SVC控制系统（共7篇）
SVC控制系统 篇1
0 引 言
直流融冰时母线上的电流可达几千安培,SVC的核心部件晶闸管会迅速升温,以ABB公司晶闸管5STP 42U6500为例,当壳温由70 ℃升高到80 ℃时,器件工作时的通态平均电流IT(AV)M由3 460 A下降到2 840 A左右,下降了17%;而如果壳温继续上升到90 ℃,则IT(AV)M将进一步下降到2 180 A,即定额电流下降了37%[1]。此外,当结温由50 ℃升高到100 ℃时,器件1 000小时故障率(Failure rate/1 000 h)将由0.001提高到0.1左右,故障率提高近100倍[2]。因此,晶闸管有效的冷却是提高SVC寿命和可靠性的至关重要的手段。2008年1月份罕见的暴风雪给浙江电网带来了前所未有的灾难。浙江某500 kV变电所为应对冬季冰雪袭击时输电线路的融冰问题,设计了动态无功补偿装置(SVC)。
本研究通过对主流冷却方式、SVC运行环境的研究,研制了一套密闭式纯水冷却自动控制系统,以高纯度、高制冷量为目标,实现了对晶闸管的高可靠性、高效率冷却控制[3]。
1 系统设计
冷却系统的基本任务是根据传热学的基本原理,为晶闸管设计一个热阻尽可能低的热流通路,使晶闸管发出的热量尽快发散出去,从而保证其正常运行。在稳定工况下每单位时间通过平壁所传递的“热流量”Q[W]将正比于平壁两侧流体的温差(tf,1-tf,2)[℃]和平壁表面积F[m2][4],如下所示:
Q=kF(tf,1-tf,2)
在某一稳定工况下,传热系数k[W/m2·℃]为定值,当高温冷却水与大气温差(tf,1-tf,2)基本稳定时,为使单位时间内Q更大,只能增加有效传热面积F,即增加系统换热器的个数。根据系统设计额定冷却容量及所选风冷换热器型号,计算得12个风冷换热器即可满足SVC系统最大散热时的需求。纯水冷却系统既要节能、延长使用寿命又要确保晶闸管的稳定运行,就必须实现对风冷换热器运行个数、电动三通阀流量等进行自动控制,让其能够根据不同的工况进行及时地调节,从而实现系统供水温度、流量、压力的稳定。传统的控制领域,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要因素,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。然而,对于密闭循环纯水冷却这类复杂的系统,由于变量多,往往难以正确描述系统的动态过程,而模糊控制却可以依靠模糊控制规则对目标进行分析,得出较好的控制策略。模糊控制规则的来源主要有3种:专家经验和知识、操作员操作模式、自我学习。本研究采用专家经验和其他系统运行的历史数据,根据供水、回水温度对电动三通阀开度和12台风冷换热器的起停建立相应的控制规则,实现了对晶闸管的冷却。
2 系统组成
系统主要由密闭式纯水冷却装置、PLC、触摸屏监控三部分组成。
2.1 密闭式纯水冷却装置
标准DL/T 1010.5-2006(发改办工业[2003]873号)对适用于高压静止无功补偿装置的密闭式水冷却装置的技术要求、试验要求、制造工艺、检验规则等主要指标进行了规范。依据该标准,本研究提出了如图1所示的密闭式纯水冷却系统(风-水冷却方式)。
冷却装置主要由主循环冷却回路、去离子水处理、补水回路、氮气稳压系统和控制系统等5个部分组成。去离子水处理、补水回路和氮气稳压系统合称副循环回路。
主循环回路主要包括一用一备的两台主循环泵、电动三通阀、风冷换热器等。控制器自动控制主循环泵的启动、停止、切换,同时根据实际情况输出预警及跳闸信号。风冷换热器根据目标温度设定值及当前供水温度,通过模糊控制规则来控制12台风冷换热器的起/停、切换,及电动三通阀的开度,自动调整进入风冷换热器的水流比例,使水温符合要求。
去离子水处理、补水回路包括离子交换器、三通球阀、补水泵等。离子交换器不断净化副循环回路中的离子,保证冷却介质具备极高的电阻率。进入去离子水处理回路的水流量大小可以通过三通球阀调节。
氮气稳压系统包括缓冲罐、气路电磁阀、氮气瓶等。与缓冲罐连接的氮气恒压系统保持管路中冷却介质的充满及隔绝空气。气路电磁阀由控制器控制,根据缓冲罐压力高低限值而自动开关,从而使缓冲罐的压力稳定在一定范围内,并保证整个水冷系统维持一定的静压。
控制系统要求具有远程、就地操作模式和手动、自动两种控制方式。手动控制即通过控制柜上的按钮进行点动控制;自动控制即PLC通过设定好的参数,各实时采集数据进行自动控制;远程自动控制即采用ModBus通信协议与SVC主站连接,通过主站监控冷却系统的运行。
2.2 PLC控制器
(1) 硬件选型。
本系统共77个I/O点,其中包括7个模拟量输入,1个模拟量输出,69个数字量输入/输出。考虑到系统运行环境恶劣(SVC大电流强干扰)选用性能价格比高的西门子S7-200 CPU226作为控制器,支持MPI、PPI通信协议,且扩展方便。传感器及低压硬件部分选用施奈德等设备。
(2) PLC程序设计。
PLC首先根据各传感器的输入电流(4 mA~20 mA)、电压(0~5 V/10 V)、数字信号的值进行输入采样,然后执行用户程序来分析、判断,最后刷新输出,通过继电器对各执行器的开关、开度等进行控制。上述3个阶段称作一个扫描周期,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段[5]。用户程序部分只要将工艺流程转化为直观易懂的梯形图(LAD)即可。公共部分作为子程序供主程序调用,程序实现模块化,便于后期维护,且具有通用性。如远程自动控制程序设计流程框图如图2所示。
2.3 触摸屏
