负序无功控制

2024-09-29

负序无功控制（精选5篇）

负序无功控制篇1

1引言

三相低压配电网中, 三相负载不平衡或电网不对称故障引起的三相电压不平衡现象普遍存在。电压不平衡将引起旋转电机和变压器的附加发热和振动, 增加电网损耗, 影响负载和计量检测设备的正常工作。对称控制的并网逆变器在电网不平衡工况下运行会产生负序电流和非特征谐波, 危及装置本身和系统内的发电机、继电保护设备等, 对系统内的负载和计量检测设备也会产生严重干扰[1,2,3,4,5]。

现有不平衡电压补偿主要是通过附加串联电能质量调节器, 向线路注入负序电压来实现[6,7], 增加了配网系统的成本。而具备负序无功补偿功能的并网逆变器不仅可提高逆变器的利用率, 也可一定程度上降低电能质量调节器的容量甚至完全取代, 因此成为当前的一大研究热点[8,9,10]。当前并网逆变器的不平衡控制通常基于正、负序双旋转坐标系下的矢量控制实现, 以消除负序电流和谐波输出为主要目的, 在电压不平衡工况下能保证装置自身电流的对称输出[11]。其采用的锁相环同步方式使其内电势快速跟踪电网相位扰动, 不具备自主参与负序无功补偿的能力, 只能通过对负序电流的控制, 根据调度系统的指令定量补偿一定的负序无功以协助电网平衡。而负载不平衡和电网不对称故障两大因素均是随机性发生, 调度系统难以快速响应。文献[12] 借鉴传统旋转同步发电机的机械方程和电磁方程, 提出一种基于静止同步发电机技术的控制策略, 使结合储能的并网逆变器表现出同步电机的运行特性, 为配电网提供转动惯量和阻尼, 在电网异常时能自主地提供必要的有功和无功支撑, 文献[13] 在其基础上, 对其有功、无功控制进一步开展研究, 但均基于电压平衡工况下实现。

本文以模块化三电平逆变器电路拓扑为基础, 提出一种基于静止同步发电机理论的负序无功控制方法: 利用静止同步发电机的电压源控制特性, 在电网不平衡工况下自动计算负序无功电流, 结合正、负序旋转坐标系下电流环的解耦控制, 可在电压不平衡工况下, 自主补偿线路负序无功, 协助支撑电网电压平衡。

2 SSG模型

2.1电路拓扑

模块化三电平逆变器拓扑以三相三电平逆变器为基本模块, 在发挥三电平耐压等级高、电压畸变率低、谐波含量小等优点的同时, 通过共享交、直流母线的并联方式进一步扩容。在不增加功率开关管电流应力的情况下, 使系统容量成倍的增加, 降低生产周期和生产成本, 有效提高系统的效率[14]。

图1所示为基于模块化三电平拓扑的SSG, 其直流侧采用储能电池组为逆变器提供直流母线电压支撑, 逆变器由n个基本模块并联组成, 基本模块采用高效T型三相三电平逆变单元, 各模块交流输出经串接电感L后并联以抑制高频环流,Lg为等效电网阻抗,并网点(PCC为可控开关。

2.2数学模型

各子模块并联后均流控制, 且采用载波同步策略以避免高频环流, 忽略电路及器件参数差异, 可将并联模块简化为一个三相逆变单元进行分析。

根据文献[6] 的分析, 若将电网线路阻抗和逆变器输出阻抗看成同步发电机的同步电抗和定子绕组电阻, 逆变器三相桥臂中点的输出电压eabc等效为同步发电机的暂态电枢电势, 则通过控制逆变器的输出电压uabc便可使其具备同步发电机的特性。

假设同步电机为隐极式且对数为1, 忽略磁饱和及涡流损耗, 忽略阻尼绕组和励磁绕组的暂态过程, 不考虑定子电流的过渡过程,即略去定子电流中的直流分量, 认为定子电流能突变, 同步电机定子的电气方程为:

式中,eabc为同步电机三相电枢电势,uabc为定子端电压及逆变器的输出电压,iabc为电枢电流,Rg为定子绕组电阻,Lg为同步电抗。

电枢电势eabc可表示为:

式中,E为电枢电势幅值,θ 为同步发电机功角, 由同步角速度 ω 积分得到。

同步发电机的机械方程为:

式中,J为同步发电机的转动惯量,ω0为电网同步角速度,Tm、Te、Td分别同步发电机的机械、电磁和阻尼转矩,D为阻尼系数。其中, 电磁转矩Te可由同步发电机电势eabc和输出电流iabc计算得到:

假设输出电流无差跟踪指令iabc_ref, 由式(1) ~ (4)可得静止同步发电机的控制模型如图2所示:

