抑制電壓過沖的新型SVC低電壓保護控制策略

常鳳筠，景煒，俞海，陳佳永

（1.遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114044；2.遼寧榮信興業(yè)電力技術有限公司，遼寧 鞍山 114000）

靜止無功補償器[1-4]（static var compensator，SVC）由于其調(diào)節(jié)無功輸出快速、連續(xù)的特點，能夠滿足電力系統(tǒng)無功功率波動隨機、頻繁下的穩(wěn)態(tài)無功調(diào)節(jié)需求，因此廣泛應用于各種類型和規(guī)模的電網(wǎng)中。但SVC的暫態(tài)電壓調(diào)節(jié)存在滯后性，容易引起故障清除后接入點電壓返回值過高（大于繼電保護裝置動作閾值），即電壓過沖[5]問題。

針對SVC故障后引發(fā)電壓過沖的問題，文獻[6]提出了一種SVC變參數(shù)和緊急閉鎖控制策略，以緩解電壓過沖威脅；文獻[7]提出了多種無功補償設備的協(xié)調(diào)預防控制策略，但其靜止無功發(fā)生器SVG（static var generator）和SVC仍采取定電壓控制策略，依然無法避免動態(tài)無功補償設備的響應滯后造成的高電壓問題；文獻[8]指出，相比于SVC，擁有更快響應速度的靜止同步補償器更能提高暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性，但會使得無功補償?shù)某杀敬蟠笤黾?；文獻[5]提出故障發(fā)生后采取延時100 ms閉鎖SVC的保護措施，但未明確判斷故障的標準，也未給出重新投入SVC的條件；文獻[9]提出故障后檢測到SVC的無功輸出小于額定容量的25%后跳閘，但由于SVC跳閘后不允許立即重新投入，會影響電力系統(tǒng)故障后的恢復。

本文針對含SVC的電力系統(tǒng)在故障清除后的暫態(tài)過程中出現(xiàn)高電壓的問題，在理論分析SVC引發(fā)電壓過沖的機理和常規(guī)低電壓保護控制策略的不足及其造成的問題的基礎上，提出抑制電壓過沖的新型SVC低電壓保護控制策略：系統(tǒng)正常運行時先延時記錄PI控制器輸出的電納參考值與由此轉(zhuǎn)換而來的觸發(fā)角，在故障后將它們鎖定并屏蔽PI控制器的原輸入與輸出；然后在將鎖定的觸發(fā)角輸入觸發(fā)環(huán)節(jié)的同時，將根據(jù)鎖定的電納參考值計算出的等效誤差輸入至PI控制器。在PSCAD/EMTDC中，實際算例的仿真結果表明，本文提出的新型控制策略在故障清除后既可以抑制容性無功功率的突增和避免由此導致的電壓過沖，又可以保證退出低電壓保護控制切換至恒壓控制的過程的穩(wěn)定。

1 SVC工作原理及控制策略

1.1 SVC工作原理

本文采用典型的晶閘管控制電抗器型靜止無功補償器[10-13]，通常由一組晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor，TCR）和N組無源濾波器（filter compensatior，F(xiàn)C）構成。

TCR的基本單相結構是由雙向反并聯(lián)的一對晶閘管與電抗器串聯(lián)構成。雙向反并聯(lián)的晶閘管按相控方式互成180°觸發(fā)。由TCR的工作原理知，當晶閘管觸發(fā)角α在有效移相范圍即90°～180°之間變化時，TCR的等效電納BTCR與觸發(fā)角α存在如下式所示的非線性關系。

式中：XL為串聯(lián)電抗器的感抗值。

α=90°時，晶閘管全導通；α=180°時，晶閘管全關斷；當α在90°～180°之間變化時，晶閘管部分導通。因此，通過改變晶閘管的觸發(fā)角α就可以控制電抗器中流過電流的大小，即可動態(tài)調(diào)節(jié)TCR向系統(tǒng)輸出的感性無功功率的大小。

