帶輔助控制的TCR型SVC控制策略研究

常鳳筠，景煒，俞海，陳佳永

（1.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114044；2.遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司研發(fā)部，遼寧 鞍山 114000）

靜止無功補(bǔ)償裝置（static var compensator，SVC）作為一種柔性交流輸電設(shè)備[1?2]由于其在動態(tài)電壓支撐與無功補(bǔ)償方面的突出特性，在電力系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來已得到了廣泛的使用。而其中晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reac?tor，TCR）型SVC因具有響應(yīng)速度快、可連續(xù)平滑調(diào)節(jié)無功功率、諧波含量少、成本較低等優(yōu)點而應(yīng)用最廣。

TCR型SVC既能提供動態(tài)電壓支撐[3?5]控制母線電壓，又能分相控制補(bǔ)償系統(tǒng)不平衡負(fù)荷[6?9]。目前應(yīng)用TCR型SVC補(bǔ)償母線電壓時，基本的電壓控制策略是通過快速連續(xù)調(diào)節(jié)輸出維持母線電壓穩(wěn)定、抑制電壓波動使母線電壓趨向目標(biāo)電壓值。本文在此基本電壓控制策略中加入了電壓死區(qū)的輔助控制[10?11]策略：在設(shè)定的母線電壓允許誤差范圍內(nèi)SVC輸出被鎖定，即不需要頻繁地調(diào)節(jié)抑制母線電壓的小波動，在范圍外時則釋放SVC快速調(diào)節(jié)母線電壓至范圍內(nèi)；同時為了配合電壓死區(qū)控制，還設(shè)計了可根據(jù)母線電壓大小而變化的可變電壓參考值，讓SVC的輸出容量一直處于可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)且具備較多的無功儲備。這樣既能發(fā)揮TCR型SVC快速調(diào)節(jié)電壓的優(yōu)點，又能減少SVC在穩(wěn)態(tài)時的運(yùn)行損耗，還能更有效地利用SVC有限的額定容量。

當(dāng)系統(tǒng)電壓含有2次諧波分量時，TCR的正負(fù)半波導(dǎo)通電流面積會不相等，導(dǎo)致電流中產(chǎn)生大量的直流電流分量影響裝置的正常運(yùn)行[12]。針對此問題，本文在基本控制電壓策略中還加入了一種采用快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT）與PI調(diào)節(jié)相結(jié)合的TCR平衡控制（TCR bal?ance control，TCRBC）的輔助控制策略：通過調(diào)制觸發(fā)角使TCR反并聯(lián)的晶閘管達(dá)到在正方向和負(fù)方向的導(dǎo)通時間不相同，將直流電流分量減小到零，從而抑制系統(tǒng)2次諧波電壓對TCR的影響，保障裝置的安全運(yùn)行。

1 TCR型SVC結(jié)構(gòu)

TCR型SVC的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，一般由一組晶閘管控制電抗器TCR和n組固定電容器（fixed ca?pacitor，F(xiàn)C）組成，通過降壓變壓器與母線相連接。

圖1 TCR型SVC結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the TCR type SVC

基本的單相TCR由雙向反并聯(lián)的一對晶閘管與一個線性空心電抗器相串聯(lián)構(gòu)成，反并聯(lián)的兩個晶閘管分別在電壓的正半周和負(fù)半周導(dǎo)通。晶閘管的觸發(fā)角α的理論可控范圍是90°～180°，但是為了避免觸發(fā)失敗而損壞設(shè)備[13]，一般會施加范圍限制（本文范圍為100°～170°）。因為TCR的等效電納BTCR與觸發(fā)角α存在如下關(guān)系：

式中：XL為電抗器的感抗。

所以TCR的控制原理是通過控制觸發(fā)角α改變TCR等效電納的大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)無功功率輸出的目的。

由于TCR的固有特性決定了其只能補(bǔ)償感性無功功率且運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的特征諧波，所以通常TCR需要與固定電容器FC并聯(lián)使用，在濾除TCR產(chǎn)生的特征諧波的同時提供容性無功功率，使得TCR型SVC具備從感性到容性范圍的無功功率調(diào)節(jié)能力。