触摸屏的功能主要是实时显示各主要运行参数,设定参数、使用成员、权限的设置,报警和跳闸信号的显示。触摸屏为西门子TP177A,使用MPI协议与PLC建立链接[6],采用WinCC Flexible 2007组态软件编辑触摸屏程序。主要组态窗口:登陆界面,主目录界面,监控界面,各参数设置界面(一年四季大气温度各不相同,为了能够得到更优的控制效果,拥有一定使用权限的用户可以自行设置泵、风机、加热器的各档启停温度),传感器标定界面,用户管理界面,故障报警,数据显示等组成如图3所示。
3 抗干扰设计
系统中PLC采用集中安装方式,现场周围是强电路SVC系统,电磁环境恶劣,PLC系统非常容易受到干扰。本研究通过对干扰源的分析、研究,得出了以下设计以抑制干扰。
3.1 接地抗干扰设计
(1) 系统接地有浮地、直接接地和电容接地3种方式。对PLC控制系统而言,它属于高速低电平控制装置,应采用直接接地方式[7]。
(2) 系统中PLC全部集中布置于现场一控制柜内,适于并联一点接地方式,柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。
(3) 控制柜用绝缘体与地面隔离。
3.2 电源部分的抗干扰设计
(1) 为抑制水泵、风机、电加热器等的轮换、启/停而引起电网电压的波动,强弱电分别采用各自的开关型稳压电源以保持供电电压的稳定及防止相互干扰。
(2) PLC主控制器部分采用冗余电源,保证系统的正常运行。
(3) 模拟量部分与交流信号和可产生干扰源的供电电源保持一定距离。
3.3 I/O部分的抗干扰设计
(1) 系统正常运行情况下周围会有很大的电磁干扰,I/O点的布线方面要根据分散各处信号的多少和信号的动作时间,选择模块的密度。集中在一处的输入信号尽可能集中在同一个或几个模块上,便于电缆安装与系统调试。同时接通点数最好不要超过模块总数的70%[8]。
(2) I/O模块安装在会产生大干扰的控制对象晶闸管侧,所以采用了绝缘性I/O模块,且输入信号均自带光电隔离功能。
(3) 数字量模块的门槛电平值越大,抗干扰能力越强,抗感应电压越有利。
(4) 各DI模块的输入通道均加装隔离继电器避免外部干扰源进入通道,各DO模块的输出通道均加装中间继电器,避免直接驱动负载,造成感性负载产生浪涌电压而干扰输出信号。
(5) 重要输入点采用冗余技术,保证信号采集的可靠性。
3.4 软件抗干扰设计
软件抗干扰技术具有设计简单、耗资少、修改灵活等优点。纯水冷却系统主要采用了数字滤波和软件容错技术。
(1) 数字滤波原理如图4所示。
现场模拟信号具有较低的信噪比,常因瞬时干扰产生较大波动。可以经过A/D转换,利用数字滤波滤去噪声信号,获得品质优良的有用信号。工程上数字滤波方法有:平均值滤波法、中位值滤波法[9,10]、限幅滤波、滑动滤波法等。本系统采用了算术平均值滤波法,即每一次的采样值与前N-1次的采样值求算术平均值作为本次的滤波值。
(2) 软件容错技术。
首先针对死循环设计了看门狗定时程序,避免控制系统进入死循环;其次,为确保重要的开关量输入信号和易抖动模拟信号的采集,都采用了相应的延时,通过多次读取,结果判定有效才加以采用。
4 运行结果
冷却系统运行期间SVC装置的输出电流(直流)为2 000 A~5 000 A,晶闸管的出水温度低于35 ℃,冷却效果好,于2009年11月交付金华某500 kV变电所使用,运行至今状态稳定、可靠。具体运行数据如表1所示。
5 结束语
根据密闭式纯水冷却系统的特点,本研究研制了一套完整的SVC纯水冷却自动控制系统,并且最终现场安装、调试、运行都达到了相应的要求。对于我国这样一个严重缺水的国家,这种效率高、体积小、无污染、节约水资源的密闭式纯水冷却系统应用前景广阔。
摘要：直流融冰为500 kV及以上高压电网融冰的唯一方法。针对高压输电线路融冰装置SVC(静止无功补偿装置)的散热问题,通过对主流冷却方式、SVC运行环境的研究,研制了一套基于PLC、触摸屏、ModBus通信的密闭式纯水冷却自动控制系统,实现了对SVC冷却的远程、就地自动控制,同时系统引入抗干扰技术,克服了周边恶劣的电磁环境的影响。应用结果表明该控制系统性能稳定、运行可靠,有效地保证了直流融冰装置的正常运行。
关键词：静止无功补偿装置,水冷却,抗干扰
参考文献
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SVC控制系统 篇2
随着人类科技的不断发展和进步, 电网规模越来越大, 电压等级越来越高, 如何保证安全、可靠、经济地向用户连续供电, 成为供电系统和电力企业迫切需要解决的问题。近年来, 由于电力电子技术的迅速发展, 柔性交流输电系统 (FACTS) 作为一项新技术被提出并迅速在电能质量控制领域内得到了广泛应用。目前, 电力系统中应用最多、最为成熟的FACTS设备是静止无功补偿器SVC[1]。
在SVC的设计和运行过程中, SVC控制器的设计与实现非常重要。传统的SVC控制器一般是基于DSP来实现的, 其开发周期长, 结构复杂, 稳定性和抗干扰能力较差。而虚拟仪器技术是测量仪器发展史上的一次革命, 它是日益发展的计算机技术、仪器技术、信息技术密切结合的产物。虚拟仪器技术的出现, 彻底打破了传统仪器由厂家定义, 用户无法改变的模式, 用户可以随心所欲地根据自己的需求设计自己的仪器系统[2,3]。
本研究采用虚拟仪器的思想, 将控制器的控制部分和显示部分进行集成开发, 并以Lab Windows/CVI作为软件开发平台, 设计并实现了380 V的TCR控制系统。
1 TCR数学模型及控制原理
1.1 TCR的数学模型
