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)計出了一種新型動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)，并利用仿真分析證明了該設(shè)計方法是有效的。

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)運行的狀況。因為區(qū)域內(nèi)負荷特性明顯，電源比例較低，無功電源嚴重不足，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)運行方式、負荷率、輸電出線、設(shè)備損耗等都會影響電網(wǎng)無功功率平衡水平，繼而引起電壓波動。而作為經(jīng)濟較發(fā)達地區(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間，提高用戶端電壓合格率的同時，還必須有效地應(yīng)對日益突出的諧波、閃變、驟降等動態(tài)電壓質(zhì)量問題。為解決上述問題，需設(shè)計一種能快速、動態(tài)地提供無功的無功補償裝置，以支撐電網(wǎng)電壓，使電網(wǎng)恢復(fù)正常運行。

動態(tài)無功補償裝置SVG是一種能夠快速實時跟蹤負荷無功功率變化的無功補償裝置，它的特點在于：（1）能夠自動跟蹤控制目標，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）能夠補償快速變化的電壓波動，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)負荷不平衡時，可以通過無功補償，使三相有功功率與無功功率達到動態(tài)平衡。

基于上述電網(wǎng)存在的問題及動態(tài)無功功率補償特性，本文研發(fā)了一種新型動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)，在受端電網(wǎng)中實施動態(tài)無功補償，按“小容量多布點”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動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

新型動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)采用三層分層架構(gòu)[1]，分別為站級控制層、裝置控制層、閥控制層，如圖1所示。站級控制層依據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，實現(xiàn)對裝置的啟動/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)，針對站級控制層下發(fā)的指令，產(chǎn)生電流參考值。裝置控制層可采用分相瞬時電流跟蹤控制策略、有源濾波、正負序分離控制策略等。閥控制層采用移相載波PWM調(diào)制和死區(qū)時間補償控制策略。該控制系統(tǒng)層級清晰，保證了動態(tài)無功補償裝置在復(fù)雜工況下能安全穩(wěn)定工作。

站級控制層、裝置控制層、閥控制層采用國際標準IEC 61850，該標準為變電站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)行標準，具有面向電力系統(tǒng)對象統(tǒng)一建模、通信服務(wù)接口、實時服務(wù)、配置語言等特點。在站級控制層和裝置控制層間通信網(wǎng)絡(luò)采用MMS報文規(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模型報文規(guī)范及以太網(wǎng)。智能電子設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，具有與變電站自動化系統(tǒng)之間的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換性，方便系統(tǒng)的集成，降低自動化系統(tǒng)運行、監(jiān)視、診斷和維護等工程費用。

2動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)的原理

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

2.1站級控制層控制策略

站級控制層主要功能有：（1）對內(nèi)啟動或關(guān)停動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)，選擇調(diào)試或運行、手動或自動、遠方或就地、暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)等控制模式，并對動態(tài)無功補償裝置進行監(jiān)視；（2）對外接收上級系統(tǒng)無功控制調(diào)度指令，并對上級調(diào)度系統(tǒng)或監(jiān)控中心發(fā)送動態(tài)無功補償裝置運行及告警信號。站級控制層控制模式有穩(wěn)態(tài)控制模式、遠方控制模式、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)試模式和運行模式，調(diào)試模式有恒無功/恒電流控制，用于SVG調(diào)試；運行模式有系統(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，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遠方控制模式

站級控制層在遠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，該指令直接作為動態(tài)無功補償裝置的無功參考值。

2.1.3暫態(tài)控制模式

站級控制層在選擇啟用暫態(tài)控制模式時，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系統(tǒng)電壓進行分析，判斷系統(tǒng)是否存在暫態(tài)擾動，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)站級控制層下達控制指令，轉(zhuǎn)入控制模式。它解決了控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的實現(xiàn)問題，決定了SVG的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性；同時裝置控制層是動態(tài)無功補償裝置的保護及監(jiān)視設(shè)備，是整個控制系統(tǒng)的核心部分。為解決SVG的輸出電壓未及時調(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稱的問題，提出了分相瞬時電流跟蹤控制策略；為消除SVG噪聲的影響，采用有源濾波策略；為應(yīng)對電力系統(tǒng)故障時不對稱故障，在采用分相瞬時電流跟蹤控制外，提出了不平衡運行時的正負序分離控制策略。

2.2.1分相瞬時電流跟蹤控制策略

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

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

分相瞬時電流跟蹤控制原理圖如圖2所示。

其中：

忽略諧波影響，輸出電流I（s）為：

即分相瞬時電流跟蹤控制電流控制的目標是使輸出電流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)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，運算檢測出補償對象電流中的諧波電流分量，計算出補償電流。SVG產(chǎn)生補償電流，與諧波電流抵消，最終得到期望的電流值。

2.2.3 不平衡運行時的正負序分離控制策略

在不對稱方式下，為了有效控制輸出電流，避免裝置發(fā)生過流故障，設(shè)計了正負序分離的控制策略。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時，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，分離出正負序分量，然后由SVG輸出部分負序電流以維持平衡。

一般不平衡電壓表示如下：

式中：相電壓ua、ub、uc是電力線對中性點的電壓；ua1、ub1、uc1和、、ua2、ub2、uc2分別為系統(tǒng)電壓的正、負序分量。

SVG為了在故障期和恢復(fù)期平穩(wěn)運行，在故障發(fā)生后滿發(fā)無功功率，同時還通過正負序分離控制策略輸出部分負序電流，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)裝置控制層下達參考指令，用特定的PWM方法，計算死區(qū)時間、最小開通時間和最小關(guān)斷時間，產(chǎn)生控制脈沖，以調(diào)節(jié)功率元件開關(guān)，實現(xiàn)SVG輸出，這里采用二電平SPWM調(diào)制模式和死區(qū)時間補償控制策略。

3 仿真分析

為了證明該新型動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性，選擇系統(tǒng)無功控制方式進行仿真，仿真對象為某220 kV變電站，控制目標值為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)負荷變化較大時，系統(tǒng)無功功率波動也較大，新型SVG能實時快速地提供無功，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)計了一種新型動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)，并提出了分相瞬時電流跟蹤控制策略和不平衡運行時的正負序分離控制策略解決三相系統(tǒng)不對稱問題，仿真結(jié)果證明，該新型動態(tài)無功補償控制器設(shè)計方法是有效的。

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審核編輯 ：李倩