级联静止同步补偿器

级联静止同步补偿器（共7篇）

级联静止同步补偿器 篇1

1 引言

STATCOM作为柔性交流输电技术(flexible AC transmission system,FACTS)的主要装置之一,与静止无功补偿器(static var compensator,SVC)相比,具有调节速度快、运行范围广、体积小,且暂态无功能力不受电容器容量的大小和系统电压高低的限制等优点[1,2],它代表了现阶段电力系统无功补偿技术的最新发展方向。其中链式STATCOM省略了多重化变压器,具有成本低的优点[3,4,5]。

STATCOM的研究领域多以谐波补偿或稳定电压为主,综合谐波和无功补偿的应用很少,文献[6-7]提出了谐波与无功综合补偿在STAT-COM中的实现方法,然而它们的应用背景都是小容量低压配电领域,控制方法类似于有源电力滤波器(APF);在大功率中高压场合中,受限当前的电力电子开关器件,这种方法并不能得到有效的应用。因此,在中高压领域应用一般须借助于LC无源滤波器、耦合变压器等组合成的混合有源电力滤波器(HAPF),但这种方式能实现谐波及基于器件的无功综合治理,不能进行动态无功补偿[8,9]。所以,目前在无功与谐波综合治理方面都是采用动态无功补偿装置和有源电力滤波器分别对无功功率和谐波进行动态补偿,成本较高。

本文以企业用35 k V/6 k V变电站为应用背景,对6 k V级联STATCOM装置进行了研制。综合考虑设备效率、应用成本及功率领域电力电子开关器件频率限制,采用一种谐波分频补偿技术对危害较大20次以内的谐波进行重点抑制;对基波无功和有功电流采用闭环解耦控制,准确、动态地对无功功率进行补偿,实现了无功与谐波的综合电流补偿。给出装置的主电路结构及其主要参数、载波移相SVM调制技术。所采用控制方法进行了Matlab/Simulink仿真,并结合样机的现场试验,验证了该方法的可行性与正确性,具有较好的应用前景。

2 6 k V级联静止同步补偿器

高压大功率静止同步补偿器主要通过多重化和级联多电平这两种方法来提高装置的应用电压等级和设备容量[1,10]。级联多电平技术与多重化结构相比省去耦合变压器设计,直接并入交流系统且易于实现冗余和模块化生产,提高了装置的可靠性,是大功率STATCOM的发展方向。

2.1 主电路结构

本文设计的STATCOM级联H桥结构,又称链式STATCOM,主电路结构如图1所示,参与级联叠加的N个H桥单元就是通过提高输出电压来扩容,通过增加输出电压的电平数来改善输出电压波形,减少对电网的谐波污染[11]。图1中,装置的额定容量为2.6 Mvar,每相采用8级H桥单元串联,其中1级为冗余运行单元,三相星型连接,每相通过滤波器(电抗器)直接并入6 k V电网的公共接点。开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT,型号为FF450R17ME4,规格为1 700 V/450 A,直流侧电容容量为4 000μF(8个500μF薄膜电容并联组成的电容器组)。正常工作时,装置每相8级H桥投入运行,三相总的直流电容电压为5.6k V,H桥功率单元降额运行[12];当某相中的某个H桥单元故障时,通过该H桥单元交流输出端的反并联晶闸管将其旁路,同时调高其他7级H桥的电容电压以维持该相总的直流电压5.6k V不变。此后,该相非故障H桥单元自动运行在额定容量上,而其他非故障相正常运行,不受影响。

2.2 装置的数学模型

结合文献[13]中的建模假设条件,对图1所示主电路进行数学建模,其交流侧的电压电流方程如下:

式中:ucx,ix(x=a,b,c)分别为装置交流侧输出电压和交流侧电流;usa为交流侧系统电压;L为连接电抗器的等效值;R为装置损耗的等效电阻值。

将式(1)进行基波频率下的dq变换,得d,q旋转坐标下的交流侧数学模型:

式中:usd,usq为系统电压的dq变换,由于变换矩阵d轴与电压矢量重合,故usq=0;ucd,ucq为装置输出电压dq变换;id,iq为交流侧电流的dq变换值。

3 无功与谐波综合补偿控制策略

区别于传统的STATCOM装置,本文研制的STATCOM装置在正常进行动态无功补偿的前提下还能具备谐波抑制功能,在控制策略上采用单独无功补偿控制环和单独谐波抑制控制环,互不影响。

3.1 基波无功动态补偿控制方法

从式(2)中可以看出,STATCOM装置的基波频率dq同步旋转坐标下的交流侧数学模型中的无功电流iq与有功电流id存在着耦合,不利于控制器实现快速控制[14]。为此本文采用前馈解耦控制策略进行解耦控制。

式(2)引入PI控制,实现对指令电流的稳态静差跟踪控制,并将ucd,ucq替换为ucd,u*cd则得下式:

根据上式,即可得到基波无功动态补偿控制框图如图2所示。图2中通过系统电流isa,isb,isc,系统电压usa,usb,usc检测出待补偿的无功电流指令,STATCOM装置交流侧输出三相电流ia,ib,ic,通过中心频率为50 Hz的数字带通滤波器,留下的基波分量通过dq变换后得到装置输出基波的电流id,iq与指令电流id*,iq*,进行图2中的PI解耦控制,得到装置输出基波电压的dq分量u*sd,u*sq,经过dq反变换后即得装置输出的三相基波电压指令值与三相谐波电压指令,叠加再经过比例运算K×[1/(8×700)]后,得到装置每一相调制波的初始值,再经过H桥的平衡控制后得每一级H桥的调制波。

H桥单元相互独立使得链式STATCOM控制系统必须对H桥单元的直流侧电容进行平衡控制。图2中采用分层控制,即上层对每相H桥单元总的电压u軈dc(三相的平均值)进行PI控制,使其维持在给定值u*dc,下层采用基于有功电压矢量叠加的平衡控制原理,对每个H桥单元的调制波进行修正[15]。

3.2 谐波分频控制方法

针对大功率领域对开关频率限制,本文采用载波移相SVM调制技术,可使装置的等效开关频率提高16倍,达到9.6 k Hz,满足采用谐波分频技术对20次以内谐波进行补偿的频率要求。由于三相三线制系统中不存在零序,本文只考虑正序和负序的特定次谐波如5次谐波是负序、7次谐波是正序,尖谐波等不在考虑之内。

特定次谐波分频控制框图如图3所示,iLa,iLb,iLc为负载端电流。特定n次谐波通过谐波同步正序旋转坐标变换,转化成直流分量,经过滤波提取,通过PI调节,实现该n次谐波无静差的跟踪控制。

完整的谐波电流控制环类似于图3,各次谐波分频控制输出的指令电压叠加组成总的三相谐波电压指令值u*cah,u*cbh,u*cch与基波无功电压指令值叠加,即特定次谐波与无功综合补偿指令值,如图2所示。由于所采用的谐波分频控制策略包含各次谐波电流控制环,需要大量的坐标换算,因此对控制器芯片的硬件要求较高,随着谐波电流控制环的增多,运算量也相应的增加,现有半导体芯片制造技术难以满足,故在使用中应当注意电流环数目的限制,优先考虑危害较大的那几次谐波。

4 载波移相SVM调制技术

载波移相SPWM调制技术在级联多电平逆变器中应用最为广泛,它实现了SPWM技术在大功率、多电平场合应用。将载波移相技术融合到两电平SVM调制技术中,可得到一种适合大功率级联STATCOM的空间矢量调制方法。SVM本质上也是一种规则采样PWM调制技术[17]。

在三相级联H桥主电路中(见图1)任意取出一级H桥单元,三相3个H桥单元组成一个层进行SVM控制,如图4所示。

应用时,每级三相H桥的3个左桥臂和3个右桥臂分别作为相邻的2个三相全桥进行SVM调制,它们的采样时间相隔TS/2(TS为PWM调制周期)。此外,对H桥右臂进行调制时,得到的触发信号正对应于Sx3。每相相邻的两级H桥单元同侧桥臂的采样时间间隔TS/2N(N=8),即可实现空间矢量调制在三相级联STATCOM中的应用。

本文采用文献[18]的快速简化算法(连续开关调制模式)来解决复杂的数学在线运算。

图5为级联STATCOM并网前载波移相单极倍频SPWM技术和载波移相SVM技术时输出线电压仿真波形及其频谱的对比(相同调制比M为0.9,其中SVM采用两电平连续开关调制模式[11],开关频率均为600 Hz);可以看出,采用载波移相SVM调制技术类似与载波移相SPWM调制技术,变流器单元PWM调制频率相同,开关负荷均衡,等效开关频率提高了16倍,直流电压利用率更高且易于数字化[16]。