2 TCR型SVC控制策略

2.1 基本電壓控制原理

TCR型SVC采用電壓閉環(huán)控制，主要作用是：處理被測系統(tǒng)變量，并產(chǎn)生與所需補(bǔ)償無功功率成比例的輸出信號，調(diào)整SVC無功輸出實現(xiàn)對目標(biāo)母線電壓的控制。

電壓控制的被控量為220 kV母線三相電壓平均值Umeas_average（標(biāo)幺值，以下使用Umeas表示）。本文的TCR型SVC電壓控制原理如圖2所示，通過測量電路得到目標(biāo)電壓Umeas與補(bǔ)償器電流Isvc后，根據(jù)下式求出電壓誤差Uerr：

圖2 電壓控制原理圖Fig.2 The schematic of the voltage control

式中：Uref為設(shè)定的電壓參考值；KSL為電流調(diào)差率。然后將Uerr輸入PI調(diào)節(jié)器輸出一個電納基準(zhǔn)信號Bref，再通過線性化環(huán)節(jié)得到觸發(fā)角α后再由觸發(fā)控制形成脈沖信號控制補(bǔ)償器動作。

圖2中，Umax，Umin分別為電壓死區(qū)的上限、下限值；加入的非線性增益環(huán)節(jié)是通過對處于不同范圍的電壓誤差信號Uerr提供不同增益系數(shù)實現(xiàn)對閉環(huán)電壓控制穩(wěn)定性的管理，以提高在電壓發(fā)生大的擾動時SVC的響應(yīng)速度[14]。

2.2 輔助控制策略

當(dāng)母線電壓等級越高，其抗干擾能力越強(qiáng)[15]，而且根據(jù)國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325—2008，220 kV母線電壓允許偏差范圍為標(biāo)稱電壓的?10%～7%，所以本文以此為依據(jù)且結(jié)合實際項目要求設(shè)計具有可變電壓參考值的電壓死區(qū)輔助控制策略。

2.2.1 電壓死區(qū)控制

電壓死區(qū)控制原理如圖3所示，其允許的母線電壓偏差范圍是±0.03（標(biāo)幺值）：如果目標(biāo)電壓Umeas在0.97（標(biāo)幺值）～1.03（標(biāo)幺值）之間且超過延時時間20 s，則電壓控制輸出被偏置，SVC被鎖定；如果Umeas<0.97或者Umeas>1.03且超過延時時間15 s則釋放SVC，調(diào)節(jié)220 kV母線電壓趨向目標(biāo)電壓值Uref。但是因為15 s和20 s的時間太長，所以分別使用100 ms和300 ms進(jìn)行仿真實驗。

圖3 電壓死區(qū)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage deadband control

2.2.2 可變電壓參考值

在電壓死區(qū)控制中，SVC只需要調(diào)節(jié)母線電壓運(yùn)行在允許的電壓范圍內(nèi)，又考慮到SVC的額定容量有限，即能調(diào)節(jié)的電壓范圍有限，所以為了配合電壓死區(qū)控制和保證SVC輸出容量一直處于可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)且能具備較多的無功儲備，設(shè)計了可根據(jù)母線電壓的大小而改變的電壓參考值策略，以便更有效地利用SVC有限的額定容量。

根據(jù)母線電壓大小而變化的可變電壓參考值Uref的原理如圖4所示。Uref的初始值設(shè)定Uset為0.971（標(biāo)幺值）；如果220 kV母線電壓電壓Umeas≤0.97（標(biāo)幺值）且超過延時時間10 s則自動設(shè)定Uref為0.971（標(biāo)幺值）；如果Umeas>1.03（標(biāo)幺值）且超過延時時間10 s則自動設(shè)定Uref為1.029（標(biāo)幺值）。但是因為10 s的時間太長，所以使用100 ms進(jìn)行仿真實驗。

圖4 電壓參考值變化原理圖Fig.4 Schematic diagram of voltage reference value change

3 TCR平衡輔助控制

3.1 二次諧波

在故障清除、電抗器或變壓器投切、過高的電壓下運(yùn)行、TCR裝置鎖相不精確或者控制系統(tǒng)有噪聲等情況下，系統(tǒng)電壓中會產(chǎn)生大量的2次諧波分量，從而引起電壓的畸變。TCR的電流因為是TCR在導(dǎo)通期間其兩端電壓的積分，所以對供電電壓的畸變非常敏感。當(dāng)系統(tǒng)電壓含有2次諧波時，TCR的正負(fù)半波導(dǎo)通電流面積會不相等，導(dǎo)致大量的直流電流分量產(chǎn)生。在這種情況下，2次諧波的不穩(wěn)定[16?17]是SVC運(yùn)行面臨的主要問題，而且對變壓器的安全運(yùn)行及電力系統(tǒng)的可靠性會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