但是TCR自身也是諧波源，在正常工作時會產(chǎn)生大量諧波，加重系統(tǒng)的諧波污染，因此需要加裝無源濾波器FC進行消除。

FC的基本單相結構是由電容器、電抗器和電阻器串聯(lián)構成，利用電路諧振的基本原理，對目標次諧波成低阻抗通路，以達到濾除該諧波的目的；同時還能向基波提供容性無功功率，兼顧無功補償?shù)男枰?/p>

1.2 SVC控制策略

本文SVC采用恒壓控制策略，即通過PI閉環(huán)控制穩(wěn)定SVC接入點電壓以趨于目標值[14-15]，其控制原理如圖1所示。

圖1 SVC恒壓控制原理Fig.1 SVC constant voltage control principle

通過測量系統(tǒng)得到的SVC接入點電壓Umeas（標幺值）和補償器電流ISVC計算得到電壓偏差Uerr為

式中：Uref為設定的電壓參考值；KSL為電流調(diào)差率。

然后經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)濾波[16]后得到U′err，再輸入PI控制器計算TCR的電納參考值Bref，再通過線性化環(huán)節(jié)（基于式（1））得到晶閘管的觸發(fā)角α，再經(jīng)過觸發(fā)控制環(huán)節(jié)形成對應的脈沖信號輸入至晶閘管，以改變TCR輸出，從而連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)SVC注入系統(tǒng)的無功功率，實現(xiàn)對接入點電壓Umeas的動態(tài)控制。

圖1中的T1，T2為超前滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；s是復頻率；kp，Ti分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)；Bmax，Bmin為PI控制器的輸出限值。各個控制參數(shù)經(jīng)過多次實驗整定后的取值如下：T1=0.001 s，T2=0.035 s，Bmax=0.2 S，Bmin=0 S，kp=1.0，Ti=0.05 s，其中“S”代表的單位是“西門子”。

雖然觸發(fā)角α的理論可控范圍是90°～180°，但是考慮到晶閘管的壽命及經(jīng)濟性等因素[17]，還增加了觸發(fā)角的范圍限制即αmax（170°）和αmin（110°）。

2 SVC低電壓保護控制策略

2.1 SVC引發(fā)電壓過沖機理

為了分析故障清除后SVC引發(fā)電壓過沖的機理，構建一含SVC的電力系統(tǒng)等效電路，如圖2所示。圖2中，Pg，Qg分別為等效電源的有功功率和無功功率；Ut為等效電源端電壓；P1，Q1分別為外送的總有功功率和總無功功率；QC，QSVC分別為輸電線路對地等值電容和SVC補償?shù)臒o功功率；R，X為線路參數(shù)；US為接入端電壓，相位相較于等效電源端電壓滯后θ。

圖2 含SVC系統(tǒng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram with SVC system

圖2中，等效電源端電壓Ut的表達式如下：

TCR型SVC的無功功率輸出與其端電壓的平方成正比，其表達式如下：

式中：ω為系統(tǒng)額定角頻率；U為SVC端電壓；C為FC的總電容值。

假設在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時等效電源端電壓Ut=US+(Q1X)/US，此時SVC的初始補償無功功率是QSVC0。因為SVC采取了恒壓控制策略，所以當系統(tǒng)短路故障發(fā)生導致SVC的補償目標電壓Ut跌落至低于其可控電壓區(qū)的下限值時，SVC為了盡可能地支持目標電壓，會控制TCR輸出最少，使得SVC能輸出FC全部的容性無功功率QSVC1=ωCU′2（U′為故障后 SVC 端電壓），此時SVC相當于一個并聯(lián)電容器；但是由于故障時U′較低，SVC能提供的無功支持能力十分有限。當短路故障清除后目標電壓快速恢復時，由于SVC對暫態(tài)電壓的響應滯后，使得SVC會在故障清除后的短時間內(nèi)輸出過多的容性無功功率QSVC2=ωCU″2（U″為故障清除后SVC端電壓）。因為U″相當接近系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的電壓水平，所以QSVC2≥QSVC0。此時等效電源端電壓為