TCR的基本原理如图1所示。其单相基本结构就是2个反并联的晶闸管与1个电抗器相串联, 而三相多采用三角形联结[4,5]。这样的电路并联到电网上, 就相当于电感负载的交流调压电路的结构。
分析图1可知, 晶闸管触发延迟角α的有效移相范围为90°~180°。其位移因素始终为0, 也就是说, 基波电流都是无功电流。α=90°时, 晶闸管完全导通, 导通角δ=180°, 与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上, 这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延时角α在90°~180°之间时, 晶闸管为部分区间导通, 导通角δ<180°。增大触发延时角的效果就是减少电流中的基波分量, 相当于增大补偿器的等效感抗, 或者说减小其等效电纳, 因而减少了其吸收的无功功率。
由傅里叶变换可得, TCR电流的基波分量与晶闸管导通角之间的关系为:
式中:U—系统电压, XL—与晶闸管串联的电抗的感抗值。
由式 (1) 可推出TCR的等效电纳为:
其中, 等效电纳最大值为BLmax=1/XL。
由式 (2) 可知, 导通角δ与TCR等效电纳之间是非线性的关系。本研究在Matlab中绘制其对应关系曲线, 如图2所示。分析图2可知, 通过改变晶闸管的导通角, 即可改变TCR等效电纳, 从而改变电抗器吸收的无功。
1.2 TCR的控制方法
TCR的控制系统应能够检测系统的有关变量, 并根据检测量的大小以及给定输入量的大小, 产生相应的晶闸管触发延迟角, 以调节补偿器吸收的无功功率。TCR系统的结构框图如图3所示。
由图3可知, TCR控制系统由检测、控制、触发、保护4个子系统构成。三相电压及电流一次信号经调理电路后, 变换为适用于数据采集卡的低压信号。数据采集卡采集到的信号送入工控机中进行处理得到晶闸管的触发角, 并计算得到相应的触发脉冲, 再经I/O转换卡输出到驱动板, 并驱动晶闸管的导通。同时, 控制器的操作控制界面及保护功能也在工控机中完成。
2 TCR控制器的软硬件实现
2.1 虚拟仪器及Lab Windows/CVI简介
Lab Windows/CVI是美国国家仪器公司 (NI) 推出的交互式C语言开发平台。Lab Windows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来。其集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能, 为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动检测环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。NI公司的Lab Windows/CVI是一个久经验证的用于测试和测量的ANSI C开发环境, 极大地提高了工程师和科学家们的生产效率。
2.2 TCR控制器硬件实现
由图3可看出, 基于虚拟仪器的TCR控制器硬件电路相对简单, 仅包括数据采集卡、调理电力、工控机, 这是应用虚拟仪器技术进行系统设计的特点之一。硬件仅仅是用于信号的输入和输出, 而控制系统的具体功能是靠软件设计来实现的[6,7]。
2.2.1 数据采集卡
该系统采用KPCI-1811型数据采集卡。KPCI-1811卡是一种基于PCI总线的数据采集卡, 它具有模拟量输入/输出, 数字量输入/输出等功能。其具有单端16、差分8路模拟输入通道, 12位A/D转换器, 单通道最大采样速率为100 K/s;同时, 它还具有4个独立的12位D/A输出通道, 可完全满足控制系统与外部信号之间的数据交换需要。同时, 通过利用Lab Windows/CVI内部的动态链接库 (DLL) 技术, 其编程也相对简单[8]。
2.2.2 调理电路
由于KPCI-1811数据采集卡模拟输入电压范围为0~+5 V, 系统不能直接将电压、电流引入数据采集卡输入端。该系统采用两级互感器引入的方式, 即系统电压、电流经一级互感器变为电压100 V和电流5 A的信号, 然后再经二级互感器变为电压范围0~+5 V和电流范围0~2.5 m A的弱点信号。
2.2.3 工控机
工控机是一种加固的增强型个人计算机, 它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。该系统采用目前比较流行的带触摸功能的一体机结构, 其稳定性好, 操作方便快捷, 更加人性化, 且外形美观。
2.3 TCR控制器软件实现
由图3可知, 基于虚拟仪器的TCR控制器软件部分主要包括以下几个部分:显示界面、A/D采样、信号处理和驱动信号生成。
2.3.1 显示界面
用户界面主要是实现友好的人机交互功能。TCR控制器主界面如图4所示。主界面可实时显示系统的当前运行状态。当系统正常工作时, 实际界面中的各指示灯为绿色;遇故障或者电抗器不投入时, 相应的指示灯变为红色。单击菜单按钮, 可进入相应的子菜单。
2.3.2 A/D采样
KPCI-1811型数据采集卡的驱动程序以动态链接库 (DLL) 的形式提供。配置和导入动态链接库成功后, 便可在Lab Windows/CVI应用程序中调用该数据采集卡动态链接库中的相应函数。KPCI-1811型数据采集卡提供了丰富的库函数, 包括对采集卡的初始化、启动、单通道采样、多通道采样、模拟量输出等, 可以方便地在程序中调用。
2.3.3 信号处理
在信号处理模块中, 使用Lab Windows/CVI自带的加窗快速傅里叶变换 (FFT) 算法, 可以方便、实时地算出电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、功率因数、各次谐波率的大小, 并可进一步计算得到畸变率 (THD) 等需要的参数[9]。