3.2 TCR平衡控制

TCR平衡控制的工作原理是當(dāng)檢測到TCR電流中含有直流電流分量時，通過調(diào)制觸發(fā)角使反并聯(lián)的晶閘管達(dá)到在正方向和負(fù)方向的導(dǎo)通時間不相同，從而將直流電流分量減小到零。TCRBC的關(guān)鍵問題是求取TCR電流中的直流分量，文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[18]提出的方法是先對TCR電流的瞬時值在每半個周期內(nèi)求解積分值，然后將兩個半周期的積分值相加則能計算出一個周期的直流電流分量值。雖然通過積分的方法可以計算出電流中的直流分量，但是無法同時得到電流中的2次諧波分量。所以本文運(yùn)用電力系統(tǒng)諧波檢測[19?20]中應(yīng)用最廣泛的快速傅里葉變換FFT算法得到TCR電流中的2次諧波和直流電流分量。

TCRBC的控制原理如圖5所示。首先TCR相電流Itcr經(jīng)過FFT環(huán)節(jié)得到其中的2次諧波分量I2和直流電流分量Idc，Idc與電流參考值Idcref（為0）相減得到誤差量Ierr，再經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到調(diào)制角參考值αref，然后結(jié)合TCR的電壓極性得到調(diào)制角αD，最后與電壓控制輸出的觸發(fā)角相加得到觸發(fā)角終值。同時為了避免與SVC電壓控制的快速調(diào)節(jié)相沖突，TCRBC相較于電壓控制具有較大的時間常數(shù)。

圖5 TCR平衡控制原理圖Fig.5 The schematic of the TCR balance control

4 系統(tǒng)仿真

本文在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中根據(jù)云南省曲靖市的多樂變電站220 kV高壓輸電線路的部分參數(shù)搭建的系統(tǒng)仿真模型示意圖如圖6所示，LOAD1為系統(tǒng)原有負(fù)載；LOAD2和LOAD3分別為用于測試SVC電壓控制策略的感性和容性負(fù)載；3者均為三相對稱負(fù)載。

圖6 系統(tǒng)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the system model

系統(tǒng)參數(shù)為：供電電源220 kV，系統(tǒng)阻抗集總參數(shù)值為 R=0.165 Ω，L=0.026 25 H，C=1e100 μF；諧波電源輸出幅值和相位可調(diào)的2次諧波電壓。SVC耦合變壓器容量為150 MV?A，變比為220/30 kV，阻抗電壓Uk=12%。SVC由一組三角形接線的TCR和2組星形接線的FC組成，其中TCR額定容量是220 Mvar，3次、5次濾波電容器組的額定容量均為60 Mvar。