故此時目標電壓的電壓過沖值ΔUt為

由式（6）可知，當送出線路的長度（正比于X）越長、SVC額定容量越大（QSVC2越大）、SVC故障前補償無功功率QSVC0越?。éSVC越大），則故障清除后SVC接入點的電壓過沖值越大。

2.2 常規(guī)低電壓保護控制策略

由上述分析可知，避免電壓過沖的關鍵是抑制故障后由于SVC對暫態(tài)電壓的響應滯后而導致的無功突增。從SVC自身角度采取的常規(guī)低電壓保護控制策略有兩種：跳閘和閉鎖。

跳閘是指將SVC從電網(wǎng)中切除以隔斷其無功功率輸出，所以故障清除后不會出現(xiàn)電壓過沖。但是工程應用中規(guī)定SVC跳閘后不允許立即重新投入，需要等待較長時間（一般10 min左右），在此期間內(nèi)SVC無法發(fā)揮無功補償?shù)淖饔?，而且重新投入SVC的過程中也會造成一定的電壓波動。所以工程實際中不首選跳閘，更多的是采用閉鎖。

閉鎖是指控制TCR輸出的感性無功功率與容性設備輸出的容性無功功率相抵消使得SVC輸出的無功功率為零，所以故障清除后也不會出現(xiàn)電壓過沖。但缺點是一方面SVC暫時無法發(fā)揮補償系統(tǒng)所需無功功率的作用，另一方面當SVC退出閉鎖控制切換至主控制時，PI控制器輸出不等于故障前的值，且SVC又因為響應滯后而無法立即進行控制，導致SVC的輸出和接入點電壓出現(xiàn)波動。

2.3 新型低電壓保護控制策略

基于上述分析，本文提出了抑制電壓過沖的新型低電壓保護控制策略，其控制原理如圖3所示。

圖3 新型SVC低電壓保護控制策略原理圖Fig.3 Schematic diagram of new SVC lowvoltage protection control strategy

當系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，SVC控制系統(tǒng)實時監(jiān)測SVC接入點電壓Umeas，同時記錄經(jīng)過延時時間td1處理后的PI控制器輸出電納參考值Bref和由此轉(zhuǎn)換而來的觸發(fā)角α，并分別將其標記為Bref1和α1。當Umeas＜Umin且滿足超過延時時間td2的條件時，判定電網(wǎng)短路故障發(fā)生，SVC從恒壓控制進入新型低電壓保護控制，屏蔽PI控制器原輸入Uerr與輸出Bref，暫停對α和Bref的延時記錄并鎖定α1和Bref1。隨后將α1輸入至觸發(fā)環(huán)節(jié)準備脈沖信號，同時將根據(jù)Bref1計算出的等效偏差e輸入至PI控制器。短路故障清除后，當Umeas＞Umax且滿足超過延時時間td3時判定退出低電壓保護控制，在切換至恒壓控制的同時，解除對α1和Bref1的鎖定，并恢復對α和Bref的延時記錄。

2.3.1 閾值與延時時間

當SVC的最小工作電壓低于閾值電壓Umin（即0.6（標幺值））后，TCR不能正常觸發(fā)[18]，因此判斷SVC進入低電壓保護控制需要滿足的條件：小于Umin，并且持續(xù)時間td2大于100 ms，稍小于實際工程中輸電線路采用的縱聯(lián)差動保護的動作時間120 ms[5]。

通過設置一個控制死區(qū)，可以避免當接入點電壓在0.6（標幺值）附近波動時SVC頻繁地進入和退出低電壓保護控制。因此判斷SVC退出低電壓保護控制需要滿足的條件：大于閾值電壓Umax（即0.7（標幺值）），并且持續(xù)時間td3大于300 ms，這樣可以避開短路故障后的暫態(tài)過程和SVC的響應滯后時間[9]。

