一種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)研究

摘 要：從控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、各層控制策略及控制算法角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)，并利用仿真分析證明了該設(shè)計(jì)方法是有效的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置;分相瞬時(shí)電流跟蹤控制策略;正負(fù)序分離控制策略

中圖分類號(hào)：TM761? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）08-0015-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.005

0? ? 引言

在西電東送的背景下，廣東地區(qū)作為受電端，容易出現(xiàn)多直流饋入及交直流電混聯(lián)運(yùn)行的狀況。因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)負(fù)荷特性明顯，電源比例較低，無功電源嚴(yán)重不足，電壓支撐能力較弱，所以局部地區(qū)無功功率不足的問題特別突出。另外，電網(wǎng)運(yùn)行方式、負(fù)荷率、輸電出線、設(shè)備損耗等都會(huì)影響電網(wǎng)無功功率平衡水平，繼而引起電壓波動(dòng)。而作為經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，特別是廣州、深圳的電網(wǎng)存在較多高供電可靠性、高電能質(zhì)量需求的用戶，那么在減少用戶停電時(shí)間，提高用戶端電壓合格率的同時(shí)，還必須有效地應(yīng)對(duì)日益突出的諧波、閃變、驟降等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問題。為解決上述問題，需設(shè)計(jì)一種能快速、動(dòng)態(tài)地提供無功的無功補(bǔ)償裝置，以支撐電網(wǎng)電壓，使電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG是一種能夠快速實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷無功功率變化的無功補(bǔ)償裝置，它的特點(diǎn)在于：（1）能夠自動(dòng)跟蹤控制目標(biāo)，改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)，減小功率損耗;（2）能夠快速調(diào)整電網(wǎng)無功，以防止過電壓和欠電壓;（3）能夠補(bǔ)償快速變化的電壓波動(dòng)，減少電壓閃變;（4）能夠抑制低頻振蕩及次同步振蕩，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;（5）能夠利用調(diào)諧濾波、有源濾波抑制諧波;（6）當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷不平衡時(shí)，可以通過無功補(bǔ)償，使三相有功功率與無功功率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

基于上述電網(wǎng)存在的問題及動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償特性，本文研發(fā)了一種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)，在受端電網(wǎng)中實(shí)施動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，按“小容量多布點(diǎn)”配置，能減少無功異地輸送，降低線損，保證電壓穩(wěn)定，提高電網(wǎng)可靠性。

1? ? 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)采用三層分層架構(gòu)[1]，分別為站級(jí)控制層、裝置控制層、閥控制層，如圖1所示。站級(jí)控制層依據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的啟動(dòng)/停止、控制模式的選擇、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)等，還可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和測試需求，選擇多種控制模式。裝置控制層可監(jiān)測功率元件及輔助設(shè)備工作狀態(tài)，針對(duì)站級(jí)控制層下發(fā)的指令，產(chǎn)生電流參考值。裝置控制層可采用分相瞬時(shí)電流跟蹤控制策略、有源濾波、正負(fù)序分離控制策略等。閥控制層采用移相載波PWM調(diào)制和死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償控制策略。該控制系統(tǒng)層級(jí)清晰，保證了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在復(fù)雜工況下能安全穩(wěn)定工作。

站級(jí)控制層、裝置控制層、閥控制層采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850，該標(biāo)準(zhǔn)為變電站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，具有面向電力系統(tǒng)對(duì)象統(tǒng)一建模、通信服務(wù)接口、實(shí)時(shí)服務(wù)、配置語言等特點(diǎn)。在站級(jí)控制層和裝置控制層間通信網(wǎng)絡(luò)采用MMS報(bào)文規(guī)范及TCP/IP以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)，裝置控制層和閥控制層間通信網(wǎng)絡(luò)采用GOOSE模型報(bào)文規(guī)范及以太網(wǎng)。智能電子設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，具有與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)之間的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換性，方便系統(tǒng)的集成，降低自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行、監(jiān)視、診斷和維護(hù)等工程費(fèi)用。