5 系统仿真分析

采用Matlab/Simulink对6 k V级联STATCOM装置进行仿真分析。仿真参数如下:电网线电压有效值/频率为6 000 V/50 Hz,连接电抗器感值等效电阻为6.7 m H/0.15Ω,装置容量2.6 Mvar、单相级联H桥单元数为8级(如图1所示),每个H桥单元采用两电平SVM调制方式(连续开关模式),IGBT开关频率为600 Hz,直流电容容量额定电压为4 000μF/700 V。

5.1 基波无功动态补偿

在电网中投切1.2 Mvar(有功功率为1.2 MW)感性无功功率,在0.14 s时再次投入1.2 Mvar(有功功率为0.5 MW)冲击性负载(感性无功),0.24s时投入3 Mvar(有功功率为1 MW)的容性无功负载。STATCOM投入补偿前A相电压与电流波形如图6a所示(标幺值表示,电压基准值为相电压峰值,电流基准值为600 A)。图6b为补偿后A相电压、电流波形,装置能够在半个周波以内实现对突变负荷的动态无功补偿。图7、图8分别为装置的输出补偿电流波形和无功电流动态响应波形。

5.2 无功与特定次谐波综合补偿

本文采用的谐波分频控制策略能对电网20次以内的谐波电流进行抑制,仿真中先投入1.8Mvar感性无功功率,0.18 s时再投入电流谐波源(三相桥式二极管整流电路)。补偿前A相电流、电压如图9a所示;图9b为补偿后A相电压、电流波形,可以看出本文研制的STATCOM装置取得了较好的综合补偿效果。图10、图11分别为装置的输出补偿电流波形和补偿前后电网电流的频谱对比。

从图11中可以看出采用特定次谐波分频控制能够将20次以内谐波THD抑制在0.7%以内。

6 现场试验结果

本文所研制6 k V级联STATCOM,经一系列测试,在地面35 k V/6 k V变电站成功并网运行。图12的波形数据来自STATCOM的监控系统,图12a所示的实际电网电压中含有微量的低次谐波和不平衡电压分量,图12b为装置补偿前电网公共接点的电流波形,波形中含有大量的无功功率、20次内的低次谐波和微量的高次谐波;装置投入运行后电网公共接点处的无功功率得到了很好的补偿;图12c为补偿后的电流波形。公共接点处的功率因数在0.98以上,如图13所示。低次谐波电流也得到了很好的抑制,如表1所示。

7 结论

针对中高压大功率领域中传统补偿装置不能直接进行谐波补偿问题,研制了具备谐波抑制功能STATCOM装置,在控制策略上采用单独无功补偿控制环和单独谐波抑制控制环,互不影响。在谐波治理方面,采用了谐波分频控制方法,能够有效对20次以内的谐波进行补偿;在基波无功补偿方面,采用前馈解耦控制方式能够实现基波电流的有功、无功的解耦控制。H桥级联结构,使装置省去了耦合变压器的设计,通过连接电抗器直接并入电网,降低了系统设计成本,减少了占地面积;载波移相SVM的调制方式能够提高装置的等效开关频率、提高输出电压波形质量;最后的仿真实验结果表明该STATCOM装置能够对电网公共接点进行有效无功与谐波综合动态补偿,具有广阔的工业应用前景。

静止同步补偿器运行与维护 篇2

关键词：静止同步补偿器,运行,维护

1 前言

动态无功补偿装置中最具有代表性的为静止无功补偿器 (SVC) 和静止同步补偿器 (STAT-COM) , STATCOM已开始逐步投入实际运行, 并在响应速度、运行特性、损耗与维护等方面均优于SVC[1], 成为较好的动态无功补偿解决方案。以下分析某110k V变电站STATCOM装置的运行、维护及检修经验。

2 STATCOM基本原理

STATCOM是一种基于全控型功率换流器技术的逆变器, 主要用于改善电网的电压稳定性和电能质量、阻尼系统低频振荡及增强系统暂态稳定性等。STATCOM通过快速调节其输出电压的相位或幅值[2], 灵活地改变向系统注入的补偿电流, 实现动态无功补偿, 基本工作原理为:当STAT-COM输出电压低于系统电压时, STATCOM从电网吸收无功, 作用类似电抗器;反之, STATCOM向电网输出无功, 作用类似电容器。

3 STATCOM系统组成

安装于某110k V变电站的STATCOM主要用于抑制钢铁负荷造成的10k V母线电压波动与闪变, 系统由功率单元、主控制单元、人机操作界面和升压变压器组成。其中, 功率单元基于IGBT模块化构建, 安装于户外, 由多个逆变器模块并联组成, 并通过0.48/10k V升压变压器接入10k V系统, 不同于链式结构的STATCOM。功率单元主要包括IGBT模块、功率驱动电路、滤波电路、监控与保护电路、预充电回路、辅助供电电路等, IGBT模块将IGBT、直流侧电容 (薄膜电容、突波吸收电容) 及直流充电电路、型材散热器等集成为一个功率部件, 节省了装置体积。

主控制单元负责采集电网监测数据、生成控制指令及保存系统运行数据。它实时采集主变压器低压侧CT及10k V母线PT信号, 经内部高速处理器计算后向功率单元发送控制指令, 动态输出无功功率。同时, 10k V母线电压、动态无功输出量、报警事件等各种运行信息均保存于主控制单元。人机操作界面主要实现STATCOM系统运行状态的监视和控制, 并具备实时状态显示和历史数据轮询功能。功率单元与主控制单元之间采用高速/低速两路光纤通信 (Ala双向多模) , 以实现对控制量、状态量等不同类型的高/低速数据的分组响应和快速处理[3]。

4 装置的运行操作

1) STATCOM装置为全自动运行装置, 启停机操作仅用在设备高压调试、系统维护或故障检修期间。STATCOM的功率单元配备了一组低压大电流的断路器连接至升压变压器低压侧, 升压变压器高压侧通过10k V真空断路器连接至10k V母线。STATCOM的启停机操作一般在人机操作界面处完成 (特殊情况下可在主控制单元或功率单元处手动操作) 。

2) 控制模式调整:通常, STATCOM能够实现电压控制或功率因数调节等多种控制方式, 并能对外部电容器组进行投切控制。在控制效果需求变化时, 需要对控制模式及参数进行调整。

3) 运行数据监控:需要重点观察和记录的主要运行数据包括:10k V母线运行电压、STAT-COM动态无功输出电流、电流总谐波畸变率THD、外部电容器投切记录、功率单元报警信息、风机转速、滤网压力值、功率单元运行温度等。上述信息均可在人机操作系统主界面的数据视窗中观察, 风机转速、滤网压力值、功率单元运行温度这三个参数是标志设备是否正常运行的主要环境参数, 设备的维护需要根据这三个参数做出初步判断。

5 设备维护

5.1 日常性维护

运行温度、空气过滤网压力值、风机转速是日常性维护中重点关注的三个关键参数, 也是衡量功率单元运行状态的主要指标。功率单元通过多个温度传感器对内部温度进行监测, 包括各IGBT模块温度、驱动电路温度、滤波电路温度等;功率单元采用强迫式风冷散热方式, 位于功率单元前部的抽气风扇将外部冷空气吸入, 对IGBT模块冷却后, 由后部的排风扇将热空气排出。安装于前部的空气过滤网将外部冷空气中的灰尘过滤, 滤网压力值是逆变器外部压力与内部压力之差, 表征了滤网的清洁程度, 该压力值越大, 滤网阻塞越严重。另外, 人机操作界面中的功率单元运行界面和主运行状态报警界面也需要在日常性维护中经常关注, 功率单元运行界面给出了各IGBT模块的最高/最低运行温度、直流侧电压等信息。

5.2 周期性维护

STATCOM的周期性维护包括三方面的内容, 包括功率模块力矩校核、滤网清理及更换、预防性检修。功率模块力矩校核每年进行两次, 主要是对各IGBT模块的连接螺栓、固定螺栓进行受力力矩检查和校正, 每个连接螺栓均按照固定的力矩值要求校核, 这样有利于防止功率模块在长期运行振动过程中, 由于受力不均匀出现连接故障, 如间歇性短路、接地、绝缘性能降低等。