延時記錄數(shù)據(jù)的時間td1稍大于判斷SVC進入低電壓保護控制的延時時間td2，以確保在記錄故障前α和Bref數(shù)據(jù)實時性的同時避免記錄故障后的數(shù)據(jù)，選擇為120 ms。

2.3.2 故障后輸出鎖定觸發(fā)角

本文設計在新型低電壓保護控制啟動后屏蔽由PI控制器原輸出Bref轉(zhuǎn)換的觸發(fā)角α同時將鎖定的故障前的觸發(fā)角α1送入觸發(fā)環(huán)節(jié)的原因：

1）避免兩種觸發(fā)角發(fā)生重疊導致觸發(fā)脈沖信號混亂；

2）在故障清除電壓快速恢復期間可以控制TCR輸出感性無功功率與此時突增的容性無功功率相抵消，抑制無功突增，避免因超過SVC接入點母線的高電壓保護閾值即1.1（標幺值），而使得的繼電保護裝置啟動的情況出現(xiàn)；

3）通過指定TCR輸出的感性無功功率為故障前的值，既能在故障后對系統(tǒng)進行無功補償，又能更快地、更穩(wěn)定地幫助系統(tǒng)恢復至故障前的狀態(tài)，減少由短路故障引起的暫態(tài)過程對系統(tǒng)造成的負面影響[19]。

2.3.3 故障后輸入等效偏差

本文所采用的PI控制器由比例放大和積分兩部分組成，其傳遞函數(shù)如下：

式中：e0為輸入偏差；uk為輸出；ki為積分系數(shù)；Δt為時間差。

PI控制器在零初始狀態(tài)和階躍輸入情況下的輸出特性如圖4所示。

圖4 PI控制器輸出特性Fig.4 PI controller output characteristics

由圖4可知：當t1時刻突加e0時只有比例放大部分起作用，此時PI控制器輸出uk1等于kp·e0；隨后積分部分開始起作用，此時PI控制器的輸出為時刻e0消除，比例放大部分輸出亦立即消除，積分部分不再積分但其輸出保持不變，此時PI控制器輸出uk3如下式：

同理可得計算在屏蔽PI控制器的原輸入后再送入PI控制器的等效偏差e的表達式如下：

式中：Bref1為經(jīng)過延時記錄處理并已鎖定的故障前電納參考值；ki1為本文1.2節(jié)中的PI控制器的積分系數(shù)；Δt1為SVC從進入低電壓保護控制至退出的時間差。

由于在整定好各種控制參數(shù)后不同工況下的Δt1相對固定，所以本文算例中根據(jù)仿真情況將其設置為常數(shù)，取Δt1=320 ms，又由1.2節(jié)中SVC取值可知ki1=1/Ti=20，所以e的具體計算表達式如下：

輸入的等效偏差e可以在Δt1的時間內(nèi)將PI控制器的輸出（屏蔽后為0）從0增加至故障前的輸出，從而在退出低電壓保護控制切換至恒壓控制的過程中，維持SVC無功功率輸出的不變，保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)云南省曲靖市多樂地區(qū)電網(wǎng)的部分參數(shù)在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建的系統(tǒng)仿真模型的示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of system simulation model

系統(tǒng)仿真模型由兩個相似的區(qū)域構成，每個區(qū)域都有兩個耦合的機組，每臺機組的額定容量是900 MV·A，額定電壓是20 kV；各個機組的輸出功率經(jīng)過升壓變壓器和輸電線路集中于匯集母線（8號母線）后外送。4臺升壓變壓器的容量均是900 MV·A，變比是20/230 kV。SVC通過一降壓變壓器接入?yún)R集母線對系統(tǒng)無功進行集中補償[20]：降壓變壓器的額定容量是150 MV·A，變比是230/35 kV；SVC由一組三角形接線的TCR和三組星形接線的并聯(lián)電容器（依次標識為FC3，F(xiàn)C5，F(xiàn)C7）組成，其中TCR的額定容量是240 Mvar，F(xiàn)C3，F(xiàn)C5和FC7的額定容量均是65 Mvar。