同步发电机本质上可认为是电枢电势通过转子运动与交流电网实现同步, 因此同步发电机机械方程可认为是同步发电机与电网同步的控制方式。当电网受到扰动, 转速与电网频率出现偏差, 会立即产生阻尼转矩, 抑制转速变化, 从而提供电网所需的动态功率支撑; 当电网负荷扰动时,同步发电机的功角会首先感受到负荷扰动, 然后其输出功率会自发地发生变化从而补偿系统的动态功率需求。

3控制策略

3.1 SSG控制原理

传统旋转同步发电机电枢电势的位置取决于转子的位置, 独立于电网, 因此当电网扰动时可向电网提供惯性及同步转矩; 而现有的并网系统及装置广泛采用的锁相同步方式使其内电势位置快速跟踪电网相位的扰动, 不具有参与平抑电网扰动的能力, 即无法提供惯性及同步转矩。SSG将储能与变流器相结合, 利用同步控制和幅值调节, 控制其输出电压与电网同步, 从而实现功率调节。

1) 有功- 频率调节

传统旋转同步发电机通过对机械转矩的调节, 来调节发电机的有功输出, 并且通过调频器实现对电网频率偏差的响应。借鉴该原理, 通过对静止同步发电机虚拟机械转矩Tm的调节来实现并网逆变器有功指令的调节。 Tm由有功功率调节和频率调节两部分组成, 其中有功功率调节量T0可以表示为:

式中:Pref为并网逆变器的有功指令。

频率响应的调节可以通过虚拟的自动频率调节器(automatic frequency regulator,AFR) 来实现, 这里取AFR为比例环节, 即机械功率偏差指令 ΔT可表示为:

式中:f为虚拟同步发电机机端电压的频率;f0为电网基准频率;kf为调频系数。可见, 虚拟同步发电机的有功调节不同于传统并网逆变器的PQ控制策略, 其在并网功率跟踪的基础上还能针对其接入点频率的偏差做出有功调节响应, 有效提升并网逆变器应对频率异常事件的能力。

由上述分析得到有功控制框图如下:

2) 无功- 电压调节

同步发电机通过调节励磁来调节其无功输出及机端电压。类似地, 可以通过调节虚拟同步发电机模型的虚拟电势E来调节机端电压和无功。虚拟同步发电机的虚拟电势指令E由3部分组成。一是虚拟同步发电机的空载电势E0, 表征了换流器空载离网运行时的机端电压, 二是对应于无功功率调节的部分 ΔEQ, 可表示为:

虚拟电势指令E的第三部分对应于机端电压调节单元的输出 ΔEU, 等效为同步发电机的励磁调节器或自动电压调节器(automatic voltage regulator,AVR) 的输出, 若AVR简化为一比例环节, 那么可表示为:

式中:ku为电压调节系数;Uref和U分别为并网逆变器机端电压有效值的指令值和真实值。由此, 虚拟同步发电机的电势为:

可见, 虚拟同步发电机的无功调节完全不同于传统并网逆变器的PQ控制策略。其在保证无功功率跟踪的同时, 还能参与配电网或微电网电压调节, 根据电压的偏差为其接入的电网提供必要的无功支撑。

由上述分析得到无功控制框图如图4所示。

3.2电流内环控制

2.2节所述SSG控制模型中, 电枢电势指令eabc为三相对称量, 电网电压不平衡工况下, 输出电压uabc跟随并网点电压出现失衡。由式(1) 可知,uabc失衡时将导致同步发电机电流不平衡( 即产生负序电流), 对于传统旋转同步发电机, 负序电流将影响其正常工作, 而对于SSG, 若电流内环采用不平衡控制算法, 对式(1) 计算得到的负序电流指令进行无差控制, 则可实现负序无功电流的自动补偿。

基于正、负序双同步坐标系的电流解耦分序控制可实现正、负序电流的独立控制, 在工程上应用比较成熟。电流解耦分序实现框图如图5所示, 详细推导过程参考文献[11], 本文不再赘述。

图中,iabc为静止同步发电机输出电流,id P为正序d轴分量,iq P为正序q轴分量,id N为负序d轴分量,iq N为负序q轴分量。

根据SSG控制模型计算得到的三相电流指令iabc_ref, 按图5将其分序解耦得到电流正序d轴指令id P_ref、正序q轴指令iq P_ref、负序d轴指令id N_ref、负序q轴指令iq N_ref。得到电流内环指令后, 采用基于PI调节器控制的电流解耦前馈控制策略, 则电流内环控制方程为:

式中,vd P为逆变器电压正序d轴控制量,vq P为正序q轴控制量,vd N为负序d轴控制量,vq N为负序q轴控制量。

综上, 得到具备负序无功自主补偿功能的SSG整体控制框图, 如图6所示。

4仿真分析

基于MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型, 以验证本文所提方法的有效性, 仿真中逆变器的主要参数如表1所示。