2.3.4 驱动信号生成
KPCI-1811数据采集卡具有电压输出连接和电流输出连接两种连接方式。该系统采用电流输出来控制晶闸管的触发角。数据采集卡D/A部分输出的电流4 m A~12 m A线性对应晶闸管触发角180°~90°。实时计算得到无功后, 由式 (2) , 利用有理插值法可算出晶闸管导通角, 然后通过KPCI-1811数据采集卡的D/A输出功能输出相应的电流信号, 并经驱动模块控制晶闸管的通断, 从而补偿系统所需要的无功[10]。
驱动电流和晶闸管触发角之间的关系为:
3 结束语
本研究将虚拟仪器技术的思想和设计方法应用于SVC控制器的开发中, 在相对简单和通用化的硬件配置下, 主要由软件完成控制器的各种功能。该控制器开发周期短、测量精度高、可靠性高, 并且可以方便地增、减控制系统的功能和规模, 灵活性强。控制器现已应用于90 kvar/380 V的TCR装置中, 实际使用效果表明, 其能够实时检测电网信号, 并准确补偿电网所需无功。
由于虚拟仪器技术的突出优点, 其在SVC控制系统和电力系统中将会得到越来越广泛的应用。
参考文献
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SVC控制系统 篇3
1 TCSC与SVC交互影响概述
TCSC可以等效为在一定范围内连续变化的可变阻抗, 除了用来补偿线路电抗, 提高传输能力外, 还应用于抑制低频振荡和次同步谐振, 提高系统的静态和暂态稳定性。SVC主要功能是保证动态无功功率的快速调节, 并具有事故时的电压支持、维护电压水平、消除电压闪变和平息系统振荡等作用。
当TCSC和SVC同时投入系统联合运时, 其传统控制器设计不能保证系统实际运行的控制性能与闭环稳定性。单独设计效果良好的TCSC和SVC, 在联合运行时控制性能恶化, 由于强烈的负交互产生高频振荡, 所以有必要对两种FACTS装置进行协调设计。
2 智能控制方法
智能控制结合了人工智能理论, 具有自主学习能力, 适合处理非线性、不确定性问题。近年来, 其在电力系统中的应用得到重视并获得大量研究成果。
2.1 遗传算法。
遗传算法是一种基于自然选择和遗传机制的搜索算法, 其主要强调自适应迭代式随机化搜索。优点是可并行计算和强大的全局搜索能力, 缺点是计算时间长, 寻优速度慢, 局部搜素能力差等。
2.2 免疫算法。
免疫算法是通过借鉴生物免疫系统特征而形成的一种智能优化方法, 其利用自适应调节特征和抗体多样性来保持群体的多样性, 从而克服寻优过程过早收敛, 最终找到全局最优解。
2.3 模拟退火算法。
模拟退火算法作为一种随机的启发式搜索方法, 适用于处理非线性规划问题, 能以较大概率求得优化问题的全局最优解。优点是全局收敛性好, 缺点是所需间过长, 且随系统规模扩大及复杂性提高而增加。综上所述, 用于解决协调控制参数优化问题的智能算法都有各自的优势, 同时也存在不少问题。迄今为止, 没有一种通用的最优的求解算法在处理实际问题的时候, 需要考虑具体的情况, 选择适合的优化算法。
3 多目标粒子群优化算法 (MOPSO)
粒子群优化 (PSO) 算法是近年来出现的一种依赖经验参数少、收敛速度快的仿生智能优化算法, 具有良好的优化性能, 其操作原理简单、收敛速度快, 适合求解需要满足一定精度和速度要求的电力系统组合优化问题。其优点在于是算法简洁, 易于实现, 没有很多参数需要调整, 且不需要梯度信息, 非常适合工程应用。
MOPSO相对于其他算法具有原理简单, 编程容易实现等特点, 在收敛性和多样性上与其他几种典型优化算法相比都有较好的竞争力。
结束语
针对TCSC与SVC联合运行时的交互影响问题中的多目标特性, 采用多目标粒子群算法, 为优化目标函数提供了一种性能较好的算法。
参考文献
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SVC控制系统 篇4
随着现代电力电子技术的发展,静止无功补偿器(SVC)以其快速的响应特性以及作为系统动态电压支撑的主要手段而被广泛应用于电力系统,而SVC对系统电压的稳定效果与其U-I特性有着紧密联系[1,2,3,4,5,6]。通常,传统的U-I特性曲线(即恒调差率U-I特性曲线)具有一个恒定的斜率,这样使SVC的控制策略具备了更多的优越性,同时却也导致系统电压与额定值有一定的偏差[7,8]。本文提出了一种采用变调差率的U-I特性控制新方法,并以零调差率和恒调差率U-I特性作为仿真参照,使用先进的电磁暂态仿真程序RTDS作为仿真工具[9,10],快速而准确地分析了SVC在不同调差率的U-I特性下对母线电压的控制效果。
1 恒调差率特性的优缺点
图1中有两条关于SVC的动态曲线,零调差率特性曲线OABC中的AB段斜率为0,而恒调差率特性曲线ODEF的DE段却具有一定的斜率(调差率),通常该斜率取值为3%～5%。L1、L2、L3、L4为设定的负荷线,Vref是母线参考电压,Vbus是母线电压,Isvc是SVC的无功电流。
1)优点:减少了SVC的额定无功容量。
假定负荷线在L1到L2之间变化,当SVC按曲线OABC运行时,其无功电流从容性Ic变化到感性Il;当SVC按曲线ODEF运行时,其无功电流从容性Ict变化到感性Ilt。显然,为达到几乎相同的控制目标,后者所提供的无功功率大大减小。这样,在保证相同无功容量的条件下,运行于恒调差率特性的SVC则具有更大的控制范围,如图1所示,SVC能实现负荷线在L3到L4之间变化时对系统电压的有效控制;而运行于零调差率的SVC只在负荷线在L1到L2之间变化时实现对系统电压的有效控制。
