自冷式靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的控制策略

焦緒強(qiáng) 朱耿峰 陳嘯旭 息 鵬

（1. 華能青海發(fā)電有限公司新能源分公司，西寧 810000； 2. 遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

在配電網(wǎng)中，由于負(fù)載分布的隨機(jī)性和多樣性，導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)功率因數(shù)低、供電電壓不穩(wěn)定、配電網(wǎng)損耗大等一系列問題。因此，無功補(bǔ)償對(duì)配電網(wǎng)有著重要的意義。對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償，可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高功率因數(shù)，提高裝置利用率，減小網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗，平衡三相功率，為系統(tǒng)提供電壓支撐，最終提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

1 自冷式靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器

電網(wǎng)中最常用的補(bǔ)償裝置是靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器（static var generator, SVG）。隨著靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的發(fā)展，市場對(duì)靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的要求越來越高，不但要適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，還要保證補(bǔ)償裝置穩(wěn)定運(yùn)行的壽命[1]。影響補(bǔ)償裝置壽命最重要的因素是溫度，高溫不但會(huì)損壞元件還有可能造成爆炸，因此為了更好地提高裝置的壽命和穩(wěn)定性，提出一種自冷式靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器，這是一種基于測量柜體、絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、電抗器溫度參數(shù)的新型裝置，其使用自動(dòng)限容控制策略，通過控制器上的傳感器實(shí)時(shí)采集靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器柜體、IGBT、電抗器的溫度。當(dāng)檢測到靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器裝置的某一處超溫時(shí)，則會(huì)暫時(shí)減小裝置的輸出容量進(jìn)而降低裝置的溫度。當(dāng)溫度降低到限容給定值以下時(shí)，裝置又會(huì)恢復(fù)正常的補(bǔ)償容量。

本文所提補(bǔ)償裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、使用方便、科學(xué)實(shí)用等特點(diǎn)，其優(yōu)勢在于可以對(duì)靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器主要部分的溫度進(jìn)行快速準(zhǔn)確的控制，既保證裝置可以長期穩(wěn)定地運(yùn)行又可以避免由高溫引發(fā)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 控制策略

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括電網(wǎng)、負(fù)載和補(bǔ)償裝置三個(gè)部分。其中補(bǔ)償部分就是本文所提自冷式靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器，如圖1（a）所示。靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器裝置主要由控制部分和顯示部分兩部分組成，如圖1（b）所示。控制部分采集網(wǎng)側(cè)電壓、電流及其他參數(shù)傳遞給控制器，控制器進(jìn)行分析計(jì)算后輸出控制信號(hào)來決定裝置的運(yùn)行狀態(tài)；顯示部分主要以上位機(jī)的形式直觀地顯示系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)，以供調(diào)試人員觀察調(diào)試[3-6]。

圖1 整個(gè)系統(tǒng)

控制策略決定了裝置性能的好壞，靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的控制策略如圖2所示，主要包括相間電壓平衡控制、鎖相環(huán)（phase locked loop, PLL）控制、電流內(nèi)環(huán)控制、相內(nèi)平衡控制等。

圖2 靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器控制策略

相間電壓平衡控制是通過控制器計(jì)算每相電壓的平均值并與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，得到相間平衡的偏差值傳遞給電流環(huán)的有功值，與電流環(huán)上的網(wǎng)側(cè)有功分量相結(jié)合，計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下所需的有功分量，通過調(diào)節(jié)有功值來平衡每相之間的電壓差值，進(jìn)而穩(wěn)定相間電壓。

鎖相環(huán)控制是為了使補(bǔ)償部分的相位與電網(wǎng)側(cè)的相位保持一致，來使補(bǔ)償裝置輸出的電流可以在電網(wǎng)側(cè)同步，進(jìn)而達(dá)到補(bǔ)償效果的高精度。

電流內(nèi)環(huán)控制是通過分解電網(wǎng)側(cè)電流的有功、無功分量進(jìn)行計(jì)算，通過處理得到的當(dāng)前狀態(tài)下裝置所需要發(fā)出的有功、無功分量，達(dá)到補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)無功功率目的，同時(shí)電流內(nèi)環(huán)控制也是實(shí)現(xiàn)相間和相內(nèi)電壓平衡的關(guān)鍵。此項(xiàng)控制的精確程度決定裝置的補(bǔ)償效果，通過不同的算法來決定裝置的不同補(bǔ)償模式，從而解決不同現(xiàn)場的不同問題。

相內(nèi)平衡控制是把每相單元的直流側(cè)電壓與設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，得出偏差值進(jìn)行閉環(huán)控制，來矯正相內(nèi)直流側(cè)電壓以保證裝置的穩(wěn)定輸出。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制策略為：首先采集電網(wǎng)側(cè)電壓，進(jìn)行鎖相，提取計(jì)算出電網(wǎng)的實(shí)時(shí)相位并傳遞給控制器，控制器把補(bǔ)償電流與其相位進(jìn)行同步，再經(jīng)過電流環(huán)進(jìn)行計(jì)算輸出所需要的補(bǔ)償電流，與此同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測單元內(nèi)部的直流電壓和相間的電壓值，通過比例積分（proportional integral, PI）調(diào)節(jié)進(jìn)行電壓控制以保證裝置穩(wěn)定輸出[7]。