4.1 電壓控制策略仿真

4.1.1 加入電壓死區(qū)輔助控制

系統(tǒng)仿真設(shè)定為6 s，0 s仿真開始，1 s時TCR和FC3投入，1.5 s時FC5投入；2 s時電壓死區(qū)控制啟動；2.5 s時投入 LOAD2，3.5 s時切除LOAD2；4 s時投入 LOAD3，5 s時切除 LOAD3；6 s時仿真結(jié)束。仿真結(jié)果的波形如圖7所示。由圖7可知，2.0 s時電壓死區(qū)控制啟動，電壓參考值Uref改變?yōu)?.971（標(biāo)幺值），同時SVC控制信號hold置1，SVC輸出被鎖定（在2.0 s之前SVC投入和調(diào)節(jié)的過程中因為220 kV母線電壓Umeas的波動始終在±0.03（標(biāo)幺值）范圍內(nèi)且滿足大于延時0.3 s的條件，所以hold信號已經(jīng)置1，但是因為死區(qū)控制未啟動，所以hold信號保持為0）。2.5 s時感性負(fù)載LOAD2投入，Umeas瞬時下降至0.965（標(biāo)幺值），而此時SVC處于鎖定狀態(tài)無法調(diào)節(jié)電壓；因為0.965（標(biāo)幺值）小于閾值0.97（標(biāo)幺值），所以計時開始，2.6 s時滿足延時0.1 s的條件后信號hold置0即釋放SVC，隨即TCR快速改變觸發(fā)角至132°調(diào)整SVC輸出至容性無功功率41.5 Mvar，將Umeas控制在目標(biāo)值0.971（標(biāo)幺值）。3.1 s時滿足在死區(qū)范圍內(nèi)和延時0.3 s的條件后信號hold重新置1再次鎖定SVC。3.5 s時LOAD2切除，Umeas瞬時上升至1.006（標(biāo)幺值）。在LOAD2切除過程中Umeas的變化始終在死區(qū)范圍內(nèi)，信號hold保持為1即持續(xù)鎖定SVC，所以LOAD2切除后Umeas保持為1.006（標(biāo)幺值）。SVC的輸出對電壓的變化很敏感，即使SVC處于鎖定狀態(tài)，也會因為母線電壓的變化而變化，所以在LOAD2切除后由于母線電壓的升高SVC輸出的容性無功功率從41.5 Mvar增加至44.7 Mvar。

圖7 有電壓死區(qū)控制仿真波形圖Fig.7 Simulation waveform diagrams with voltage deadband control

4 s時容性負(fù)載LOAD3投入，Umeas瞬時升高至1.059（標(biāo)幺值），而此時SVC處于鎖定狀態(tài)無法調(diào)節(jié)電壓；因為1.059（標(biāo)幺值）大于閾值1.03（標(biāo)幺值），所以計時開始，在4.1 s時滿足延時0.1 s的條件后，Uref改變?yōu)?.029（標(biāo)幺值）同時信號hold置0釋放SVC，隨即TCR快速改變觸發(fā)角至113°，調(diào)整SVC輸出至感性無功功率45.5 Mvar，將Umeas控制在1.029（標(biāo)幺值）。在4.4 s時滿足在死區(qū)范圍內(nèi)和延時0.3 s的條件后信號hold置1重新鎖定SVC。在5 s時LOAD3切除，Umeas瞬時下降至0.982（標(biāo)幺值）。在LOAD3切除過程中Umeas的變化始終在死區(qū)范圍內(nèi)，信號hold保持為1即持續(xù)鎖定SVC，所以 LOAD3切除后 Umeas保持為 0.982（標(biāo)幺值）。雖然此時SVC處于鎖定狀態(tài)，但是因為母線電壓的變化導(dǎo)致SVC輸出的感性無功功率從45.5 Mvar減少至41.4 Mvar。

圖7的仿真結(jié)果表明加入的電壓死區(qū)控制策略有效，可以在發(fā)揮TCR型SVC快速調(diào)節(jié)電壓優(yōu)點的同時減少SVC穩(wěn)態(tài)時的運(yùn)行損耗。

4.1.2 未加入電壓死區(qū)輔助控制

系統(tǒng)仿真設(shè)定同4.1.1小節(jié)，仿真結(jié)果的波形如圖8所示。由圖8可知，2.5 s時LOAD2投入，Umeas瞬時下降至0.972（標(biāo)幺值），TCR調(diào)節(jié)三相晶閘管觸發(fā)角至170°即釋放SVC所有的120 Mvar容性無功功率，但還是不能滿足負(fù)載需求，只能抬升Umeas至0.99（標(biāo)幺值），即不能實現(xiàn)控制Umeas至目標(biāo)電壓1.0（標(biāo)幺值）。3.5 s時LOAD2切除，TCR快速調(diào)節(jié)觸發(fā)恢復(fù)至126°，調(diào)整SVC輸出恢復(fù)至容性無功功率20 Mvar，將Umeas重新控制在1.0（標(biāo)幺值）。4 s時LOAD3投入，Umeas瞬時上升至1.047（標(biāo)幺值），TCR調(diào)節(jié)三相晶閘管觸發(fā)角至100°，即釋放SVC所有的220 Mvar感性無功功率，但還是不能滿足負(fù)載需求，只能控制Umeas至1.01（標(biāo)幺值）即不能實現(xiàn)控制Umeas至目標(biāo)電壓1.0（標(biāo)幺值）。5 s時LOAD3切除，TCR快速調(diào)節(jié)觸發(fā)角恢復(fù)至126°，調(diào)整SVC輸出恢復(fù)至容性無功功率20 Mvar，將Umeas重新控制在1.0（標(biāo)幺值）。