2)缺点:母线电压与额定值有一定偏移。
曲线ODEF的DE段斜率不为0,母线电压不能恒定控制在额定值,而是相对于额定电压有一定的电压偏移。
2 变调差率U-I曲线
2.1 变调差率U-I曲线的特点
如图2所示:将恒调差率特性曲线的DE分为三段DG、GH、HE。这样SVC的U-I特性曲线则成为ODGHEF,即变调差率的U-I特性曲线。
从图2可以看出,变调差率U-I曲线完全继承了恒调差率U-I曲线的优点。但重要的是,采用变调差率控制的策略能将电压偏差限定在更小的范围内。
实际上,任取L3到L4之间的一条负荷线如L2,与两条U-I曲线交于N、H,N、H所对应的母线电压分别为Vbus1与Vbus2,而Vbus2更加接近额定值。N、H所对应的无功电流分别为Ilt和Ih,且Ilt
2.2 调差率的取值
如图3所示,曲线分为3段,分别为DG、GH和HE,其调差率分别记为Xsl1、Xsl2、Xsl3。在以下的RTDS仿真模型中,取Vref标么值1.0,Xsl1=Xsl3=15%,Xsl2=2.5%。
(1)当-0.8≤Isvc≤0.8时,SVC运行于GH段,Vbus=Vref+Xsl2·Isvc;
(2)当Isvc>0.8时,SVC运行于HE段,Vbus=1.02+Xsl3·(Isvc-0.8);
(3)当Isvc<-0.8时,SVC运行于DG段,Vbus=0.98+Xsl1·(Isvc-0.8);
(4)当Isvc>1.0或Isvc<-1.0时,Vbus>1.05或Vbus<0.95,此时SVC已不能实现对母线电压有效控制。
3 实时数字仿真分析
3.1 仿真所采用的系统模型
本文采用江西赣州金堂变电站的一套SVC装置作为仿真原型(为说明本文提出的原理,部分模型的结构和数据作了改动)。仿真主回路模型如图4所示,主要参数设置:系统短路容量3 000 MVA,X0/R0=5.0;母线电压230 kV,10 kV I段母线安装了3台固定电容器,每台容量约为10 Mvar;10 kV II段母线安装容量-50 Mvar的TCR与5台MSC联调,每台MSC容量约为10 Mvar。
3.2 仿真研究
3.2.1 仿真要求
为了研究SVC在感性负载和容性负载两种情况下对母线电压的控制效果,设置了一组感性负载和一组容性负载,其中感性负载的复功率为SL=60+j80 MVA,容性负载为SC=30-j90 MVA。分别记录系统运行达到稳态后的母线电压标么值Vbus以及对应的SVC输出的无功电流标么值Isvc。
为了验证SVC在该控制策略下所能实现的控制效果,分别在下面三种U-I特性曲线下进行仿真。
(1)原理图中的零调差率曲线OABC;
(2)调差率为5%的恒调差率曲线ODEF;
(3)变调差率的U-I曲线ODGHEF。
3.2.2 仿真结果
下面是系统在上述三种U-I特性曲线下仿真得出的两组关于Vbus和Isvc的波形。
(1)图5是负载为感性时仿真得出的三组波形。图5(a)SVC能有效地控制母线电压为额定值,但无功电流却很大,已接近极限值。图5(b)母线电压并未补偿到1.0,而是与额定值有一定偏差,SVC只提供了较小的无功电流;图5(c)变调差率特性下的SVC有效地减小了母线电压偏差,同时发出了相对较大的无功电流。
(2)图6是负载为容性时仿真得出的三组波形。图6(a)SVC已经不能控制母线电压到额定值,同时无功电流也达到极限值;图6(b)虽然SVC的无功电流较小,但电压与母线额定电压却有较大偏差;图6(c)SVC的无功电流相对于恒调差率特性下的无功电流有一定增加,但并未达到极限值,此时却有效地减小了系统母线电压与额定电压的偏差。
4 结论
采用变调差率U-I特性的SVC既能有效地减小电压偏差,又能在不增加无功容量的前提下达到与恒调差率U-I特性完全相同的控制范围。本文以先进的电磁暂态仿真程序RTDS作为仿真工具,精确地验证了该理论的正确性。但考虑到变压器漏抗,SVC损耗等因素,最终结果与理想情况会存在较小的误差。
参考文献
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SVC控制系统 篇5
关键词：SVC系统,高压,电缆头,烧毁,原因
1 概述
韶钢中板厂为了保证设备的电能质量,减少不必要的电能损耗,节约生产成本,优化资源配置,决定安装一套6k V TCR型动态无功补偿装置(简称SVC)。该装置是一种能够为电网快速而连续地提供容性和感性无功功率的电力电子装置,SVC系统中TRC阀组和FC滤波器组相互结合,可以减少轧钢机等冲击性负荷对供电系统的电压波动和闪变,消除无功冲击,提高电网系统的功率因数。
2 TCR型动态无功补偿装置简介
系统母线运行电压6k V,在6k V母线安装静止型动态无功补偿装置(SVC)一套,主要电气设备有:10k V高压开关柜4面、10k V隔离开关4台、10k V电流互感器11台、10k V晶闸管阀组3组、10k V相控电抗器3台、10k V滤波电抗器12台、10k V电容器组4组(含10k V差流互感器4台、10k V氧化锌避雷器12支)、保护柜1面、SVC控制柜1面和SVC脉冲柜1面。
根据交-交变频传动系统的谐波状况,滤波器设计了3、5、7、11四个滤波支路,安装容量23.6Mvar,基波补偿容量17Mvar,为防止切断容性电流时,断路器电弧重燃可能导致的重大设备事故,采用六氟化硫断路器向SVC装置供电。六氟化硫断路器切断容性电流的能力为800A,中板SVC系统共采用3台SF6断路器对相控电抗器及各滤波支路供电。其中TCR通道单独使用一台断路器供电、H3滤波通道和H5滤波通道共用一台断路器供电、H7滤波通道和H11滤波通道共用一台断路器供电。断路器至相控电抗器、相控电抗器至晶闸管阀组和断路器至隔离开关间采用高压电缆供电,其余部分电气设备的连接主要采用钢芯铝绞线、铜母排和铝母排。