隨著設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行或者設(shè)備處在溫度較高的工況下，會(huì)出現(xiàn)損壞元件的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸事件，危及裝置及人身的安全[8]。

為了解決上述問題，本文將控制策略升級(jí)，在電流環(huán)部分加入溫度控制，不僅不消耗額外的有功功率，而且針對(duì)不同用戶的需求，裝置還提供了三種控制模式[9-11]，包括電壓控制、功率因數(shù)控制及無功控制，可根據(jù)不同的現(xiàn)場和不同的需求進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的補(bǔ)償效果。

控制策略設(shè)計(jì)流程如圖3所示，通過采集補(bǔ)償裝置柜體、IGBT、電抗器的溫度參數(shù)傳遞給控制器，計(jì)算處理后與設(shè)定的限容溫度給定值進(jìn)行無差調(diào)節(jié)，其輸出的結(jié)果改變靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的無功電流環(huán)輸出，進(jìn)而改變裝置的容量，達(dá)到控制溫度的目的。

圖3 控制策略設(shè)計(jì)流程

控制策略實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，首先通過采集模塊采集各個(gè)通道下柜體的溫度，利用通信協(xié)議傳遞給控制器進(jìn)行分析比較，得到最大值，與用戶在系統(tǒng)中設(shè)定的柜體溫度限容值進(jìn)行比較，得到柜體溫度PI閉環(huán)控制的輸入信號(hào)，閉環(huán)控制結(jié)束后，當(dāng)輸出值大于0時(shí)，輸出值取0，當(dāng)輸出值小于-1時(shí)，輸出值取-1，然后把柜體溫度PI閉環(huán)輸出值進(jìn)行處理，得到柜體溫度控制限容系數(shù)；其次檢測多個(gè)通道的IGBT溫度，進(jìn)行同樣處理得到IGBT溫度控制限容系數(shù)；繼續(xù)檢測多個(gè)通道的電抗器的溫度，得到電抗器溫度控制限容系數(shù)；最后將補(bǔ)償裝置柜體、IGBT、電抗器的三組溫度控制限容系數(shù)相乘，得到總的溫度控制限容系數(shù)；在將總溫度控制限容系數(shù)與靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器負(fù)載側(cè)無功電流檢測值相乘，得到靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器無功電流PI環(huán)的指令值，傳遞給控制器進(jìn)行輸出，通過自動(dòng)改變補(bǔ)償裝置的輸出電流，來改變裝置的容量，進(jìn)而降低裝置的各個(gè)元件的溫度。

圖4 控制策略實(shí)現(xiàn)流程

通過此設(shè)計(jì)方法可以解決靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器超溫所引發(fā)的一系列問題，同時(shí)延長了裝置的壽命，提高了裝置的穩(wěn)定性，此技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在實(shí)際設(shè)備中并穩(wěn)定運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制策略，在75A/220V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行測試，如圖5所示。當(dāng)裝置正常工作時(shí)，補(bǔ)償裝置柜體、IGBT的溫度都在限定值范圍內(nèi)（見表1），此時(shí)通過上位機(jī)可以觀察到裝置滿載工作并輸出75A的補(bǔ)償電流（見表2）。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

表1 正常工作時(shí)溫度

表2 正常工作時(shí)的裝置補(bǔ)償電流

為了模擬超溫時(shí)的狀態(tài)，把裝置放在老化室中使其溫度達(dá)到限定值以上（見表3），裝置開始進(jìn)行自動(dòng)限容，通過實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，此時(shí)補(bǔ)償電流已經(jīng)降低到51A（見表4），觀察溫度也降到規(guī)定溫度以下（見表5），同時(shí)截取示波器中的電流變化波形如圖6所示，圖6更直觀地顯示了補(bǔ)償電流的變化，既證明了實(shí)時(shí)性又驗(yàn)證了控制算法的可行性。

表3 超溫下的裝置溫度

表4 降容后的的補(bǔ)償電流

表5 降容后的溫度

圖6 示波器中的電流波形

4 結(jié)論

本文所提自動(dòng)限容控制策略是當(dāng)檢測到靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器裝置柜體、IGBT、電抗器的某處超溫時(shí)，通過降低裝置的無功補(bǔ)償輸出電流，進(jìn)而降低裝置的溫度。當(dāng)溫度下降到限容溫度給定值以下時(shí)，裝置又會(huì)恢復(fù)正常的補(bǔ)償電流。為了延長裝置的壽命，此控制策略只是起到保護(hù)裝置軟件的作用，不會(huì)對(duì)裝置容量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，如遇到特殊的工況需要靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器具備短時(shí)過載能力時(shí)，可以在出廠前進(jìn)行特殊設(shè)置。此技術(shù)可在高壓設(shè)備需要時(shí)加入，具有很好的適應(yīng)性。本文通過實(shí)驗(yàn)證明了該控制策略的有效性和正確性，具有一定的工程意義。