空气滤网由8个盒式过滤器和8个槽式过滤器组成, 安装于功率单元逆变器侧柜门内部。通常, 当滤网压力值在达到0.8且持续时间超过1小时, 则需对空气过滤器进行清洁;当该值达到0.95且持续时间达到0.5小时, 则对全部的空气过滤器进行更换。

STATCOM的预防性维护每年进行两次, 主要包括:设备常规状态检查;防雪罩和百叶窗检查;加热器运行检查;紧急照明部件测试;功率单元检修通道照明灯的检查或更换 (需要时) ;外部环境、进气和排气通道的检查;排气扇检查;低压侧断路器连接部件的力矩校核等。

6 故障检修流程

1) 观察人机操作界面的报警页面, 查找实时故障信息和历史故障记录, 确定故障类型;

2) 打开人机操作界面中功率单元运行监控页面, 观察各IGBT的运行状态;

3) 观察主控制单元运行情况, 包括信号采集电路、控制电路的输入输出信号是否正常, 交直流辅助供电模块是否正常等;

4) 观察功率单元内部运行情况, 包括IGBT模块是否存在明显灼伤痕迹及异味、交直流辅助供电回路继电器运行位置等, 必要时对IGBT模块进行测试。

7 结束语

该STATCOM装置自投运以来, 能够快速响应系统电压变化, 动态、精确地调节无功输出, 运行稳定可靠, 体现了其优良的动态补偿性能。通过该装置的现场应用, 运行、检修等人员积累了大量的关于新型动态无功补偿装置的运行、维护经验, 为静止同步补偿器在南方电网的广泛应用奠定了良好的工程实践基础。

参考文献

[1]俞旭峰, 王伟, 等.应用STATCOM、SVC提高上海电网的电压稳定[J].华东电力, 2005, 33 (4) :29-32.

[2]高凯, 邹彬, 郑斌毅.上海西郊变电站STATCOM的性能测试及试运行情况[J].电力设备, 2007, 8 (7) :27-30.

级联静止同步补偿器 篇3

以电力电子技术为基础的无功补偿技术研究自20世纪80年代开始,经历了近30年的发展历程,形成了以静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)为主流的动态无功补偿装置[1,2,3]。相对于以装配大量电容电感元件作为无功源的SVC,STATCOM则是利用大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量交换,从而能够在全工况下,特别是在电网电压急剧下降需要无功支撑时,实现快速同步跟踪补偿电网动态无功,具有全面适应高压电网动态无功调控的技术优势[4]。随着其响应速度和容量的不断提升,STATCOM对提升电网电压稳定性的效果日益显著。但是,若在其发生故障时不能及时采取有效措施,也将给电网带来功率冲击的风险。因此,除在控制策略方面提升其稳定性外,还需建立完善的保护体系。

目前,国内外学 者对在电 网实际应 用STATCOM的保护方面的研究主要集中于2个方面:一是STATCOM对电网传统继电保护的挑战,其热点是对输电线路距离保护测量阻抗的影响研究[5,6];二是对STATCOM装置本体 保护的设 计。文献 [7]率先提出 要从系统、装置的角 度对STATCOM保护系统进行全面、系统、实用的论述。20世纪90年代末,以清华大学为主的研究团队结合国内第1台±300kvar STATCOM工业样机和河南电力局 ±20 Mvar STATCOM装置,展示了STATCOM保护的独特设计[7,8,9,10]。文献[8]通过关键电气量范围对STATCOM装置的异 常、紧急及故障等状态进行划分,并提出保护系统应采取分级保护措施。桥臂直通保护及封锁脉冲运行方式等新方法也得以实现了工程应用[9,10]。然而,由于技术封锁和技 术革新的 原因,近十年来,国内外对STATCOM本体保护 的公开性 研究报道 寥寥无几[11,12,13],且内容鲜有涉及新颖的保护设计和应用。

自2011年起,南方电网相继投产了4套百兆乏级链式STATCOM[14,15,16]。本文从功率单元和换流链这2个物理层面论述STATCOM的全套保护功能设计。从对象、检测、逻辑、策略细述整套保护体系中每一个子类别保护的具体实现和技术特点。借鉴清华团队提出的分级保护概念,利用出口策略对功率单元保护进行分类,并利用信号来源对换流链保护进行分级,根据故障的严重程度采取旁路、闭锁、跳闸三级出口策略。本文提出了新的功率单元在线旁路 技术、过流保护 闭锁重启 技术和STATCOM跳35kV开关失灵保护优化技术,融保护与控制于一体,体现了电力电子技术的灵活性,也保障了STATCOM运行的可靠性。

1 STATCOM保护功能总体设计

南方电网 应用的35 kV/±200 Mvar链式STATCOM装置共分为2组,分别通过381和382开关并联在专用主变压器低压侧,2组STATCOM装置采用三角形 接法,每相由2个连接电 抗器和27级功率单 元串联的 阀组集装 箱组成。STATCOM一次电气接线图如图1所示。

STATCOM的保护功能对时间要求非常苛刻,本文设计保护功能与控制功能在一个控制平台上实现。保护功能主要涉及3个方面。

1)功率单元保护。通过检测单个功率单元内部的电压和功率器件的状态,避免超出功率器件的运行范围。当功率单元发生内部故障时,由于引入了先进的在线旁路技术,可根据故障严重程度选择旁路故障单元STATCOM保持运行,或直接令 单组STATCOM停运。

2)换流链保护。通过检测系统电压和电流,避免超出换流链的承受能力造成设备损坏。换流链故障时,可根据其 风险程度 选择对单 组或2组STATCOM进行闭锁脉冲或跳闸。

3)控制系统保护。通过硬件进行自检和软件进行监控来实现,发生异常立即闭锁脉冲或跳闸。

本文仅主要对STATCOM独有的功率单元保护和换流链保护进行论述。

2 功率单元保护设计

2.1 功率单元保护配置

功率单元的保护主要针对撬杠故障、旁路开关故障、通信故障、数据校验错误、泄露故障、电源故障、注入增强栅晶体管(IEGT)故障、直流过压、直流欠压和电容压力故障。图2为功率单元保护配置。

2.2 功率单元保护功能逻辑

功率单元保护按出口逻辑主要分为3类。

第1类保护出口策略为旁路,主要针对功率单元内部一般故障,有以下4种。

1)IEGT故障保护:当检测IEGT驱动板反馈信号异常时启动。IEGT本体烧坏、驱动板损坏、连接光纤松动均可能引起IEGT故障保护启动。

2)电容压力故障保护:直流电容的压力传感器反馈接点为分时启动。功率单元中有4个并联的液氮电容器,4个电容器的压力传感器常闭接点串联,当任意一个电容器压力增大至设定值时保护启动。

3)直流过压 (欠压 )保护:直流电容 的电压Udc>Uset1(Udc<Uset2),持续100μs时启动。其中,Uset1和Uset2均为给定电压值。

4)电源故障保护:每个功率单元均有2个互为冗余的隔离电源,用以给电容充电和为所有板卡供电,当任意一个隔离电源的反馈状态为0时启动。

第2类保护出 口策略为 闭锁脉冲,主要针对STATCOM并网的情况,分为以下2种。

1)充电故障保护:并网之前,给每个功率单元的直流电容预充电,3 min后若某个或某几个单元电容电压没有达到设定值(如1 750V)则保护动作。

2)自检故障保护:当STATCOM充电完成并入电网前,给每个功率器件发一个固定宽度脉冲,检测返回信号宽度是否正常,若不一致则保护动作。

第3类保护出口策略为将本组STATCOM闭锁脉冲和跳开35kV开关,主要针对严重故障,分以下3种。

1)旁路失败保护:第1类保护启动时请求将本功率单元旁路,旁路命令由单元主控板上报和执行,旁路时首先通过撬杠将直流电容的电能快速释放,然后通过旁路开关将故障功率单元短路隔离。若在STATCOM发出旁路命令以后的100 ms内,电容电压仍然高于500V,则认为发生了撬杠故障;若在发出命令以后的600ms内,旁路开关反馈节点没有闭合,则认为旁路开关动作异常。若撬杠故障和旁路开关故障中的任意一个发生,则说明旁路失败,故障功率单元没有从换流链中隔离出来,必须停运本组STATCOM。

2)泄露保护:每个功率单元由2个相模块组成,相模块内为桥式换流电路,IEGT工作时产生的大量热量需通过水冷系统带走。为防止高压密闭环境内的微水泄露引发电气故障,在每个相模块底板上装有漏水检测传感器,并通过漏水检测板上送信号给单元主控板。一旦发生水泄露故障,必须立即闭锁STATCOM,并跳开35kV开关进行电气隔离。