TCR容量20Mvar,为三角型接线;H3滤波通道安装容量为6240kvar、H5滤波通道安装容量为8250kvar、H7滤波通道安装容量为6240kvar、H11滤波通道安装容量为8250kvar,全部采用双星型接线。
3 TCR电缆接头烧毁故障原因分析
SVC系统自2009年2月安装完毕并投入运行至今,先后发生过2次因TCR柜高压电缆接头烧毁故障跳闸而引起生产停止的设备事故。
3.1 故障现象及处理
SVC系统TCR高压柜B相至相控电控器的两根单芯电缆接头发热冒烟并烧毁,导致B相接地短路,6SF断路器速断跳闸,各滤波支路连锁跳闸。电力监控系统后台报“高压开关分闸”信号。故障发生后,值班运行电气人员迅速停止轧钢机等主要生产设备,并对故障的产生原因进行查找,发现TCR柜内除电缆接头被烧毁外,滤波器高压开关柜,阀组室设备,相控电抗器及SVC控制系统均正常,通过电力监控系统查看设备运行记录,电流、电压均在正常范围内,排除了因为电力设备或电力线路短路、接地和过载引起的可能。
将TCR高压开关柜B相故障接地电缆接头锯断后,重新制作新电缆头,套护管,绝缘电阻值测量和低频交流耐压试验均通过。SVC系统重新投入运行正常。
3.2 故障原因分析
将已经烧黑的护套和绝缘电缆剖开,发现铜编织带与电缆屏蔽层连接完好,电缆绝缘和绝缘屏蔽层无质量问题,炭黑分散均匀。在电缆铜屏蔽层离护套套口约20cm处有明显放电痕迹,电缆头周围绝缘几乎全部烧熔,电缆铜芯被烧熔出一个约1cm2小坑,小坑边缘铜芯熔化为豆粒状。由此分析可知,导致此电缆头烧毁故障的原因是电缆铜线芯屏蔽层厚薄不均,较薄的屏蔽层不足以屏蔽铜线芯毛刺或铜屑引起的尖端放电,导致电缆主绝缘被击穿,金属屏蔽层严重带电发热,导致电缆绝缘烧坏。
电力系统中,电缆烧毁的原因有多种,但一般有以下四种:一是过电流和过电压,二是电缆头制作不合格;三是电缆质量差或老化;四是环境因素。根据排查法,电缆烧毁事故发生的电流和电压均在范围内,且使用的电缆是大型企业生产的全新产品,基本上也可排除质量差的问题。由于高压室内安装了空调进行冷却,所以环境因素也可排除。而剩下的就是电缆头的制作质量问题了,但电缆投入前进行了耐压试验,基本上电缆头的制作不合格引起的概率也极低。
通过分析,基本排除了上述的四种原因。后发现距离TCR电缆头0.5m左右的电缆绝缘体表面有不同程度的凹痕,肉眼不容易分辨,手触感觉明显。分析事故原因是:电缆安装人员在进行电缆线头与高压柜连接时,由于电缆受到挤压(电缆较粗120mm2,弯曲不容易),电缆绝缘层受力变形,厚度不均,绝缘强度下降所致。
结语
正确认识SVC系统,对其常见的故障问题进行分析,并采取预防措施,减少故障发生率,有助于电网系统的安全运行,为人们提供安全的电能资源,本文就其中的高压电缆头烧毁问题进行分析,希望对同行有所帮助。
参考文献
SVC控制系统 篇6
近几十年来,随着现代电力电子技术的发展,静止无功补偿器(SVC)越来越广泛地用于电力系统,SVC控制也成为研究的热点之一。传统的控制方法借助于鲁棒控制理论、微分几何等,将非线性系统转化为线性系统。传统方法虽然部分解决了非线性的难题,但仍难解决准确性和环境的不确定性。
近年出现了许多高压直流(HVDC)和柔性输变电(FACTS)的现代控制技术,大电力系统中的强非线性、不确定性和多层控制之间的互相协调仍然是控制者和研究者面临的三大挑战,因此寻求更加灵活、更加适应环境的先进控制策略方法变得尤为迫切。文献[1]借助神经网络智能控制,介绍了电力系统动态安全控制的自学习框架结构;文献[2]计及动态负荷的励磁和SVC的控制方法;文献[3]介绍了电力系统稳定和控制的理论分析方法;文献[4]采用概率论方法对SVC的辅助阻尼控制器进行鲁棒设计,并用于SVC阻尼控制器的相关控制;文献[5]讨论了几种无功补偿设备对维持电压稳定的重要作用及影响;文献[6-7]给出了SVC的非线性控制方法,对纯电压型SVC控制器进行改进,提出信号调制型SVC综合性控制;文献[8]用非线性控制理论和传统的PID控制设计思想,设计了非线性控制器,有较好的鲁棒性;文献[9]用模糊控制理论方法对SVC进行控制,并对有无控制器做了仿真比较;文献[10]介绍了神经网络控制的基础理论方法;文献[11]提出了SVC无功静止补偿系统的模糊-PID控制方法,有较好的鲁棒性;文献[12]讨论了无功补偿的控制策略及方法;文献[13-14]研究SVC无功补偿的机理,并给出了在实际工况下的分析;文献[15]利用非线性动力系统的分岔理论,研究了SVC对电压稳定的影响。
如采用传统控制方法,在等效参数测量准确并且保持不变时,控制性能有好的表现。但是元器件的等效参数可能因以下情况发生变动:1)等效参数难以精确掌握,或者得不到精确的数学模型;2)运行工况变化可能引起参数变化;3)设备老化引起等效参数变化。当等效参数发生变动时,常规控制方法的性能会变差甚至不稳定。基于神经网络控制理论,本文提出了新型神经网络PID控制方法,对SVC进行控制以此达到稳定电压的目的;提出要保证闭环控制系统的稳定这一首要任务;用神经网络自适应的学习算法来训练权系,不断调节控制器参数,以达到维持节点电压恒定的目的。
1 电力系统控制分析模型
用如下微分-代数模型描述电力系统特性:
式中:x∈Rn为系统的状态变量;y∈Rk为系统的代数变量;λ∈Rm为系统参数。