图7为电网电压单相故障波形图。栏一为三相相电压动态响应波形,0.5s时A相电压由1pu突降至0.5pu, 相位不变, 栏二、栏三分别为电网电压在正、负序旋转坐标系下的分量, 可知, 单相故障时, 三相电网电压在双旋转同步坐标系中体现为正序d轴分量降低, 负序q轴分量升高。

图8为逆变器负序无功补偿响应波形,0-1s为三相对称控制,1s后加入基于静止同步发电机控制的负序补偿。由栏三、栏四可知, 加入补偿后, 逆变器跟随电网电压迅速响应, 输出正序无功电流id_P、负序无功电流id_N, 电压正序d轴分量Ud_P抬升, 负序q轴分量Ud_N降低, 电网不平衡得到有效抑制。

与传统同步发电机类似, 基于静止同步发电机控制的逆变器电压- 无功输出表现为下垂特性, 因此, 无法完全将负序电压抑制至0。

5结束语

本文结合正、负序旋转坐标系下电流环的解耦控制, 提出了一种基于SSG技术的逆变器负序无功控制方法:

1) 为方便扩容和冗余运行, 引入了模块化三电平拓扑, 对其结构进行了描述, 并在此基础上列出了SSG的控制模型。

2) 对SSG的控制原理进行了分析, 在双旋转坐标系下将其计算得到的三相电流指令进行正、负序分解, 并对分序解耦后的电流指令进行无差控制, 从而实现负序电流补偿。

3) 通过仿真对本文所提控制方法进行分析, 验证了本文所提方法可在电网不平衡工况下自动补偿负序无功, 有效抑制负序电压。

所提方法具备与传统同步发电机类似的电压- 无功下垂特性, 不能完全消除负序电压, 如何实现负序电压的无差控制有待进一步研究。

摘要：电网不平衡对配电网内的设备运行稳定性产生影响。为提高并网逆变器的利用率和电网适应能力,提出一种基于静止同步发电机(static synchronous generator,SSG)技术的逆变器负序无功控制方法 ,利用SSG的电压源控制特性,在电网不平衡工况下根据不平衡度自动计算负序无功电流,结合正、负序旋转坐标系下电流环的解耦控制,可在电压不平衡工况下,自主补偿负序无功。为方便扩容和冗余运行,引入模块化三电平拓扑。基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,通过仿真验证了该控制方法的正确性和有效性。

关键词：负序无功控制,静止同步发电机,三电平

负序无功控制篇2

北极星风力发电网讯:风力发电作为目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和利用。

根据我国风电发展规划，我国将在甘肃、内蒙古、新疆、河北、吉林和江苏建立七个千万千瓦级风电基地，预计到2015年要建成5808万千瓦，2020年要建成9017万千瓦，占全国风电装机总容量的78%。由于我国陆上风能资源主要集中于“三北”地区，因此对于位于电网末端的风电基地，除了具有常规风力发电的共性问题以外，还存在许多特殊的个性问题，包括系统稳定、输送能力、调频调峰和电量消纳等，其中无功电压问题是风电场并网运行关注的主要问题之一，需要采取措施对风电场无功电压进行有效调节。

发展现状

早期的风电机组主要采用异步发电机，它们不具备维持和调节机端电压水平的能力，在运行时还要从系统吸收无功功率，相应地，风电场需要装设固定进行补偿，随着电力电子技术的发展，出现了SVC和STATCOM等动态无功，风电场就采取固定电容+动态无功补偿装置的方式对无功进行控制。

近年来，针对风电场的电压稳定而进行的无功补偿问题一直是电力企业和相关研究机构关心的热点。在此背景下，国内逐渐开展了对风电场无功控制技术的研究，包括风电机组无功控制技术研究、风电场无功补偿装置研究、FACTS装置协调控制等方面。

(1)风电机组无功控制技术研究现状

随着风电技术的发展，风电机组从原来的不具有无功控制能力发展到能够输出一定的无功。目前，双馈式异步风力发电机组和永磁直驱风力发电机组是主流的机型，双馈式异步风力发电机组通过控制实现有功/无功的解耦，具备一定的动态调节无功输出的能力;而永磁直驱风力发电机组由于通过全容量与电网连接，则能够灵活地对无功进行控制。这两种风力发电机组都具备以恒电压模式工作的能力，可以在一定程度上实现对无功和电压的控制。