3)通信保护:STATCOM控制柜与各个功率单元的连接主要通过每个阀组集装箱中的脉冲柜进行中转和分配,当脉冲分配单元和单元主控板进行通信时,若连续5ms内脉冲板均未接收到单元主控板的通信信息,或连续8次接收到的数据校验错误,即认为发生了通信故障。该情况下,功率单元的工作情况将变得不可控,因而必须采取紧急措施。

功率单元保护出口逻辑如图3所示。

2.3 功率单元在线旁路技术

对于功率单元第1类故障(IEGT、电容、电源故障),由于其本身不会对整组STATCOM的运行带来扩大性影响,最好的方法就是将故障单元隔离。

图4为功率单 元电路图。 图中:IEGT1和IEGT3分别为左、右桥臂上功率开关器件;IEGT2和IEGT4分别为左、右桥臂下功率开关器件;C为H桥直流侧电容;KM为旁路开关;SCR为晶闸管,其与与之串联的电阻R、电感L组成撬杠电路。

传统的机械旁路方法是在单元主控板发出旁路命令后将晶闸管SCR触发导通,同时将开关KM闭合。由于旁路接触器线圈励磁和接点动作需要固有的动作时间,为防止事故扩大,在发出旁路命令后整组STATCOM闭锁脉冲100 ms,待旁路开关和撬杠都合上后重新提供脉冲,使STATCOM运行。

本文提出的在线旁路方法如下:若故障相链节发生除功率开关器件之外的故障,在旁路命令发出后,在将晶闸管SCR触发导通和 旁路接触 器开关KM闭合后,同时开通IEGT1和IEGT3(或IEGT2和IEGT4),由于IEGT脉冲调整 为微秒级,利用IEGT形成短时的短接通路,可以实现STATCOM的不间断运行。待旁路开关KM完成闭合后,再将本功率单元的IEGT脉冲闭锁,由此即实现了在线旁路。功率单元 旁路示意 图如图5所示。 图中,K1,K2,K3均为35kV开关。

功率单元旁路后,故障功率单元被短路隔离,本相换流链由原先的27级功率单元串联变为26级功率单元串联。为保证本相换流链输出电压 保持不变,控制器会重新计算本换流链各功率单元的载波移相角,并通过脉冲分配单元调整各IEGT触发脉冲。由电感L5、电阻R5、电容C5组成的缓冲电路可有效防止旁路过程中因直流电容侧和交流电网侧压差引起的换流链瞬间过电流击穿IEGT。

根据IEGT的过流能力和耐压能力,每相不少于24个功率单 元串联运 行即可满 足出口电 压35kV的系统运行需要。STATCOM正常运行时,27级功率单元全部投入运行,当每相中任意3个及以下的功率单元发生第1类故障并采用旁路技术成功隔离后,余下功率单元仍可维持本相的运行,即各相均有3个功率单元的任意性冗余。

3 STATCOM换流链保护设计

3.1 换流链保护配置

换流链保护主要包括交流过压保护、交流欠压保护、环外过流保护、环内过流速断保护、电压互感器(PT)故障、同步故障、水冷故障和断路器失灵故障。换流链保护配置如图6所示。图中,CT为电流互感器。

3.2 电网电压异常保护

通过35kV母线PT(35kV/100V)检测35kV母线各相 电压,包括幅值、相位、频率。 根据STATCOM的极限运行能力,当电网电压越限时必须果断采取自保持,退出运行。

当任意一相的电压有效值高于1.2(标幺值,下同)且持续5s以上时,交流过压 保护动作,2组STATCOM脉冲闭锁并跳开35kV开关。

当任意一相电压有效值低于0.2且持续40ms时,交流欠压保护动作,2组STATCOM脉冲闭锁。

当接入系统的PT信号的最大值和最小值的差大于0.4(标幺值)且持续0.2s时,判定为PT故障,2组STATCOM脉冲闭锁。

当STATCOM启动前检测到35kV母线电压的频率不在49~51Hz之间,或存在相序错误,则判定为同步故障或频率故障,2组STATCOM脉冲闭锁并跳开35kV开关。

3.3 与交流电网保护的配合

除了监测35kV母线电压,STATCOM控制器还接入500kV(或220kV母线电压)作为其无功控制的目标电压。由文献 [15-16]可知,STATCOM将当前目标母线的实际电压与预设目标值进行比较,并以此为依据对电网进行动态无功补偿。

当母线任意一相电压有效值u满足0.93<u<1.07,且电压滑 差小于1.4kV/ms(t>5 ms)时,STATCOM为稳态调压模式。而当电网发生故障时,电网电压会发生跌落,只要检测到u<0.93或电压滑差大于1.4kV/ms(t>5 ms),则STATCOM将迅速进入暂态电压控制模式,并在电网故障发生后的20ms内发出300Mvar容性无功功率,在传统继电保护动作(40~100ms)前支撑电网电压,提升电网电压恢复速度。

同时,为防止近端电网发生故障时STATCOM瞬时发出大量无功功率导致短路点的短路电流加剧,在控制策略中设定了主动闭锁功能,即设定2个阈值(U1和U2),当目标母线任意一相的电压有效值u低于U1(可设为0.3或其他)时,STATCOM闭锁脉冲;当所有相电压有效值均大于U2(可调定为0.6或其他)时,STATCOM解除闭锁。

3.4 环内外过流保护及过流闭锁重启技术

为保证在STATCOM运行过程 中,尤其是暂态启动时,不会因为控制器的失效出现无功电流超调导致IEGT烧毁,结合35kV开关CT和集装箱内管母线上的LEM CT配置三角形电路环外和环内的双重过流保护。与3.1节所述电压保护2组STATCOM同时出口 不同,过流保护 只对本组STATCOM出口,另一组STATCOM不受影响。

3.4.1 环外过流保护

利用35kV开关CT(2kA/1A)检测35kV各相开关电流(即环外电流),当任意一相的电流(环外电流)有效值超过设定值2.475kA(合标幺值1.5),并且持续10s后,系统进入过流保护。

3.4.2 环内过流速断保护

在集装箱内管母线上安装LEM CT(额定值为2.5kA)以检测阀组环内电流,并将电流值进行模数转换后送至单元主控板,再通过光纤通道送回给控制器。当任意一相相电流(环内电流)的瞬时值超过2.29kA(合标幺值1.7)时,速断过流保护动作。

3.4.3 环内过流闭锁重启

环内外过流保护动作的出口策略都是将本组STATCOM脉冲闭锁。不同的是,由于环内过流保护采用的是速断保护,为防止由于电磁干扰、采样异常或单元主控板上元件损坏引起的误动作,引入了重启功能,即在速断 过流保护 动作将本 组STATCOM脉冲闭锁1s后,自动重新提供触发脉冲,在1s内若仍检测到环内电流瞬时值再次达到2.29kA,则将本组STATCOM闭锁脉冲 并跳开35kV开关;若在1s内环内电流没有再次触发速断保护动作,则STATCOM保持运行。

环内过流速断保护重启功能可在保证设备安全的同时,提高设备的运行可靠性。

3.5 水冷系统故障保护

IEGT在高频开通和关断过程中会产生大量的热量,需采用强 流水循环 方式进行 冷却。 每组STATCOM有一套独立的专用水冷系统,水冷系统通过独立的控制系统监测进出STATCOM阀组集装箱的水温差,并调节水 压、水速和风 机。 由于STATCOM严禁在水冷停运的情况下运行,因此,一旦水冷系统本身的控制保护系统检测到故障,将首先发故障信号给STATCOM,本身的水冷系统经延时再停止运 行。在STATCOM的运行过 程中,若收到水 冷系统发 送来的跳 闸故障,且持续100ms,则进入跳闸程序,闭锁脉冲和跳开35kV开关。2组STATCOM相对独立。

3.6 外部急停

在STATCOM运行或试 验过程中,若发生异常状态,而又没有STATCOM任何一种 保护动作出口,例如后台数据异常、失去监控或出现其他对装置本身或电网不确定性风险时,可按下STATCOM就地控制室监控柜的红色急停按钮,进行外部急停。急停按钮一旦被按下,2组STATCOM将立即闭锁脉冲,并跳开35kV开关。

3.7 STATCOM跳35kV 开关失灵保护优化

STATCOM保护动作时,会旁路故 障功率单元、闭锁整组STATCOM脉冲、跳开35kV开关。当旁路失败时,可以闭锁脉冲和跳35kV开关;当闭锁脉冲失 败时,也可以通 过跳35 kV开关将STATCOM从电网中隔离。当跳35kV开关失败时,需启动断路器失灵保护或远后备保护。