基于神经网络理论的非线性PID控制器的原理:利用参考输入和系统输出的偏差,经自学习能力调整权系,完善被控系统的稳态偏差及性能。SVC控制器框图如图1。图中u为输出电压,uref为参考电压,umin,umax分别为允许的最小和最大电压。
2 神经网络控制系统
2.1 神经网络控制策略
隐层有三个神经元,分别称之为积分元τ1,比例元τ2,微分元τ3;z为反馈;输出层有一个神经元,闭环系统测量输出和期望值间误差被作为控制输入。
神经网络控制结构如图2所示。隐层节点输出ia(k),(i=1,2,3),随时间k按式(2)计算:
神经网络控制器最后输出为:
其中,K为常数。取z-1为一延迟因子,据反馈关系可得到从式(2)、(3)和输出反馈得到,式(2a)可写成:
由式(4a),1a(k)称作积分元。同理式(2c)可写成:
由式(4b),3a(k)称作微分元。这样式(2b)、式(4a)和式(4b)就构成了比例、积分、微分控制器(PID)。
2.2 控制策略的实现及训练过程
闭环系统的输出误差为:
其中:uref(k)为参考电压输出;u(k)为控制输出电压值。在2L意义下,目标函数定义为:
它的权系经由学习和训练搜寻最优,使之对应控制系统达到要求的性能。采用梯度向量法,通过最小化E(k)升级权系因子。隐层权系因子升级:
对偏导作如下近似:
用梯度方法,偏导可用的符号函数代替。从而:
其中,ηi(k)为学习速率。
对于神经网络的训练算法,权系初始值的选取,必须要保证闭环系统的稳定性。
2.3 闭环系统的稳定性
定理1所有学习速率ηi(k)在第k步有相同值η(k),并且η(k)满足式(9)~(10),则如图2所示的闭环控制系统是稳定的。
若则
证明李雅普诺夫函数定义如下:
将其离散化为
根据图2的NNs结构,有
据式(8),式(13)可写为
记则式(14)可写为
设学习速率ηi(k)在第k步训练后有相同值,则有
记m(k)=l(k)e 2(k),则式(16)记为
由Δe(k)=e(k+1)-e(k),据式(16)和式(17),有
据李雅普诺夫稳定性定理,由式(18)能推断出ΔV(k)≤0成立的条件是η(k)满足式(9)、式(10)。
3 仿真结果
3.1 含风机的仿真结果
图3描述了两机系统接线图。该系统中G1,G2分别为发电机,节点1和3代表发电机末端点,节点4代表负荷,节点2连接一个SVC,节点5接地。G1为传统电源,发电机输出电压为13.8 k V;G2为容量为9 MW六台风力发电机组,风力发电机输出电压为575 V;电网电压500 k V,频率60 Hz,负荷为恒功率负荷,故障为在1.1 s时,节点4处发生短路,风速随机变化,其中风机测量的模型并不精确,这些环境不确定因素对不同的控制方法会产生不同影响。图4为不同控制方法对节点电压的不同表现。
G2由传统电源换为风机时,运行环境发生了变化,传统SVC控制效果并不好,不能适应环境的变化;而神经网络控制方法控制效果仍较理想,能快速适应环境的不确定性。
3.2 多机系统仿真分析
考虑多机系统,以8机EPRI-36节点系统为例验证文中所提方法。负荷为恒阻抗、恒电流、恒功率的静态负荷和动态负荷相结合;系统如图5所示。
在18、21节点装设有SVC。故障:在[0,0.1s]时间段24节点发生短路故障;节点50接有持续冲击负荷,用5区间段表示;节点19接有持续冲击负荷,用2区间段表示。采用本文提出的神经网络方法控制SVC,不同节点的电压表现情况如图6所示。
仿真结果显示,节点电压振动变化很小,维持在基本稳定状态,更不会产生大的震荡,对于持续的冲击负荷,控制方法能较好地维持电压稳定。
若采用传统的PI方法控制SVC,仿真结果显示节点电压振动幅度较大,且电压更低,应对持续冲击负荷的能力要比文中提出的神经网络方法要差。不同节点电压变化情况如图7所示。
4 总结
SVC控制系统 篇7
关键词：静止型动态无功补偿器,双机架轧机,互备,电网稳定
0引言
秦皇岛首秦金属材料有限公司4 300 mm宽厚板轧机生产线由粗轧机和精轧机组成,粗轧机用于开坯,精轧机轧制成品板材,特殊情况下精轧机可完成开坯及成品轧制［1］。2 架轧机传动电动机为西门子产品,并由西门子交交变频装置调速,电动机主回路由整流变压器供电。轧机在工作过程中负荷冲击大、起动制动频繁,产生大量高次谐波,使电网电压波形畸变,供电质量下降。为解决上述问题,在2 套轧机的35 k V供电母线上各装设1 套静止型动态无功补偿装置SVC ,轧制过程中SVC系统必须保证正常运行,才能保证电网安全［2］。日常生产过程中,一旦精轧SVC发生故障,轧机就无法正常工作,只能停轧,造成全厂停产。为最大限度保证生产顺利进行,缩短故障抢修时间,2013 年,笔者牵头成立攻关小组组织相关厂家技术人员对SVC系统进行改造,开发并实现了粗轧SVC为精轧SVC备用的功能。本文对SVC备用方案的软硬件改造进行描述,对改造后SVC系统备用功能的实现进行评估。运行结果表明,SVC系统备用改造方案的实施,大大缩短了故障抢修时间,保证了生产的正常进行,对同类轧钢生产线双机架轧机如何在1 套SVC系统故障情况下保证正常生产具有积极借鉴作用。
1问题描述
如图1 所示,双机架轧机由粗轧机、精轧机组成,由2 段35 k V母线单独供电,粗轧主电动机和粗轧SVC在I段35 k V母线,精轧主电动机和精轧SVC在II段35 k V母线,特殊情况下单段母线可同时带2 架轧机。粗轧机上下辊电动机由2 台12. 5 MW整流变压器供电,精轧机上下辊电动机由2 台14 MW整流变压器供电。SVC系统由TCR( 可控硅控制电抗器) 及HP3、HP5、HP7滤波通道组成,通过自动调节阀组可控硅触发角调节通过相控电抗器的感性电流,实现对供电系统的补偿［3］。2 段母线的SVC容量相同。正常情况下,2 套SVC单独运行,2 段35 k V母线处于分断状态。