(2)风电场无功补偿装置研究现状

为适应不同场合的需要，适用风电场的无功补偿装置已发展出多种类型，它们的所需成本不尽相同，对电网电压的暂态特性影响也不一样。

①并联电容器

并联电容补偿可用断路器连接至电力系统的某些节点上，并联电容器只能向系统供给容性的无功功率。并联电容具有投资省，运行经济、结构简单、维护方便、容量可任意选择、实用性强;缺点是：(1)并联电容器补偿是通过电容器的投切实现的，因调节不平滑呈阶梯性调节，在系统运行中无法实现最佳补偿状态。采用电容器分组投切方式时，无功补偿效果受电容器组分组数和每组电容器容量的制约。(2)电容器的投切主要采用真空断路器实现，其投切响应慢，不宜频繁操作，因而不能进行无功负荷的快速跟踪补偿。如果使用晶闸管投切电容器组来代替用真空开关投切电容器组，解决了开关投切响应慢和合闸时冲击电流大的问题，但不能解决无功调节不平滑以及电容器组分组的矛盾，同时由于采用了大功率的电力电子器件，也大大提高了系统的造价。(3)由于开关投切电容器是分级补偿，不可避免出现过补偿和欠补偿状态。根据无功与电压关系，过补偿时会引起电压升高，欠补偿时感性负荷引起电压降低。(4)电压下降时急剧下降，不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。电容器发出的无功功率与电压的平方成正比，在低电压时输出的无功功率减少，而这时显然需要更多的无功，如果不能及时供给无功，将导致系统的电压水平下降。

②有载调压变压器

有载调压变压器(OLTC)不仅可以在有载情况下更改分接头，而且调节范围也较大，通常可有UN±3×2.5%或UN±4×2.0%，既有7个至9个分接头可供选择。因而有载调压器OLTC是电力系统中重要的电压调压手段，在系统运行中可以自动改变分接头，调节其变比，以维持负荷区域内的电压水平。但变压器不能作为无功电源，相反消耗电网中的无功功率，属于无功负荷之一;变压器分接头(抽头)的调整不但改变了变压器各侧的电压状况，同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响。有文献指出在某些情况下，OLTC按其升降逻辑改变分接头时，非但没有改善电压条件，反而会使之更加恶化，甚至认为是引起电压崩溃的重要原因之一。因此，在风电场并网运行时需慎重考虑该设备的使用。

③静止无功补偿器

静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)通常是由并联电容器组(或滤波器)和一个可调节电感量的电感元件所组成。SVC与一般的并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的实时补偿，从而维持电压的稳定。SVC是完全静止的，但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿。静止无功补偿系统都是无功部件(电容器和电抗器)产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。静止补偿器可以提高电压稳定极限值，而装设在系统中部节点上的SVC有很好的作用，在技术经济比较中往往成为优选方案。有文献将柔性交流输电系统(FACTS)设备运用到风电场以提高其运行的电压稳定性，说明了SVC在风电场无功补偿方面的优良性能。

④静止同步补偿器(STATCOM)

静止同步补偿器(STATCOM)也称为静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)，其基本电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，而交流侧通过串联电抗器并入电网：电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，而交流侧并联电容器后接入电网。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入使用的STATCOM大都采用电压型桥式电路。STATCOM的基本工作原理是将桥式变流电路直接并联或通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。与SVC相比，STATCOM具有5个优点：调节速度快、运行范围宽、调节范围广、元件容量小、谐波含量小。

电压无功优化控制系统研究篇3

【关键词】计算机技术；电压无功；自动化；应用

1.自动控制系统的结构

1.1调压方式

无功优化控制系统设计在设置母线电压限定范围后，自动对高峰负荷时段、低谷负荷时段的电压值进行适当调整，以保证在合格范围内的电压满足逆调压方式。当电压超出额定范围时，则与同级和上级变电所的电压进行比较，然后判断出应该调节同级还是上级变电所的主变档位。

1.2调整策略

电压无功优化自动控制包含两个方面，分别是电压优化和无功优化：

1.2.1电压优化

当母线电压超上限时，首先下调主变的档位，当不能满足要求时才切除电容器；当母线电压超下限时，首先投入电容器，当不能满足要求时再上调主变档位，总之要确保电容器最合理的投入。

1.2.2无功优化

当系统电压保持在限定范围内后，通过系统的自动控制，决定各级变电所电容器的先后投入，使得无功功率的流向最平衡，最能提高功率因数。

2.自动化数据采集、计算和传输

作为一个自动控制系统，全面的数据采集是整个控制过程最关键的一部，其采集数据的精度和安全直接影响整个系统的精度和安全。一个完善的无功优化自动控制系统应该能实时自动的从调度中心、各监控站采集电网电压、功率、主变档位、电容器运行状态等数据并能确保当遥测遥信值不变时不与SCADA系统进行数据传输，减少系统资源占用。

在采集到实时数据后，过往的自动控制系统都是通过“专家系统”对数学模型进行简化和分解，然后利用潮流计算和专家系统等方法进行求解。随着自动化技术的高速发展，自动控制系统能够突破优化计算难于寻找工程解的难题，采用模糊控制的算法，充分考虑谐波，功率因数摆动，电压波动和事故闭锁等因素，通过一系列精密芯片的配合计算出使电网电能损耗最小的变压器档位、电容器投入量和电网最优运行电压以供控制部件执行。