3.1 無低電壓保護控制策略仿真

在某工況下，設置3 s時7號母線與8號母線之間的一回路發(fā)生三相接地短路故障，故障持續(xù)0.12 s后清除。SVC無低電壓保護控制策略時的仿真結果波形如圖6所示，其中，圖6b中，Q＞0為容性無功功率，Q＜0為感性無功功率。

圖6 無低電壓保護控制策略仿真波形圖Fig.6 Simulation waveform diagram of control strategy without low voltage protection

由圖6可知：系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障后，SVC的接入點電壓Umeas快速跌落至0.44（標幺值），此時SVC即使釋放全部的容性無功功率，但由于電壓太低，能提供的無功支持十分有限，最多只有75 Mvar，只能抬升Umeas至0.5（標幺值）。故障清除后Umeas快速恢復，由于SVC對暫態(tài)電壓的響應滯后，使得SVC輸出的容性無功功率在短時間內(nèi)突增至395 Mvar，導致Umeas被抬升至1.15（標幺值），大于高電壓保護閾值1.1（標幺值）。由此可知，故障后引發(fā)電壓過沖的主要原因在于SVC。

3.2 常規(guī)低電壓保護控制策略仿真

應用常規(guī)低電壓保護控制策略即閉鎖（假設其判斷進入與退出的閾值和延遲時間設定與2.3.1小節(jié)一致）在與3.1小節(jié)同一工況下的仿真結果波形如圖7所示。

圖7 常規(guī)低電壓保護控制策略仿真波形圖Fig.7 Simulation waveforms diagram of conventional low voltage protection control strategy

由圖7可知：常規(guī)閉鎖低電壓保護控制策略通過控制TCR輸出的感性無功功率與容性設備輸出的容性無功功率相抵消使得SVC輸出為零，能抑制故障清除后的無功功率突增和避免由此導致的電壓過沖，對應無功突增值由395 Mvar降至92 Mvar及電壓過沖值由1.15（標幺值）降至1.057（標幺值）。

但是在解除SVC閉鎖時，由于此時的PI控制器輸出不等于故障前的值，且SVC又因為響應滯后無法立即進行控制，導致SVC的輸出和接入點電壓均產(chǎn)生了較大的波動：SVC輸出先快速增加至191 Mvar抬升Umeas至1.076（標幺值），然后SVC將TCR輸出調(diào)至最大以大量吸收容性無功功率導致Umeas跌落至0.982（標幺值），直至3.84 s時刻SVC的輸出才調(diào)整至故障前的值即0 Mvar，將Umeas穩(wěn)定在目標值1.0（標幺值）。

3.3 新型低電壓保護控制策略仿真

應用本文提出的新型低電壓保護控制策略在與3.1小節(jié)同一工況下的仿真結果波形如圖8所示。

圖8 新型低電壓保護控制策略仿真波形圖Fig.8 Simulation waveforms diagram of new low voltage protection control strategy

由圖8可知：3 s時短路故障發(fā)生Umeas快速下降，PI控制器快速改變電納參考值輸出至0（將觸發(fā)角α調(diào)整至最大170°），控制TCR感性無功輸出最少，以最大限度地釋放FC組的容性無功以對系統(tǒng)進行無功支持。在3.112 s時刻滿足了低于閾值0.6（標幺值）和延時100 ms的條件后，新型低電壓保護控制啟動，屏蔽PI控制器的原輸入與輸出后，輸入由故障前的Bref1即0.054 S，通過式（10）計算得到的等效偏差e即0.008 437 5（標幺值），并將已鎖定的觸發(fā)角α1即115°輸入至觸發(fā)控制環(huán)節(jié)準備脈沖信號。3.12 s時刻故障清除電壓開始快速恢復，由于控制TCR按照觸發(fā)角α1輸出感性無功功率，所以可以：