由图1可知,专用变压 器只有变 高开关,而STATCOM的每个换流链首尾均串有电抗器,短路电流较小,不能满足变压器高后备保护的灵敏度要求。因此,专用变压器高后备保护不能作为35kV开关拒动的远后备保护。

图7为35kV断路器配置的失灵保护逻辑。

由于STATCOM保护出口跳35kV开关的同时也会闭锁脉 冲,35kV开关的各 相电流为0,即35kV断路器失灵保护并不适用于STATCOM故障35kV开关跳不 开的情况。因此,重新设计 了STATCOM跳闸断路 器失灵保 护, 其在STATCOM的控制柜上就地实现。STATCOM跳35kV开关失灵保护逻辑如图8所示。

将35kV开关的位置信号送至STATCOM的控制柜,当STATCOM发跳闸命令跳35kV开关时,延时2s检测35kV开关仍为合位,即出现跳不开的情况,通过出口压板直接发跳闸命令给专用变变高开关操作箱,跳开专用变变高开关。

4 结语

本文对STATCOM的保护进行了分层分类设计,并阐述了全套保护的逻辑和出口策略。所提的功率单元在线旁路功能、环内速断过流闭锁重启功能、STATCOM跳35kV开关失灵保护等方面的技术创新融 保护与控 制于一体,可大大提 升STATCOM的运行可 靠性。 文中所提 的STATCOM保护设计已在实际工程中得到应用和检验,其逻辑严密、体系完整,可供国内外其他类似工程借鉴使用。

摘要：为保障直挂电网的百兆乏级静止同步补偿器(STATCOM)的装置安全和电网安全,需建立一套完整可靠的保护系统。文中基于南方电网4套百兆乏级链式STATCOM的科技创新和工程实践,阐述了STATCOM装置的全套保护功能设计。利用出口策略对功率单元保护进行分类,并利用信号来源对换流链保护进行分级,根据故障的严重程度采取旁路、闭锁、跳闸三级出口策略。通过双重过流保护和STATCOM跳35kV开关失灵保护的设计,提高了STATCOM运行的安全性。通过功率单元在线旁路功能和换流链过流闭锁重启功能的出口策略优化设计,实现了保护与控制一体化,保障了STATCOM运行的高可靠性。

级联静止同步补偿器 篇4

作为改善电能质量[1,2,3,4,5]的电力电子装置,配电网静止同步补偿器DSTATCOM(Distribution-network STATic synchronous COMpensator)的主要功能是支撑配电网公共连接点PCC(Point of Common Coupling)电压[6,7],同时直流侧电压稳定也是DSTATCOM安全有效工作的保证[8,9]。

STATCOM的工作性能与其所采用的控制策略有关[10,11,12,13,14]。本文设计了DSTATCOM的前馈解耦控制系统:采用前馈解耦控制策略实现d、q轴电流解耦控制;基于瞬时有功、无功功率的定义获得电流跟踪控制器的期望值信号;在此基础上,获得了DSTATCOM的双闭环控制系统。

1 系统建模

图1所示为系统电路结构,图中ug、Lg、Rg为配电网电压(无畸变)、电感、电阻;LL1、RL1和LL2、RL2均为连接于PCC处固定容量的电感、电阻,其中,前者用以模拟敏感性负载,后者用以模拟大容量电感性负载;开关S用来控制LL2、RL2是否接入配电网;L、R为连接电抗器的电感、电阻(包含了开关器件的开关损耗),iS为流经L、R的电流;DSTATCOM由二电平电压源型变流器构成,uS为其交流侧电压,C为直流侧大电容,RC用来等效直流侧损耗,uDC、iDC为直流侧电压、电流,iRC为流经RC的电流。

由图1可得配电网PCC、连接电抗器和DSTAT COM(交流侧)在三相abc坐标系中的方程:

其中,ux(x=a,b,c)为配电网PCC的瞬时电压;iSx(x=a,b,c)和uSx(x=a,b,c)分别为DSTATCOM交流侧的瞬时电流和瞬时电压。

由式(1)可得系统在两相静止αβ坐标系中的方程:

由式(2)可得系统在两相同步旋转dq坐标系中的方程:

其中,ω为配电网的基波角频率。

为简化运算,现将d轴固定在配电网PCC的电压矢量上,因此,有

其中,u为配电网PCC的电压。

结合式(3)(4),有

对式(5)进行拉普拉斯变换后,可得系统模型,如图2所示。

显然,由式(5)和图2可知,控制DSTATCOM交流侧的瞬时电压uSd、uSq即可实现对DSTATCOM交流侧的瞬时电流iSd、iSq的控制;但由于耦合项ωLiSq、ωLiSd的存在,uSd、uSq难以实现对iSd、iSq的快速控制。为此,本文采用前馈控制策略实现uSd、uSq对iSd、iSq的解耦控制。

2 DSTATCOM的前馈解耦控制系统

DSTATCOM的前馈解耦控制系统主要由2个部分组成:采用前馈解耦控制策略实现uSd、uSq对iSd、iSq的解耦控制;基于瞬时有功、无功功率的定义获得iSd、iSq的期望值信号i*Sd、i*Sq。

2.1 前馈解耦控制策略

为实现式(5)中uSd、uSq和iSd、iSq的解耦,现引入2个新变量ΔuSd、ΔuSq,且与uSd、uSq之间满足:

为实现iSd、iSq对i*Sd、i*Sq的稳态无差跟踪控制,ΔuSd、ΔuSq的定义如式(7)所示:

其中,kp3、ki3和kp4、ki4分别为d、q轴电流PI控制器的比例、积分常数。

对式(6)(7)进行拉普拉斯变换变换后,可得DSTATCOM的前馈解耦控制模型,如图3所示。

将式(6)代入式(5)后可得:

显然,通过引入式(6)中的新变量ΔuSd、ΔuSq,式(5)中uSd、uSq和iSd、iSq之间原有的耦合关系被消除,取而代之的是式(8)所示的解耦后的控制系统。对式(8)进行拉普拉斯变换,并结合图2、3,可得系统解耦后的控制模型,如图4所示。

2.2 期望值信号i*Sd、i*Sq的获取

由于从配电网PCC处流入连接电抗器和DSTATCOM的瞬时有功功率p、瞬时无功功率q为[15]

因此,控制DSTATCOM交流侧的瞬时电流iSd、iSq即可实现对p、q的控制。

2.2.1 i*Sq的获取

由式(10)可知,配电网PCC的瞬时电压发生改变时(即反映为式(10)中u发生改变),瞬时无功功率q也会相应发生改变;为了保证u维持不变,需要相应地控制来跟踪q的变化,因此,可以采用一个PI控制器来获取如式(11)所示:

其中,u*为u的期望值信号。

2.2.2 i*Sd的获取

为简化分析,现忽略R的影响,即忽略开关器件损耗和连接电抗器损耗。根据能量守恒定律,DSTATCOM直流侧所储存的能量应该等于从配电网PCC处流入的瞬时有功功率p(如式(9)所示),因此有

如果通过式(7)中PI控制器参数的设计,使得iSd的变化速度远大于uDC的变化速度(≥10倍),则

如果通过式(11)中PI控制器参数的设计,使得uDC的变化速度远小于u的变化速度,由式(13)可知,DSTATCOM直流侧所储存的能量发生改变时(即反映为式(13)中uDC发生改变),瞬时有功功率p也会相应发生改变;为了保证uDC维持不变,需要相应地控制iSd来跟踪p的变化,因此,可以采用一个PI控制器来获取i*Sd,如式(14)所示:

其中,u*DC为uDC的期望值信号。

2.3 DSTATCOM的双闭环控制模型

对式(11)(14)进行拉普拉斯变换,并结合图4中系统解耦后的控制模型,可得DSTATCOM的双闭环控制模型,如图5所示(图中,PI控制器参数见表1)。

图5所示的DSTATCOM双闭环控制系统包含了4个控制器:内环d轴电流跟踪控制器和外环直流侧电压控制器,内环q轴电流跟踪控制器和外环PCC电压控制器。

3 仿真分析

为验证DSTATCOM的前馈解耦控制策略的正确性和有效性,本文采用Matlab仿真软件对图1所示系统进行了仿真分析。相关参数如表2~4所示。为产生配电网PCC电压跌落,在t=0.15 s时通过闭合开关S使得大容量电感性负载投入配电网;随后在t=0.45 s时通过断开开关使得该负载退出运行,从而模拟配电网PCC电压抬升。在t=0.3 s时DSTATCOM投入运行。仿真结果如图6所示。