系统在数据传输上使用只与内存交互数据而不存取硬盘的内存数据库技术，既提高了数据的存取速度，又节省了硬盘使用。为了提高传输效率，系统还会根据传输数据的类型和要求的不同，自动采用不同的传输协议：使用TCP/IP协议传输大量的重要数据，使用UDP协议传输少量的广播数据。在数据传输准确度方面，子站在接受到数据后会自动向主站发送反校信号，以验证所受数据的准确性。

3.系统的自动控制

电压无功优化控制的基本过程如下：首先是主站控制系统进行电压无功计算，然后把计算得到的各级变电所的功率因数、电压的区域无功定值结果通过光纤通道传达至各级变电所的电压无功控制系统。各级变电所的控制系统周期性的把本站的功率因数、电压和接收到的定值结果比较，以判断是否越限。

为了保证电网损耗最低，主站的控制系统要不断跟紧电网运行方式的变化，随时计算出最新的区域无功定值结果并传达至各级变电所的电压无功控制系统。由于主站的控制系统计算最初的区域无功定值时需要一定的时间，这就会造成各级变电所从启动控制系统至接收到第一个信号间有一个时间段，系统定义这段时间内的定值是按照本地系统运行的。

当主站系统遇到特殊情况（如有影响电网拓扑结构的遥信变位发生）时，能够即时撤销子站控制系统当前正在执行的区域无功定值。子站控制系统即以本地无功定值运行，待再次受到主站重新计算的定值时才转以新定值运行。子站控制系统实时监视主站的定值下传通道是否正常，通信异常时，立即改为执行本地定值，直至通道恢复正常。

4.系统自动化的安全保证

目前国内的一些系统仅仅只做到了一层闭环控制，安全可靠性根本无法保证。而随着自动化技术的发展，最新的系统则是采用主站和子站同时的双层实时闭环反馈控制结构。实验证明由于采用了双层实时闭环反馈控制结构，当运行中发生用户定义的需要闭锁的异常事件时，控制系统能够立即执行闭锁，符合电网结构和调度运行特点，适合各种大小电网的安全可靠运行，能更有利地保证提高电网的电能质量，其具体的安全策略如下：

自动估算电网电压，使电容器平稳投切，避免出现振荡；自动估算电压调节后的无功变化量，使主变档位平稳调整，避免出现振荡。

当需要调节的变电所的主变并联运行时，为了避免出现其中一台主变频繁调节的情况，首先调节据动率较高的那台主变的档位。应对于主变和电容器出现的异常情况，系统能够自动减少主变档位调整次数，使设备寿命增加，电网安全得到保证。当遭遇设备异常时，系统自动闭锁，而且必须人工手动来解除封锁。具体的异常情况有：电容器或主变档位异常变位；系统需要采集的数据异常；系统数据不刷新。特别的当发生10kV单相接地时，系统自动闭锁电容器的投切。为避免采集到的数据不准确，系统采用同时判断遥测数据和遥信数据的方式，提高了采集数据的准度。

5.结论

电压无功优化自动控制装置由大量的数据采集、数据计算、数据传输、数据控制、程序执行元件组成，通过一系列自动化技术将其功能整合在一起，因此，了解电压无功优化自动控制中的自动化原理对于研究电压无功优化自动控制有着十分重要的作用。本文通过对电压无功优化控制系统的浅要介绍，分析了其包含的自动化技术，从一个侧面反映了我国电力系统自动化科技的发展，也展现了电力行业专业人才的卓越才能。本文对电压无功优化控制系统从设计思想，系统构成方面进行的论述，可作电力专业的教辅材料，也可供电压无功优化控制装置设计和运行参考。

【参考文献】

[1]郑爱霞，张建华，李铭，李来福，吴强.地区电网电压无功优化控制系统设计及运行[J].江苏电机工程，2004，23（1）：32-35.

[2]许杏桃.地区电网无功电压优化运行与安全控制[J].江苏电机工程，2004，23（1）：29-31.

[3]滕福生.电力系统的调度自动化和能量管理系统[M].成都：成都科技大学出版社，1994.

负序无功控制篇4

当前电力响应面对的一个重要的电能质量问题由电弧炉、轧钢机、电力机车等特种冲击负荷引起的电压闪变,对公网的正常运行造成极大的危害。静止无功发生器技术(SVG,Static Var Generator)作为动态无功补偿的发展方向,具有体积小、容量大、输出特性理想、调节连续、响应速度快、补偿容量受系统电压影响小等优点,是目前国内外研究的热点[1,2]。

基于链式结构的静止无功补偿器的不平衡分量的分相补偿,已有很多文献介绍,但是对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接串联结构的静止无功补偿器,由于是三相耦合,无法采用分相补偿的方法[3]。另外,有文献提出对目标电流进行序分解,将其正、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系中,对正、负序电流的d轴和q轴分量分别采用PI控制,简化了控制器设计,不失为一实用方法,但其仅对控制策略进行了MATLAB仿真,尚需进一步试验验证。还有些文献提出了一种谐波与无功电流解耦及复合双向补偿的控制策略,虽然补偿效果明显,但其PWM控制的开关频率达10 k Hz,显然不适合高压大容量的静止无功补偿器。