该宽厚板生产线精轧机2006 年投产,粗轧机2010 年投产,2 套SVC系统与2 架轧机配套单独使用,互不干涉。投产以来,出现过多次精轧机SVC故障,为了保证供电系统稳定,均采用停机抢修办法,对生产影响很大。2011 年9 月,精轧SVC可控硅阀组烧毁,更换整个阀组用时12 h,造成轧钢厂停产12 h的重大事故。从工艺方面看,允许精轧机单机架生产,粗轧机可以暂时停轧,因此在精轧机SVC故障情况下,可以使用粗轧机SVC系统替代精轧机SVC系统,以保证生产顺行［4］。
2改造方案
改造前,对粗轧SVC采集轧机系统电压u1、负荷电流i1及TCR电流i2进行A /D转换,控制器计算负荷所需无功功率,并求出补偿导纳Bref1及TCR的触发角度,如图2 所示［5］。SVC及其控制算法可以快速跟踪负荷无功功率变化,具有很好的响应性。但由于其只采集了轧机系统负荷电流,对电网上其他无功负荷不作补偿,对系统进线侧的无功功率不能很好地跟踪治理,所以补偿范围相对单一,适应性不强。
CT—电流互感器;PT—电压互感器。
改造后,对粗轧SVC采集系统电压u、系统电流i及TCR电流i2进行A /D转换,由控制器计算系统所需无功功率,并求出补偿导纳Bref及TCR的触发角度,如图3 所示。SVC及其控制算法不但可以快速跟踪系统的无功变化,具有很好的系统响应性,而且由于其采集了系统的电流,可以对电网上的多个负荷进行补偿,所以补偿范围广、适应性强。
采用图3 所示的改造方案后,在精轧SVC出现故障时,为了最大限度缩短停机时间,就可由粗轧SVC为精轧主电动机进行应急无功补偿。主要操作步骤如下:
( 1) 分精轧SVC所有高压柜开关( 312、314、316 、318 ) ;
( 2 ) 分精轧主电动机高压柜开关( 308、310 ) ;
( 3) 分II段35 k V进线柜开关( 302) ;
( 4) 合I段和II段35 k V母线之间的母联柜开关( 300、300') ,由I段35 k V母线带I段和II段35 k V母线上的所有负荷;
( 5 ) 合精轧主电动机高压柜开关( 308、310 ) ;
( 6) 强制将粗轧主电动机作为辊道使用,不再轧制,由精轧主电动机单机架轧钢。
这样通过母线联接,就可实现粗轧SVC为精轧主电动机进行应急无功补偿的功能。
3改造实施
对粗轧SVC调节柜进行改造时,不但需要在控制软件中根据补偿电流计算粗轧SVC系统TCR触发角,而且需要增加一定的硬件设备。
3 . 1粗轧SVC TCR触发角计算
如图4 中所示,Uab、Ubc、Uca分别为电力系统线电压,Ia、Ib、Ic为相应的系统三相相电流。首先通过A /D采集三相电压的过零点作为TCR的触发信号,每60°有2 个采样点,这样将三相线电压与相电流经过两点法向量变换识别,得到以Uab为参考基准向量的夹角及有效值; 然后将系统三相电流按照对称分量法进行矩阵运算,求出无功补偿所需的补偿电流,为了改善控制精度及速度,在开环控制的基础上引入补偿电流的反馈计算,通过PI运算和线性化环节,得出最终的补偿电流［6］Iab、Ibc、Ica; 最后根据补偿电流和三线电压得到等效电纳,再通过查表得到对应的晶闸管触发角。
粗轧SVC系统TCR触发角具体计算步骤如下。
( 1) 计算系统电流、TCR电流与A相电压的夹角及其有效值。根据模拟采集量系统电流(Ia、Ib、Ic)、TCR电流(ITCR-a、ITCR-b、ITCR-c),由快速无功算法即两点法,分别计算模拟采集量对A相电压的夹角αa、αb、αc及其有效值Iam、Ibm、Icm。
上述式中: ω 为电流角频率; T为电流周期。
由上式推导可得:
由于是六脉冲触发,所以取 ωT = π /3,进而求得 αa、Iam。同理可求得 αb、αc、Ibm、Icm。
(2)计算补偿电流。首先计算A、B、C三相需要补偿的电流(实部和虚部),公式如下:
然后用A、B、C三相补偿电流乘以系数矩阵,得到最终的补偿电流Iab、Ibc、Ica。
( 3) 计算触发角。将Iab、Ibc、Ica峰值与Uab、Ubc、Uca峰值相除得到等效电纳,根据等效电纳与晶闸管触发角的关系,通过查表的方法得到对应的晶闸管触发角。
3 . 2硬件改造
如前所述,原SVC设备针对负荷补偿,采集负荷电流作为计算的依据。为了实现粗轧SVC系统应急补偿功能,需要采集系统电流作为计算依据,因此在粗轧SVC控制柜中需添加相应的硬件,如表1 所示。
在改造粗轧SVC控制柜的同时,将监控柜及保护装置进行升级。采用1套辽宁立德电力电子有限公司生产的监控设备,主要用于弥补原西门子监控柜在信号反馈方面的一些缺陷,更直观地反映设备的运行状态以及发生故障的原因,对快速排查故障隐患提供可靠依据。将原电流继电器保护装置升级为先进的微机保护装置,提高保护装置的可靠性,减少保护误动作造成的误跳闸。
4运行效果
2013 年7 月,利用轧钢厂检修机会,实施了粗轧SVC作为精轧SVC备用设备的改造。软硬件改造完成后,首先进行空载实验,即退出精轧SVC设备及II段35 k V所有设备,合母联开关,粗轧SVC设备投运,由I段35 k V进线带全负荷,空载试车正常。之后,用同样的顺序进行热负荷试车,连续轧钢2. 5 h,设备运行正常,试车结束后恢复原运行方式。
自2013 年7 月改造试车完成至2015 年5月,精轧SVC共出现过3 次故障,按照替代方案立即进行倒路切换,由粗轧SVC带精轧机轧钢,每次切换只用时0. 5 h,合计停产时间1. 5 h; 而改造前离线处理3 次SVC故障,合计需要用时22 . 5 h。相比之下,共节省停产时间21 h,不仅保证了轧钢正常生产,而且降低了故障停车时间。