1）和此時突增的容性無功功率進行抵消，抑制無功突增和電壓過沖：故障清除后SVC輸出無功最多只有76 Mvar，對應Umeas最高只達到1.045（標幺值）；

2）縮短故障后電壓恢復至目標值1.0（標幺值）的時間，幫助系統(tǒng)更快地進入穩(wěn)定狀態(tài)：恒壓控制在3.5 s時刻，而本文設計的SVC低電壓保護控制在3.4 s時刻；

3）降低故障后電壓的變化幅度，幫助系統(tǒng)更穩(wěn)定地恢復至故障前狀態(tài)，減少故障導致的暫態(tài)過程對系統(tǒng)的影響：恒壓控制時Umeas先因無功突增而上升至1.15（標幺值），然后由于TCR輸出的大量感性無功功率而下降至0.97（標幺值）；但在新型低電壓保護控制過程中由于一直鎖定為故障前的觸發(fā)角α1，所以Umeas的變化幅度較小，對應最高只有1.045（標幺值），最低只有0.995（標幺值）。

在3.432 s時刻滿足了大于閾值0.7（標幺值）和延時300 ms的條件后，新型低電壓保護控制關閉。在新型低電壓保護控制的運行過程中PI控制器的輸出根據(jù)等效偏差e從0開始一直在增加（但不控制SVC），至退出新型低電壓保護控制即解除對PI的屏蔽（e消失）時（Δt1=320 ms）與故障前的輸出相等，所以在切換至恒壓控制的過程中SVC的輸出維持不變，從而保證了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

3.4 其他工況下仿真

為驗證本文提出的新型低電壓保護控制策略在其他工況下的效果，調(diào)整相關參數(shù)，故障設置與3.1小節(jié)相同，仿真結果波形如圖9所示。

圖9 其他工況不同控制策略仿真波形圖Fig.9 Simulation waveforms of different control strategies in other working conditions

由圖9可知：本文提出的新型低電壓保護控制策略在不同工況下依然能達到預期的控制效果，即抑制無功突增和電壓過沖，保證退出低電壓保護控制切換至恒壓控制過程的穩(wěn)定。

由于常規(guī)閉鎖低電壓保護控制是控制SVC輸出為0，這雖然在故障清除后能避免電壓過沖，但是在閉鎖期間卻無法發(fā)揮無功補償作用，導致Umeas跌落至0.98（標幺值）；而本文提出的新型低電壓保護控制的鎖定故障前觸發(fā)角α1的措施相當于將SVC輸出鎖定為故障前的值，所以故障后既能抑制電壓過沖，又能快速對系統(tǒng)所需42.2 Mvar的容性無功功率進行補償，幫助接入點電壓Umeas更快地恢復至1.0（標幺值）。

4 結論

本文針對含SVC的電力系統(tǒng)在故障清除后的暫態(tài)過程中出現(xiàn)高電壓的問題，理論分析了SVC引發(fā)電壓過沖現(xiàn)象的機理，指出了常規(guī)低電壓保護控制策略不足及其造成的問題，并在此基礎上提出了抑制電壓過沖的新型SVC低電壓保護控制策略。根據(jù)實際工程算例在PSCAD/EMTDC中的仿真結果表明，本文所設計的上述控制策略可以在不同工況下實現(xiàn)故障清除后抑制無功功率突增和避免由此導致的電壓過沖現(xiàn)象，幫助系統(tǒng)更快速、更穩(wěn)定地恢復至故障前的狀態(tài)，確保退出低電壓保護控制切換至恒壓控制過程的穩(wěn)定，對提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著一定的實際意義。