本文采用双同步控制器策略,以ω0旋转的正序同步控制器补偿正序分量和以-ω0旋转的负序同步控制器补偿负序分量,两个控制器输出之和作为总的输出;对于低次谐波滤除,由于谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,因此采用比例谐振积分(PR)控制策略来滤除低次谐波。最后通过RTDS和动模试验验证了所提控制策略的正确性。

1 SVG控制策略

SVG的的结构如图1所示,根据基尔霍夫电流定律,得:is_abc=iv_abc+il_abc=iv_abc+il_abc_p+il_abc_q,SVG补偿负载无功的控制原理,就是检测出负载电流中的无功分量il_abc_q,同时由SVG输出一个与该无功分量大小相等,方向相反的电流iv_abc,使得最终供电系统仅提供负载电流中的有功分量,即is_abc=il_abc_p。

由于SVG一般直挂于变压器低压侧,低压侧按三角形接线,因此没有零序分量,同时忽略谐波分量,仅考虑基波正序和负序分量。同时考虑到同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,消除了电流稳态跟踪误差。同时,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。

根据基尔霍夫电压定律,易得SVG在三相abc坐标系下的数学模型:

分别对公式(1),按公式(2)和公式(3)的正序、负序旋转坐标变换到dq轴,得到dq旋转坐标系下SVG正序和负序数学模型如公式(4)和公式(5)所示。

其中:L、r分别为SVG连接电感的电感值和电感漏阻值,u+sd、u+sq、u+rd、u+rq、id+、iq+为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在正序旋转坐标系dq轴上的分量,usd、usq、urd、urq、id-、iq-为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在负序旋转坐标系dq轴上的分量。

根据数学模型推导出基于正负序分解和dq轴电流解耦的SVG控制框图如图2所示,图2 a)为直流电压控制环,输出有功电流指令i+dref,该电流用以补偿SVG连接电感以及IGBT损耗。图2 b)为无功电流指令环,SVG无功控制采用直接检测负载电流中无功分量i+pop的开环控制和对系统侧电流无功分量inet_q进行的闭环控制来得到无功电流指令i+qref,开环控制保证了无功响应的速度,闭环控制保证了响应的精度。在同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。图2 c)和d)分别为将正、负序电流解耦控制框图。

2 SVG谐波补偿

SVG的主要功能为补偿无功,但只要直流侧电容设计合理,SVG还能完成滤除谐波的功能。SVG滤除谐波对精度要求较高,而对响应速度要求不高,因此采用二阶谐振积分控制器来实现滤除谐波功能。

谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,从而达到准确补偿谐波电流的目的,其传递函数为:

其中ωh为谐振频率,ki为积分系数。以谐振频率ω=2π×250=1 570为例,其波特图如3所示,在谐振频率ω=1 570 rad/s处,其增益无穷大,对谐振频率以外的频率,有很大的衰减特性。

基于谐振积分器的SVG滤除谐波的原理如图4所示:将负载电流iL和SVG电流iV的差值作为谐振积分器的输入,输出为谐波调制波uhref。对将谐振频率为ω1,…,ωn,的多个谐振积分器并联,则可对谐波频率为ω1,…,ωn的各次谐波进行有效滤除。

3 实验验证

3.1 RTDS实验

本文利用RTDS试验平台搭建一个30 Mvar的样机模型对所提谐波和负序电流控制进行验证。试验系统主要参数为:SVG容量为30 Mvar;接入点线电压为10 k V;连接电抗为L=2 m H;直流电容为1 000μF;直流侧参考电压为18 k V,开关频率为1 950 Hz,不对称规则采样SPWM。谐波负载为3次、5次谐波电流幅值各为500 A;不平衡负载参数:A相0.01 H、3Ω,B相0.01 H、3Ω,C相0.1 H、3Ω。

图5、图6是投入SVG前后系统电流波形的谐波分析,图中SVG投入后,负载中的3、5次谐波被有效滤除掉了,系统电流总谐波畸变率THD从25.94%降为2.52%。SVG解锁前后系统谐波电流含量如表1所示。

图7、图8为SVG投入前的负载不平衡电流,SVG投入后的SVG输出电流iSVG、网侧电流i网侧及直流侧电压udc波形,由图可知,SVG输出不平衡补偿电流,补偿后网侧电流三相平衡,但由于负序分量的存在,直流侧电压存在两倍频波动,而因为直流侧电容参数设计合理,直流侧电压的波动范围在控制器允许范围(±5%)之内。

3.2 动模实验

本文搭建了一个1 k V、30 kvar动模平台来验证该负序控制策略,该平台基于3个IGBT串联的两电平三相桥结构,连接电抗10 m H,直流电容500μF,开关频率1 950 Hz,直流侧电压参考值1.8 k V,控制器与RTDS试验时一样。不平衡负载为3 kvar的缺C相的电感负载,平衡负载为22.5 kvar电容负载。