由图6(a)可知,当大容量电感性负载投入配电网后、DSTATCOM投入运行前(即0.15 s≤t≤0.3 s),配电网PCC的电压因受大容量无功负荷的冲击而下降;t≥0.3 s后,即投入DSTATCOM后,uPCCa在经过3个工频周期后恢复到期望值;t=0.45 s时,即大容量电感性负载退出运行,uPCCa因DSTATCOM之前所补偿的容性无功而有所抬升,但经过2个工频周期后也恢复到期望值,与此同时,由图6(b)可知,DSTAT-COM交流侧的电流因无功需求的减少也大幅减小,此时的iSa主要用来补偿DSTATCOM的有功损失。在上述工况变化过程中,由图6(c)可知,直流侧电压的变化不大,基本稳定在其期望值附近。以上分析结果表明,采用前馈解耦控制策略后,PCC电压和直流侧电压都能及时、有效地调整到其期望值。

4 实验验证

为进一步验证DSTATCOM的前馈解耦控制策略的正确性和有效性,本文又对图1所示系统进行了实验研究。实验参数、条件与仿真研究基本相同(从保证DSTATCOM安全性的角度出发,连接电抗器的电感值改为L=0.3 m H;大容量电感性负载投入运行后不再退出)。实验结果如图7所示。

比较图6、7可知,实验结果与仿真分析的结论很吻合,进一步验证了DSTATCOM的前馈解耦控制策略的正确性和有效性。

5 结论

级联静止同步补偿器 篇5

静止同步补偿器 (STATCOM) 通过一个电压源转换器产生一个可控的交流电压, 产生的交流电压与接入系统的节点电压之间的差别使得STATCOM与传输线之间有有功功率和无功功率的交换, 从而有效维持电压的稳定, 对电压暂降、电压波动、电压不平衡、谐波污染等问题有很好的控制作用。现在STATCOM的应用越来越广泛, 在风电系统中也扮演了很重要的角色[1]。

STATCOM除了稳定系统接入点的电压以外, 还对其直流侧的电容电压进行控制, 因此, 它是一个典型的两输入 (公共连接点电压和直流侧电容电压给定值) 、两输出 (有功电压和无功电压指令信号) 控制。同时, 它有两个控制器, 即交流电压控制器和直流电压控制器, 这两个控制通道之间存在耦合[2,3]。

文献[3]论证了它们之间存在负交互作用并可能会使得电压失稳, 同时, 提出了混合比例—积分 (PI) 控制算法来解决负交互作用。文献[4]通过大系统算例阐明了STATCOM的交流电压控制模型。文献[5]通过控制脉宽调制 (PWM) 波的占空比来控制直流电压。文献[6]通过在传统PI控制中加入线性反馈来控制系统电压。文献[7]采用电流前馈环节加PI调节系统控制直流电容电压, 用PI调节加一定的下垂比因子组成的自动电压控制策略控制交流电压。文献[8]针对STATCOM电压控制问题提出了一种基于多模型PI的STATCOM控制方法。文献[9]引入了基于瞬时功率平衡的直接电压控制策略和模糊自适应PI控制策略。文献[10]研究了STATCOM在风电系统中的应用, 其中引入了模糊逻辑控制、Bang-Bang控制等方法。文献[11]对含LCL滤波器的STATCOM控制方法进行了改进。文献[12]阐述了传统方法对配电网STATCOM的PI参数整定时难以获得很好的效果, 并引入了改进粒子群算法来优化其参数。

现有方法大多是对传统PI控制方法进行改进, 对两控制器间的负交互作用研究较少, 相互耦合的两个控制器交替使用能避免负交互作用的出现, 但是会加大其控制时间和控制器协调上的困难。本文为STATCOM提出了全新的控制方法, 引入微分博弈理论, 并求出其开环纳什均衡策略。微分博弈理论的应用充分体现了两控制器的个体理性, 解决了两控制器之间的负交互作用, 并仿真验证了STATCOM的微分博弈协同控制方法的正确性和可行性。

1 含STATCOM的电力系统模型

含STATCOM的单机无穷大系统 (见图1) 模型已有详细推导[13], 现简单说明如下:STATCOM组成结构中包括一个降压变压器、一个三相电压源转换器和一个直流电容器。三相电压源转换器用于将直流电容侧电压转换成交流电压VO·, 电压VO·与VL· (系统节点电压) 之间的差别使得STATCOM和系统节点之间有有功功率和无功功率的交换。交换的功率大小可通过三相电压源转换器产生的电压幅值和相角来调节, 从而稳定系统的节点电压, 其中幅值和相角被视为控制变量。

根据图1, 有

式中:下标d和q分别表示相应量的d轴和q轴分量。

对STATCOM中的PWM控制器来说, c=mk, 其中k为STATCOM的交流侧电压和直流侧电压的比值, 是由STATCOM中逆变器结构的结构参数决定的, 因此它为一个常数。交流电压与直流电压的比值m和交流电压的相角Ψ都是由PWM波的占空比决定的, 在实际控制方法中, 可以将它们作为STATCOM控制系统的控制变量, 其中m和Ψ可分别作为交流电压控制器的控制变量和直流电压控制器的控制变量。

进而可得含STATCOM的单机无穷大系统的数学模型 (具体推导过程见附录A) 为:

式 (2) 中相应变量的说明见附录A。

2 基于微分博弈理论的STATCOM控制

2.1 微分博弈理论介绍

微分博弈理论是求解协同控制问题的新思路。随着微分博弈理论研究的深入[14,15,16,17], 其被成功应用于经济学、环境科学、管理学等领域, 并且它的科研价值越来越受到重视。本文采用的是非零和、非合作、确定性无限时长线性二次型微分博弈的开环纳什均衡解法[18]。

微分博弈指的是在时间连续的系统内, 多个参与者进行持续的博弈, 力图最优化各自独立、冲突的目标, 最终获得各参与者随时间演变的策略并达到纳什均衡, 即任何参与者都不会单独改变策略。由于能考虑时间动态, 微分博弈成为最自然地研究多主体动态协调决策问题的方法。

其不同于电力系统中应用广泛的经典控制、自适应控制和最优控制等理论, 因为这些理论本质上都属于单主体控制方法, 只能通过多目标加权将协调控制转化为单目标控制, 无法避免权系数确定的难题;也不同于广泛应用的分散协调控制方法, 因为分散协调控制是指在大系统中限定各控制器只反馈本地可测的状态变量或输出变量, 通过设计各控制器来使得系统的总体性能达到一定的指标。其特点是首先得给出一个全局的二次性能指标, 然后各控制器间的相互约束作用也是通过指定结构约束强行解耦的。

微分博弈理论与多代理协调控制方法原理十分相似, 多代理协调控制方法是将各控制器视为系统的成员, 能独立完成相应的任务, 而协调是起因于其他控制器局部利益的改变, 通过多个控制器的动态交互达成和谐、一致的工作方式, 从而维持系统的整体性能。微分博弈理论则是将每个控制器都视为独立决策主体, 通过其间的自组织竞争达到均衡, 也无须确定权系数且因充分体现了个体理性而贴近于多控制器协调控制问题的本质。

2.2 STATCOM的两个控制器介绍

STATCOM有两个控制器, 一个是交流电压控制器, 它是通过调节STATCOM交流侧与电力系统线路之间的无功功率交换量来控制线路交流电压;另一个是直流电压控制器, 通过调节STATCOM交流侧与电力系统线路之间的有功功率来稳定STATCOM的直流侧电容电压。直流电压控制器和交流电压控制器结构如图2所示。

同时, 在传统PI控制器的设计中, STATCOM直流电压控制器通过控制变量Ψ维持直流侧电压的稳定, Ψ的控制方程为:

式中:KDCP和KDCI分别为直流电压控制器的比例和积分系数;下标ref表示相应量的参考值。

STATCOM交流电压控制器通过控制变量m维持系统电压稳定, m的控制方程为:

式中:KACP和KACI分别为交流电压控制器的比例和积分系数。

2.3 STATCOM的微分博弈协同控制模型

微分博弈协同控制模型的设计中, 直流电压控制器通过调节STATCOM交流电压相角来缩小直流电压参考值和实际值之间的偏差ΔVDC, 交流电压控制器通过调节STATCOM产生的交流电压的幅值来缩小交流电压参考值与实际值之间的差值ΔVL, 并且两个控制器都希望各自的控制代价尽可能小, 这样能更好地稳定接入系统的节点电压。当两个控制器通过采用微分博弈协同控制算法得到纳什均衡解后, 它们都不会轻易改变自己的策略, 否则会减少自己的收益。