2? ? 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)的原理

控制系統(tǒng)通過測量電壓、電流等電氣量，并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，判斷動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，選擇動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制模式，由站級(jí)控制層、裝置控制層和閥控制層按照各自職能控制功率元件，或者通過人機(jī)界面選取控制模式、設(shè)定控制系統(tǒng)的參數(shù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2.1? ? 站級(jí)控制層控制策略

站級(jí)控制層主要功能有：（1）對(duì)內(nèi)啟動(dòng)或關(guān)停動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)，選擇調(diào)試或運(yùn)行、手動(dòng)或自動(dòng)、遠(yuǎn)方或就地、暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)等控制模式，并對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行監(jiān)視;（2）對(duì)外接收上級(jí)系統(tǒng)無功控制調(diào)度指令，并對(duì)上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)或監(jiān)控中心發(fā)送動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行及告警信號(hào)。站級(jí)控制層控制模式有穩(wěn)態(tài)控制模式、遠(yuǎn)方控制模式、暫態(tài)控制模式等。

2.1.1? ? 穩(wěn)態(tài)控制模式

穩(wěn)態(tài)控制模式[2]涵蓋調(diào)試模式和運(yùn)行模式，調(diào)試模式有恒無功/恒電流控制，用于SVG調(diào)試;運(yùn)行模式有系統(tǒng)無功、恒電壓和阻尼控制等。每種控制模式以不同控制量為目標(biāo)，執(zhí)行各自的控制策略。其中恒電壓控制可與電容器組和電抗器組協(xié)調(diào)工作，阻尼控制能提供一定阻尼裕度，參與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

2.1.2? ? 遠(yuǎn)方控制模式

站級(jí)控制層在遠(yuǎn)方控制模式下接收調(diào)度中心或變電站AVC主控單元的無功指令，該指令直接作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功參考值。

2.1.3? ? 暫態(tài)控制模式

站級(jí)控制層在選擇啟用暫態(tài)控制模式時(shí)，控制系統(tǒng)采集模塊采集相應(yīng)電氣量，處理模塊采用快速檢測算法對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行分析，判斷系統(tǒng)是否存在暫態(tài)擾動(dòng)，并確定是否轉(zhuǎn)入暫態(tài)控制模式，發(fā)出相應(yīng)指令。

2.2? ? 裝置控制層控制策略

裝置控制層根據(jù)站級(jí)控制層下達(dá)控制指令，轉(zhuǎn)入控制模式。它解決了控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn)問題，決定了SVG的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性;同時(shí)裝置控制層是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的保護(hù)及監(jiān)視設(shè)備，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。為解決SVG的輸出電壓未及時(shí)調(diào)整而出現(xiàn)過流和各橋功率元件的參數(shù)不盡相同而引起三相電流不對(duì)稱的問題，提出了分相瞬時(shí)電流跟蹤控制策略;為消除SVG噪聲的影響，采用有源濾波策略;為應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)故障時(shí)不對(duì)稱故障，在采用分相瞬時(shí)電流跟蹤控制外，提出了不平衡運(yùn)行時(shí)的正負(fù)序分離控制策略。

2.2.1? ? 分相瞬時(shí)電流跟蹤控制策略

分相瞬時(shí)電流跟蹤控制具有響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、能快速跟蹤負(fù)荷電流變化的特點(diǎn)，能提高SVG承受沖擊的能力，降低對(duì)電壓突變的敏感性，提高SVG可靠性。分相瞬時(shí)電流跟蹤控制核心算法是求解無功補(bǔ)償分量的旋轉(zhuǎn)變換和補(bǔ)償電流參考值的反旋轉(zhuǎn)變換，當(dāng)相位突變不大時(shí)，對(duì)生成的參考信號(hào)影響很小，能夠?qū)崟r(shí)反映負(fù)荷電流的真實(shí)變化。