图9是投入不平衡负载前后得到的SVG在dq轴上的正负序电流跟踪参考电流波形图,由图知在不平衡负载投入后,SVG能迅速输出跟踪上各序电流参考值,从而补偿掉负载中负序电流以及正序无功电流分量。图10是投入3 kvar的缺C相的电感负载和22.5 kvar的电容负载时SVG系统电流、负载无功、系统无功、SVG输出无功、直流侧电压波形图。图10 a)中SVG输出不平衡电流来补偿负载中的不平衡电流,图10 b)的系统电流中只剩下了维持直流侧电压恒定以及补偿IGBT损耗和取能回路所需的电流。图10 c)中系统无功Q_NET维持在0附近,表明负载中的无功全部由SVG补偿掉了。图10 d)是直流侧电压波形,直流侧电压波动在允许的5%以内。

4 结语

提出了一种可以综合补偿负序和谐波电流的控制策略,即采用双同步控制对基波正、负序分量进行补偿和采用谐振积分控制对谐波分量进行补偿,并对该控制策略进行了理论分析,最后分别在RTDS和动模试验平台对该控制策略进行了验证,试验结果表明所提策略能较好的满足工业SVG补偿负序和低次谐波电流的需要。

摘要：针对工业负荷运行时产生大量负序和谐波电流的情况,提出了一种可以补偿负序和谐波电流的静止无功发生器控制策略,该策略对正、负序电流分别采用dq轴电流解耦跟踪控制,对谐波电流采用比例谐振(PR)电流控制。最后通过实时数字仿真(RTDS)和动模试验验证了在实际工程中SVG控制器负序和谐波补偿算法的正确性。

关键词：静止无功发生器,负序电流补偿,谐波电流补偿,实时数字仿真,动模

参考文献

[1]许树楷,宋强,刘文华,童陆园.配电系统大功率交流电弧炉电能质量问题及方案治理研究[J].中国电机工程学报,2007,27(19):93-98.

[2]张鹏,周碧英.STATCOM在电弧炉补偿中的控制策略及仿真分析[J].电气传动自动化,2010,32(16):16-19.

负序无功控制篇5

摘要：配电网优化控制方法在理论上有许多控制方法，但是在实际应用过程中，因为有许多不确定因素，简化了约束条件，并进行综合考虑，从而实现优化运行的目的。本文在配电自动化的基础上进一步阐述配电网优化控制的方法。

关键词：配电网;优化控制;方法

一、配电自动化

配电自动化系统的功能基本有5个方面即配电 SCADA、故障管理、负荷管理、自动绘图规范设理，地理信息系统(AM/FM/CIS)和配电网高级应用。

同输电网的调度自动化系统一样，配电网的SCADA也是配电自动化的基础，只是数据采集的内容不一样，目的也不一样，配电SCADA针对变电站以下的配电网络和用户，目的是为DA/DMS提供基础数据。但是，仅仅是配电 SCADA的三遥功能，并不能称为配电自动化系统，必须在配电SCADA基础上增加馈线自动化(FA)功能。馈线自动化的基本功能应包括馈线故障的自动识别、自动隔离、自动恢复。配网故障诊断是一个复杂的问题，根据配网实际情况和故障情况的差别，诊断的步骤与方法不同。诊断方案应适用于单相接地故障、相一相故障、相一相接地故障和三相故障。使用范围为中性点不接地或小电流接地系统。为了完成DA的功能，配电SCADA除了可以采集正常情况下的馈线状态量，还应对故障期间的馈线状态进行准确的捕捉;除可进行人工远程控制，还应对馈线设备进行自动控制，以便实现故障的自动隔离和自动恢复。

二、配电网优化控制方法

为了降低预想事故集中的扰动带来的损失，减少事故后的操作代价，使系统从不安全状态回到正常状态，所采取的一系列控制措施。如果系统进入紧急状态，此时进行的防止事故扩大的操作称为紧急控制，使系统进入待恢复状态。对处于待恢复状态的系统，需要采取负荷转供和负荷切除等手段，以尽快的给尽可能多的失电负荷恢复电能供应。本文将重点讨论恢复控制中的网络重构、电容器投切以及相关的综合优化方法。

1、配电网网络重构

配电网网络重构是通过选择分段开关、联络断路器的开合状态，来改变网络的拓扑结构，以达到减少网损、平衡负荷、提高电压质量、实现最佳运行方式的目的。网络重构是一个比较复杂的问题，它是网络结构的优化，从数学模型来看，属于非线性组合优化问题。如果系统的网架结构和电气状况允许，对每一个单重故障，将可以找到多个可行的转供方案，方案越多，一则可以粗略的认为该系统的网架结构越坚强。