系统的状态方程如下:

式中:x (t) =[Δδ, Δw, ΔEq′, ΔEf d, ΔVDC]T;u1 (t) =Ψ;u2 (t) =m;A, B1, B2的表达式见附录B。

综上, STATCOM直流电压控制器和交流电压控制器的微分博弈协同控制模型如下:

式中:

2.4 STATCOM协同控制模型的求解

以单机无穷大系统作为仿真研究对象, 该系统的数学模型在第1节已有推导, 同时, 该系统额定频率设为50Hz, 系统相关参数见附录C。由所给出的参数和微分博弈理论, 可求得开环纳什均衡的控制策略[u1*, u2*], 计算结果如下:

将该微分博弈协同控制策略代入系统状态方程, 求得的系统特征根分别为:-125.32, -2.49, -1.51+1.13i, -1.51-1.13i, -0.38。可知特征根实部全为负值, 说明STATCOM的微分博弈协同控制是稳定、可行的。下一节将通过MATLAB/Simulink进一步仿真验证其可行性及稳定性。

3 STATCOM微分博弈协同控制仿真及其与传统控制仿真比较

3.1 微分博弈协同控制算法仿真

假设系统状态收到的扰动均为阶跃性扰动, 通过MATLAB/Simulink仿真来验证基于微分博弈协同控制理论的控制方法能有效维持控制节点电压的稳定性。

情况1:在t=0s时, 加入扰动ΔVDC为0.125 (标幺值) , 在t=3s时, 加入扰动ΔVDC为-0.125, 系统变化仿真情况见附录D图D1。

情况2:通过改变ΔEq′的值代替交流电压参考值与实际值的差值, 在t=0s时, 加入扰动ΔEq′为-0.125 (标幺值) , 在t=3s时, 加入扰动ΔEq′为0.125, 系统变化仿真情况见附录D图D2。

仿真结果表明, STATCOM的微分博弈协同控制策略具有较好的稳定性, 是可行的。附录D图D1显示了在直流电压差值发生变化时, 系统电压相角、电压幅值及直流侧电压均很快达到稳定状态。附录D图D2显示了在交流电压发生变化时, 该微分博弈协同控制也具有很好的效果。

3.2 微分博弈协同控制与传统控制方法的比较

在图3中将4种控制方法的控制效果进行比较, 并且仿真中设定初始时刻的ΔVDC为0.125。

在加权多目标最优控制方法中, 将两控制器目标函数的权系数都设定为0.5。

在使用直流电压控制器的控制方法中, 直流电压控制器的PI参数设定为KDCP=10.0, KDCI=10.0。

在传统PI控制方法中, 直流电压控制器的PI参数设定为KDCP=10.0, KDCI=10.0, 交流电压控制器的PI参数设定为KACP=10.0, KACI=3.0。

由图3可知, 当直流侧电压的实际值和参考值之间的差值发生变化时, 传统PI控制即两控制器共同作用的控制效果没有单独使用直流电压控制器的控制效果好, 因为两控制器共同作用时存在负交互作用。在传统的PI控制中, STATCOM的两个控制器相互独立, 控制器的排列虽然简单, 但是STATCOM两输入两输出系统的两个控制器是相互耦合的, 解耦能使得系统设计简单化, 但是并不能保证两控制器同时运行时能表现出无差错、无负交互作用。一般情况下, 传统PI控制方法能够正常运行, 但某种特殊情况下负交互作用会使传统控制器不能正常工作[3]。

同时, 由图3可以看出, 当直流侧电压的实际值和参考值之间的差值发生变化时, 微分博弈协同控制和加权多目标最优控制的控制效果相差不大, 且对系统接入点的电压相角、电压幅值的控制效果都优于传统PI控制和直流电压控制器单独作用时的效果。微分博弈协同控制和加权多目标最优控制都克服了传统PI控制的负交互作用, 并且对电压稳定性具有较好控制效果。但是, 加权多目标最优控制具有权系数难以确定的困难, 而微分博弈协同控制无须确定各目标函数的权系数。同时, 由不同控制方法的比较可知基于微分博弈理论的STATCOM协同控制是可行的。

图4显示的是微分博弈协同控制的目标函数值和两目标最优控制下的Pareto前沿。其中, 最优控制的目标函数表示为J=J1+kJ2, 将权系数k在[0.1, 10]间取值, 并且J1和J2与微分博弈模型中的J1和J2相同。通过改变权系数k并无限扩大其取值范围可获得以J1和J2为双目标函数时所有控制策略所能达到的Pareto最优前沿。

最优控制虽然能够获得Pareto最优前沿, 但是没有一套理论来指导权系数k的选取。而基于微分博弈理论得到的协同控制策略的解十分接近最优控制下的Pareto前沿, 并且该解具有稳定性好、说服力强的特性。

4 结语

由于STATCOM常用控制方法是将其直流电压控制器和交流电压控制器解耦, 这样两控制器之间存在的负交互作用会给STATCOM的稳定运行带来潜在的风险。本文为解决该问题采用微分博弈理论, 求解出STATCOM直流电压控制器和交流电压控制器之间的协同问题的开环纳什均衡解, 由该纳什均衡解得到的系统特征根可知该协同控制算法是稳定的, 并且通过MATLAB/Simulink仿真验证了该协同控制算法的稳定性、可行性。

微分博弈协同控制方法求得的纳什均衡解考虑了直流电压控制与交流电压控制之间的耦合性, 因此, 它不会产生传统解耦的PI控制方法带来的负交互作用。并且本文还比较了微分博弈控制和加权多目标最优控制, 微分博弈控制具有无须确定各目标权系数的优势。本文设计的STATCOM控制器考虑了直流电压控制和交流电压控制之间的负交互作用, 但是介绍的单机无穷大系统中大多数状态变量并不可测, 下一步工作是通过设计状态观测器或采用新的系统模型来解决这个问题。

综上, 本文对微分博弈协同控制的仿真结果及其与其他控制方法仿真结果的比较都显示了微分博弈协同控制的潜力, 为工程实际中制定协同控制策略提供了参考。

附录见本刊网络版 (http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx) 。

摘要：静止同步补偿器 (STATCOM) 的交流电压控制和直流电压控制的负交互日益引起研究者的重视, 需要研究新的控制模型和策略。文中首先介绍了STATCOM直流电压控制和交流电压控制的功能及其之间的关系, 推导了带有STATCOM的单机无穷大系统的数学模型。然后引入微分博弈理论, 并基于微分博弈协同控制理论设计了一种新的STATCOM协同控制方法来解决STATCOM两控制器之间的负交互作用。最后, 采用MATLAB/Simulink对所述控制模型和方法的可行性进行了仿真验证, 并且将该控制方法与其他控制方法进行了比较, 说明了该控制方法的优越性。

级联静止同步补偿器 篇6

2015年2月3日, 神华集团科技创新项目“国华电力分公司呼贝电厂1号、2号机组次同步振荡抑制措施研发与应用”, 通过了由郭剑波院士为组长的专家组验收。在国内首次研制出容量2×20兆乏 (MVAR) 的次同步振荡动态稳定器 (SSO-DC) 。

该项目组织实施单位神华国华电力分公司会同呼贝电厂、陕西银河中试测控技术公司、荣信公司、华北电力大学、华中科技大学以及上海交通大学, 实行产学研用结合, 对机组次同步振荡问题进行了专题研究, 经过一年、四个阶段、13个大类、31项试验验证, 最终成功研制出两套性价比高、安全可靠的20兆乏、10千伏次同步振荡动态稳定器 (SSO-DS) 装置。于2014年7月在宝电1#、2#机组一次试验成功并投入运行, 实现了机组次同步振荡幅值小扰动条件下降至0.028弧度/秒 (考核指标为0.04弧度/秒) 以下、大扰动条件下2秒内降至峰值的10%以下 (考核指标为4秒内降至10%以下) , 成功解决了呼贝电厂2台600兆瓦 (MW) 发电机组严重次同步振荡问题。该项目创新性研究成果可在治理次同步振荡问题方面推广应用, 此项次同步振荡抑制技术在国内外同行业处于先进水平。

