行評估。

3.1 短路故障

當(dāng)電子式變壓器二次側(cè)發(fā)生短路故障時，其輸出有功和無功功率如圖3(a)所示。當(dāng)一次側(cè)發(fā)生故障時，輸入有功和無功功率相應(yīng)如圖3(b)所示。

從圖3(a)可看出，短路故障在1.2 s后開始，當(dāng)發(fā)生短路故障時，輸出有功功率從98 kW降到26 kW。從圖3(b)可看出，采用所提方法的電子互感器輸出有功下降了大約3 kW，而采用傳統(tǒng)PI控制器的電子互感器輸出有功下降了大約54 kW，因此電子互感器采用所提方法，其有功輸出受短路故障的影響較小。

圖3 短路故障時電子式變壓器的有功和無功功率

3.2 校正方法性能分析

為了論證所提校正方法的有效性，將其與其他三種不同方法(DI、PGA和DNADC)進(jìn)行對比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，隨著頻率的增大，PGA和DNADC方法的角差逐步縮小，而DI方法角差也隨之增大，所提方法的角差分布與差變化趨勢一直，均較為平穩(wěn)，當(dāng)頻率為49.7 Hz時出現(xiàn)最大角差0.342 97′，最小角差值為0.060 3′。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，電子互感器輸出數(shù)據(jù)的角差比其他方法小一個數(shù)量級，由此論證了所提方法相位補(bǔ)償?shù)挠行?，能夠提高采樣?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有電子式變壓器主要存在動態(tài)性能不佳且對采樣數(shù)據(jù)的校正效果不理想的問題，提出了一種數(shù)字變電站中電子式變壓器自適應(yīng)控制與校正方法。采用模糊邏輯控制器自動調(diào)節(jié)比例積分控制器的增益參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子式變壓器的自適應(yīng)控制，并且利用改進(jìn)的DFT算法以及結(jié)合卷積窗算法修正主頻譜，減小頻率波動和非同步采樣所產(chǎn)生的誤差。在MATLAB軟件中對所提方法進(jìn)行了試驗(yàn)論證，結(jié)果表明了方法能夠削弱短路故障造成的影響。與其他方法相比，所提方法在不同的電網(wǎng)頻率下，角差不會突變，具有更好的動態(tài)性能和電能質(zhì)量。此外，在數(shù)字變電站現(xiàn)場環(huán)境中，噪聲對設(shè)備的干擾也是需要考慮的因素，接下來的工作中將研究噪聲干擾條件下電子式變壓器的性能。同時引入頻率跟蹤算法，以解決相位信息的實(shí)時解算問題。