設(shè)u0為逆變器輸出電壓，uk為逆變器接入點(diǎn)電壓，L、R為逆變器單相連接電抗和等效電阻，采用單相模型：

u0=L+Ri+uk? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

分相瞬時(shí)電流跟蹤控制原理圖如圖2所示。

其中：

Gp（s）==? ? ? ? ? ?（2）

Gc（s）==Ls+R? ? ? ? ?（3）

忽略諧波影響，輸出電流I（s）為：

Ir（s）Gc（s）Gp（s）=I（s）? ? ? ? ? （4）

即分相瞬時(shí)電流跟蹤控制電流控制的目標(biāo)是使輸出電流I（s）緊跟參考電流 Ir（s）。

2.2.2? ? 有源濾波策略

由于傳遞函數(shù)Gc（s）是比例微分環(huán)節(jié)，容易受到噪聲的影響，可采用有源濾波去除噪聲。SVG控制系統(tǒng)通過諧波和無功電流檢測電路，運(yùn)算檢測出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波電流分量，計(jì)算出補(bǔ)償電流。SVG產(chǎn)生補(bǔ)償電流，與諧波電流抵消，最終得到期望的電流值。

2.2.3? ? 不平衡運(yùn)行時(shí)的正負(fù)序分離控制策略

在不對(duì)稱方式下，為了有效控制輸出電流，避免裝置發(fā)生過流故障，設(shè)計(jì)了正負(fù)序分離的控制策略。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時(shí)，幅值和相位都有可能發(fā)生變化，無法直接從測量的系統(tǒng)電壓獲得同步角，控制系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)頻率為50 Hz、起始角為0°的虛擬同步角，并把它作為電壓、電流dq變換的旋轉(zhuǎn)角，分離出正負(fù)序分量，然后由SVG輸出部分負(fù)序電流以維持平衡。

一般不平衡電壓表示如下：

ua=Ua1cos（ωt+θ1）+Ua2cos（ωt+θ2），ub=Ub1cos（ωt+θ1-120°）+Ub2cos（ωt+θ2+120°），uc=Uc1cos（ωt+θ1+120°）+Uc2cos（ωt+θ2-120°）? ?（5）

式中：相電壓ua、ub、uc是電力線對(duì)中性點(diǎn)的電壓;Ua1、Ub1、Uc1和Ua2、Ub2、Uc2分別為系統(tǒng)電壓的正、負(fù)序分量。

SVG為了在故障期和恢復(fù)期平穩(wěn)運(yùn)行，在故障發(fā)生后滿發(fā)無功功率，同時(shí)還通過正負(fù)序分離控制策略輸出部分負(fù)序電流，以維持裝置自身的平衡。

2.3? ? 閥控制層控制策略

閥控制層根據(jù)裝置控制層下達(dá)參考指令，用特定的PWM方法，計(jì)算死區(qū)時(shí)間、最小開通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間，產(chǎn)生控制脈沖，以調(diào)節(jié)功率元件開關(guān)，實(shí)現(xiàn)SVG輸出，這里采用二電平SPWM調(diào)制模式和死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償控制策略。

3? ? 仿真分析

為了證明該新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，選擇系統(tǒng)無功控制方式進(jìn)行仿真，仿真對(duì)象為某220 kV變電站，控制目標(biāo)值為220 kV側(cè)功率因數(shù)1.0，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，系統(tǒng)無功功率波動(dòng)也較大，新型SVG能實(shí)時(shí)快速地提供無功，使系統(tǒng)變電站無功接近于0，功率因數(shù)穩(wěn)定地提升到1.0。

4? ? 結(jié)語

本文從控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)、通信規(guī)約、控制策略及控制算法角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)，并提出了分相瞬時(shí)電流跟蹤控制策略和不平衡運(yùn)行時(shí)的正負(fù)序分離控制策略解決三相系統(tǒng)不對(duì)稱問題，仿真結(jié)果證明，該新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方法是有效的。

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收稿日期：2022-01-05

作者簡介：王晨皓（1971—），女，河北澧縣人，碩士，講師，從事電力系統(tǒng)控制及通信電源等的教學(xué)和研究工作。