在树枝没有联络断路器存在的配电网中是不存在重构问题的，所以配电网络重构理论的推导都是基于配电网具有环形结构开环运行的网络。在配电网中存在大量的常闭分段断路器和少量的常开联络断路器，随着负荷的波动或者故障的原因，各条馈线在轻载与重载之间转换，配电网的结构允许其开合交换支路，平衡各条馈线之间的负荷，这不但可以增加各条馈线的稳定裕量，消除过载，提高其安全性，还可以提高总体的电压质量，降低网损，提高系统的经济性。

配电网重构是一个有约束的、非线性、整数组合优化问题，通常以网损最小为目标函数，以电压质量、线路变压器容量等为约束条件，目前配电网网络重构的算法有很多，诸如最短路径法、遗传算法、快算支路交换算法、穷举搜索法等，这些算法都在处理目标函数上，在不同的方面取得了一定的进展，但是考虑到网络重构在实际中仅是配网优化控制的一个方面，是在多目标决策下的一种优化，还需要受到其它优化目标的限制，所以这些网络重构算法在实际应用中还需要做一定的调整。

2、电容器的投切

电容器投切在一般的配电网优化中，主要作用就是改善电能质量和降低网损，电容器的投切对配电网的优化控制有着很重要的意义。长期以来，研究规划阶段电容器优化配置的文献比较多，对运行中电容器优化投切的研究还非常有限。后来许多学者就电容器的投切策略做了大量的研究，还有些学者针对配电网的模型进行了研究，并对相应的算法做了进一步改进。比如在中低压配电网中，三相负荷由于是随机变化的，且一般不平衡，但大多数对电容器优化投切的研究是建立在三相负荷平衡的假设条件上的。三相负荷不平衡会导致供电点三相电压、电流的不平衡，进而增加线路损耗，同时会对接在供电点上的电机运行产生不利影响。因此许多学者开始研究三相模型，其中有人提出了一种配电网中三相不平衡负荷的补偿方法，还有些文献利用三相负荷模型进行电容器优化投切的研究，取得了较好的效果。

就优化方法而言，不少文献和著作都介绍了各种各样的算法，具体可以分为两类：数学模型的解析算法和优化问题的人工智能算法。前者主要有非线性规划、线性规划、整数规划、混合整数规划和动态规划等算法;后者有人工神经元网络算法、遗传算法、模拟退火算法、Box算法和Tabu搜索法等现代启发式算法。解析算法迭代次数少，收敛速度快，但得到的往往是局部最优解。智能算法计算速度较慢，但在全局最优性方面较好。在实际应用中，采用解析类算法的相对多一点。

3、综合优化

如果将考虑安全性的网络重构和电容器投切结合起来，这就是计及安全性的配电网综合优化。配电网络重构是一个有约束的整数规划问题，配电网络电容器投切是个非线性整数规划问题，即使单独考虑其中一个问题就已经十分复杂，若将它们综合起来考虑就会更加复杂，网络结构的优化影响着电容器投切，电容器投切又反过来影响网络结构的优化，二者相互影响。对大规模配电网而言，有一种解决办法就是将综合优化问题分解成网络重构和电容器投切两个优化子问题，对这两个子问题进行交替迭代逐步逼近最优解。即在重构算法的.优化过程中所得到的每一个可行重构方案的基础上，加载电容器投切过程，得到基于该重构方案的一个综合优化解，然后依据目标函数交替迭代，向最优解不断逼近，直到获得最终可行方案。这种配电网预防控制的综合优化方法，由于所针对问题及求解过程的复杂性，使得在线应用具有一定的困难，一般用在离线的运行规划、安全性分析与调度当中。电容器采用基于遗传算法的投切方法进行计算，在现有的补偿设备基础上，以网损最小为目标，在满足电压约束前提下，使整个网络有功损耗最小。而网络重构通过仿真配电网潮流的计算和网损的评估，来对配电网进行重构，确定最优网络结构。若单纯以配电网的网损作为衡量指标，则只做电容器投切的算法效果最好，综合优化的次之，重构的效果相对最差，但是从配电网整体综合优化的角度来看，综合优化的方法则有可取之处，具体选择哪一种算法，需要根据实际配电网的运行情况来加以考量。

三、结束语

配电网优化控制方法在理论上已经有许多控制的方法，但在实际的应用过程中，由于存在着许多不确定因素，如环境因素、政府政策等，最优化的结果很可能是个综合、折衷的结果，而不是单个方面优化后的最佳结果。配电网的运行是多个指标的综合体现，在具体的操作中，可以考虑如何将这些约束条件进行简化处理，并进行综合考虑，从而达到配电网优化运行的目的。

参考文献：

1.李广河;地区电网无功电压集中优化控制系统的研究与实现[D];郑州大学;

2.邱军;电力系统无功电压就地控制研究[D];华中科技大学;

3.邢晓东;金华地区电压无功优化的研究[D];浙江大学;

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