级联静止同步补偿器 篇7

关键词：静止同步补偿器,无功补偿,鲁棒性,H∞控制,混合灵敏度优化问题

0 引言

静止同步补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)的核心是电力电子逆变技术,它能对电力传输的三个主要参数(电压、相位和阻抗)进行快速、可靠的控制,具有动态响应速度快,输出波形品质好,控制灵活,调节特性受接入点电压影响小等优点[1,2]。20世纪80年代,STATCOM被引入到电力系统的无功补偿领域,现在已经是柔性交流输电系统的核心装置,在提高输电系统传输容量、改善电力系统稳定性、抑制功率振荡等方面发挥着重要的作用[3,4,5]。

近年来,国内外学者为STATCOM的研究做出了巨大努力,并取得了显著的成绩,STATCOM控制策略是研究的重要内容之一。STATCOM的数学模型在dq坐标系下是强耦合、非线性的[6]。针对这样的非线性控制对象,各种基于微分几何理论和大范围反馈线性化理论的非线性控制器应运而生。如基于微分几何的方法[7,8]、逆系统方法[9]、直接反馈线性化方法[10,11,12]等,这些控制策略克服了局部线性化方法的不足,但在电力系统实际运行中还存在着参数不确定、干扰未知及建模误差等问题,影响了所设计的控制器的使用效果。

对于这种不确定性系统,鲁棒H控制是一种很好的处理方法。H控制理论是通过对所研究对象的某些闭环性能指标的H范数优化而获得最优控制器的一种控制理论[13]。一个稳定的传递函数矩阵H范数的物理意义是系统所能获得的最大能量增益。对一单变量系统,其H范数即为其Bode图中幅频特性之最大值。控制系统H最优化就是在H空间中极小化某些闭环系统频率响应的峰值。

本文在STATCOM模型系数不能精确测量及受到干扰的情况下,考虑负载支路影响,建立包含不确定参数和外部扰动的数学模型,选定加权函数,将H控制器设计归结为混合灵敏度问题,求得鲁棒控制器。仿真结果表明该控制器能够在系统具有不确定参数时取得良好的无功补偿性能,可以抑制干扰对系统输出的影响。

1 STATCOM的数学模型

STATCOM主电路如图1所示。

本文研究的STATCOM主回路是将基于IGBT的三相电压源型PWM(脉宽调制)逆变器通过电抗器接人系统。图中Vsa,Vsb,Vsc是电网电压;S1-S6是由IGBT与反并联二极管组成的开关单元;C为逆变桥直流侧电容,为逆变桥提供一个稳定的直流电压,保证补偿器正常运行。STATCOM与无功负

式(3)化简可得

荷并联接入电网,由它产生对称三相可控电压,以实现无功功率的动态补偿。

图2为考虑负载支路的STATCOM等效电路。图中Vs为电网电压,Vc为逆变器等效输出电压,VL为负载支路扰动电压。ic为STATCOM补偿电流,is为电源提供电流。R2和L2分别为连接电阻和连接电抗,R3和L3为负载等效电阻和电抗。

包含电源支路和STATCOM支路的单相回路电流方程为

包含电源支路和负载支路的回路电流方程(单相)为

经整理可得

综合式(1)和式(2)可得包含不确定参数和外部扰动的STATCOM数学模型为

通过Park变换矩阵T将电压和电流将其变换到dq坐标系下,有isabc=T-1isdq,icabc=T-1icdq,uabc=T-1udq。定义新的坐标系中的d轴与瞬时电压矢量保持同一方向,则有Vsd=V,Vsq=0。其中V为系统电压有效值。将式(4)导数项展开可得STATCOM系统在dq坐标系下的状态方程为

式中,V是系统电压的有效值。

由式(9)～式(11)可得STATCOM系统的状态空间实现为

2 STATCOM的控制策略

考虑到电压逆变器与电网通过三相制联接,所以没有零序分量。同时由于STATCOM运用了PWM技术,故可忽略逆变器产生的电压谐波,这样直流侧与交流侧的关系式就可以写成

其中:Vdc是直流电容器上的电压;Kc是由逆变器结构决定的参数;m是PWM的调制比;δ是开关的导通角同时也是逆变器输出电压和系统电压间的相角差,它是由STATCOM的运行状态所决定的。δ和m是调制信号。

STATCOM控制系统的结构如图3所示。

控制框图中的无功参考电流仅由STATCOM运行模式、操作指令和系统变量决定。在实际运行中,电容器上的电压应该保持恒定。电容电压的变化是由有功功率的变化引起的,因此可以通过控制有功电流Id来保证电容电压为期望值。故将电容电压的差(Vdc-Vdcref)作为调制信号通过一个PI环节引入到有功电流的反馈控制通道。

3 H控制器设计

3.1 广义被控对象

标准H控制问题如图4所示,ω为外部扰动,u为控制输入,z为评价输出,y为量测输出。由输入信号u,ω到输出信号z,y的传递函数P(s)称为广义被控对象,它包括实际被控对象和为了描述设计指标而设定的加权函数等。K(s)为控制器。

输入输出关系可由方程

描述。若记

则从ω到z的闭环传递函数为

由于所研究STATCOM系统中同时含有不确定性参数和外部扰动,故采用混合灵敏度优化,混合灵敏度问题可以同时考量干扰抑制和参数变化[14]。图5所示的系统中,r为有功参考电流和无功参考电流,e为电流跟踪误差,W1、W2、W3为根据系统性能要求选取的加权函数。

外部干扰ω到评价输出z1、z2、z3的传递函数分别为W1S、W2R、W3T。其中S=(I+GK)-1为灵敏度函数,引入S是为改善系统对参考输入信号的跟踪和外部扰动的抑制能力。R=K(I+GK)-1,R的无穷范数是对系统加性摄动的允许摄动幅度大小的度量。T=GK(I+GK)-1为补灵敏度函数,T的无穷范数是对系统乘性摄动中允许摄动幅度大小的度量。选取目标函数

引用式(16)可得广义被控对象

3.2 加权函数选择

W1应具有积分特性或高增益低通特性,其增益的大小可依据系统性能要求反复调整[14]。分别选取有功电流和无功电流的加权函数,有功电流的加权函数下标用1,无功电流的加权函数下标用2。选取

选取合适的W 2可以限制控制量u的大小,防止系统在实际工作过程中产生严重的饱和现象,为此W 2的静态增益应该适当地大[15]。W 2对系统的带宽也有着很大的影响,为保证系统具有足够的带宽,W 2的静态增益应该适当的小。所以W 2的选择既要考虑系统的饱和现象又要考虑系统带宽的要求,对二者性能进行折中。选取

W3的选择要求在某一较高频率处,补灵敏度函数T的最大奇异值有一定的衰减,承受大于该频率的高频未建模动态引起的传递函数幅值的变化,保证系统具有充分的稳定裕度[15]。W3具有高通滤波特性。选取

3.3 控制器求取

参数R1=1 mΩ,L1=15 mH,R2=1.6Ω,L2=85m H,R3=7.25Ω,L3=195 mH。代入式(9)～式(12),可求得STATCOM状态空间实现G。根据系统状态方程和加权函数W1、W2、W3,可由式(18)求得广义被控对象。

利用Matlab鲁棒控制工具箱,通过解Riccati方程,得到控制器为

4 仿真结果分析

在Matlab仿真平台上搭建三相STATCOM模型,无穷大系统电压35 kV,直流侧电容12 000μF。研究本文给出的H控制器的性能,并与传统电压双闭环PI控制进行较,文献[16]给出PI参数计算方法,本文不再赘述。直轴电压控制:KP=5,Ki=300;交轴电压控制KP=2,Ki=100;直流侧电容点Kp=0.63,Ki=4.71。

令无功电流参考量在0.1 s由0阶跃为1 300 A(峰值负荷),在模型参数精确且没有扰动的情况下,PI控制器和H控制器都能快速准确地跟踪无功参考电流,当参数L2发生变化△L2=+30%L2时,系统响应如图6所示。

由图6可知,采用H控制器的STATCOM可获得良好的补偿特性,而采用PI控制器的STATCOM出现大小约为8%的明显超调。H控制器对参数变化具有更好的适应性。

考虑外部扰动,负载支路加入扰动电压(白噪声和受控电压源组成),无功电流响应曲线如图7所示。截取0.2～0.25 s输出稳定后无功电流跟踪误差,稳态误差如图8所示。

图8说明在系统存在外部扰动的情况下,H控制器的性能稍有降低,而PI控制器性能出现明显恶化。前者具有很好的干扰抑制特性。

5 结论