圖8 無電壓死區(qū)控制仿真波形圖Fig.8 Simulation waveform diagrams without voltage deadband control

由圖7和圖8可知，在相同的感性和容性大負(fù)載投切情況下，通過在基本電壓控制策略中加入具有可變電壓參考值的電壓死區(qū)輔助控制策略，可以在保證調(diào)節(jié)母線電壓至目標(biāo)電壓值的同時使得SVC的輸出一直處于可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)且相對較少即可具備較多的無功儲備。

4.2 TCR平衡控制仿真

系統(tǒng)仿真設(shè)置：TCR的角度固定在120°，1 s時諧波電源輸出幅值為基波線電壓的30%且與基波線電壓同相位的2次諧波電壓疊加在一次側(cè)基波上。以TCR的AB相為例。

圖9為2次諧波電壓加入前后的A相與B相之間的電壓UAB波形圖。

圖10為無TCRBC情況下的相電流iAB、直流電流分量idc和2次諧波幅值i2的波形圖。

由圖9和圖10可知，在無TCRBC即等間隔觸發(fā)的情況下，當(dāng)系統(tǒng)基波電壓中含有基波線電壓幅值30%且與基波線電壓同相位的2次諧波分量時，TCR相電壓的幅值和波形會出現(xiàn)明顯的畸變，導(dǎo)致TCR相電流波形出現(xiàn)正半波面積小于負(fù)半波面積的不對稱畸變，產(chǎn)生了一個大小為631.2 A的負(fù)的直流電流分量和一個幅值為596.64 A的2次諧波電流分量。

圖9 2次諧波加入前后AB相電壓波形圖Fig.9 AB phase voltage waveform before and after the second harmonic input

圖10 無TCRBC仿真波形Fig.10 Simulation waveforms without TCR balance control

圖11為有TCRBC情況下的對應(yīng)波形。

圖11 有TCRBC仿真波形Fig.11 Simulation waveforms with TCR balance control

圖12為TCRBC輸出的調(diào)制角和調(diào)制晶閘管觸發(fā)角的波形。

圖12 TCRBC調(diào)制過程Fig.12 TCRBC modulation process

由圖11和圖12可知，在有TCRBC的情況下，當(dāng)TCR相電流中出現(xiàn)因系統(tǒng)電壓中的2次諧波分量而引起的直流分量時，TCRBC會按如圖12所示的形式通過每半個周期交變一次的調(diào)制角信號對TCR的晶閘管觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到在正負(fù)半波的不等間隔觸發(fā)。經(jīng)過大約0.4 s的調(diào)制，TCR相電流的正半波面積等于負(fù)半波面積，直流分量減小至0，同時2次諧波的幅值也降低至201.52 A。由此可知：TCRBC在消除TCR相電流中直流分量的同時，也能起到抑制電流中2次諧波分量的作用；并且TCRBC設(shè)定的時間常數(shù)較大，因此不會與電壓控制的快速調(diào)節(jié)相沖突。

5 結(jié)論

在PSCAD上的仿真結(jié)果表明在TCR型SVC基本的電壓控制策略中加入具有特殊的控制和保護(hù)功能的輔助控制策略具有可行性和有效性：

1）可變電壓參考值的電壓死區(qū)輔助控制在發(fā)揮TCR型SVC快速調(diào)節(jié)電壓優(yōu)點的同時，還能減少SVC穩(wěn)態(tài)時的運(yùn)行損耗和更有效地利用SVC有限的額定容量；

2）由快速傅里葉變換FFT和PI調(diào)節(jié)相結(jié)合的TCR平衡輔助控制可以將TCR電流中出現(xiàn)的因系統(tǒng)電壓中的2次諧波分量而引起的大量直流電流分量減少至0，從而抑制系統(tǒng)2次諧波電壓對TCR的影響，保障裝置的安全運(yùn)行。