动态无功补偿控制

动态无功补偿控制（精选7篇）

动态无功补偿控制 篇1

摘要：提出了一套考虑快速动态无功补偿装置(如静止无功补偿器/静止同步补偿器(SVC/STATCOM))的二级电压控制体系,致力于在稳态电压控制和暂态电压稳定中充分发挥SVC/STATCOM快速动态无功补偿的优势,其包含两个相对解耦独立的控制阶段:第1阶段将SVC/STATCOM与传统无功调节设备统一纳入协调二级电压控制模型,充分利用SVC/STATCOM的快速调节特性,并防止反调;第2阶段建立二次规划模型进行动态无功储备的优化控制,利用慢速动态无功补偿装置置换出SVC/STATCOM的无功功率,提高电网动态无功储备水平。通过时序和空间上的相互协调,充分发挥各类无功补偿装置在二级电压控制和暂态电压稳定预防控制中的作用。Nordic系统的算例测试结果证明,该体系能够有效提高传统二级电压控制的响应速度,避免SVC/STATCOM与传统电压控制装置间的反调现象;同时,能够有效地进行暂态电压稳定的预防控制,提高扰动后的系统电压的恢复效果。

关键词：动态无功补偿装置,二级电压控制,自动电压控制,无功置换

0引言

随着国民经济的快速发展,用电负荷快速增加,电网负荷中心地区的电压稳定问题日益得到关注。尤其在西电东送大背景下,大量功率通过远距离直流/交流输电线路馈入负荷中心,一旦电网发生扰动,很可能诱发暂态电压失稳问题。如何提高电压稳定水平已成为当前电力系统运行面临的重要挑战之一[1,2,3,4,5,6,7]。

快速合理地进行无功补偿是应对这一挑战的重要手段[8,9,10,11,12,13]。常用的无功补偿装置有发电机、电容电抗器,以及静止 无功补偿 器/静止同步 补偿器(SVC/STATCOM)等柔性直 流输电 (FACTS)器件。发电机作为一种传统的无功补偿装置,可以通过控制励磁系统连续地发出或者吸收无功功率,但其响应速度相对SVC/STATCOM来说较慢,是一种慢速动态无功补偿装置,直流励磁系统和交流励磁系统的响应速度一般在100ms以上,响应速度较快的静止励磁系统最快也只能达到几十毫秒,并由于其自身特点,大部分只布置于水轮发电机[14]。相对于传统的无功补偿装置,以电力电子技术为核心的SVC/STATCOM等FACTS器件具有突出的控制快速性和连续调节平滑性,能够显著改善系统的电压稳定 性。SVC的响应速 度一般都 仅在20~40ms,STATCOM则具有更 快速的响 应速度[15]。因此,SVC/STATCOM等快速动态无功补偿装置得到了越来越广泛的应用。

为保证电网安全和经济运行,并且遵循无功分层分区就地平衡 的基本原 则,协调二级 电压控制(CSVC)是分区域进行的,同一区域内的节点耦合紧密,不同区域间的节点耦合松散,一方面保证了良好的就地快速补偿控制,更为重要的是从系统层面对广泛分布的无功补偿装置进行协调控制,目前被认为是改善电压运行水平和提高电压稳定裕度的有效手段[16,17,18,19]。CSVC通过在分区内的控制中心求解多目标优化模型,保证控制区域内的中枢节点电压值保持在三级电压控制给出的设定值附近,利用多余的控制自由度实现对无功功率分布的调整,提高电压稳定裕度[20,21,22]。但是,现阶段CSVC主要是以发电机和电容电抗器等传统调节装置为主,较少将SVC/STATCOM纳入控制体系。

在CSVC中考虑SVC/STATCOM等快速动态无功补偿装置主要面临以下两大挑战:1稳态情况下,如何充分利用SVC/STATCOM的快速控制作用;2扰动情况下,如何充分发挥快速动态无功补偿装置的支撑作用。针对上述问题,本文提出了一种考虑快速无功补偿装置的协调二级电压控制(DCSVC)体系,具有以下特点。

1)稳态情况 下,能够协调 考虑SVC/STATCOM控制,充分利用快速调节装置提高二级电压控制的响应速度。

2)实现对动态无功储备的优化分配,在保证电压合格、优质的前提下,利用慢速动态无功补偿装置置换出快速动态无功补偿装置的无功补偿容量,尽可能使得SVC/STATCOM保持无功 储备最大 的运行状态,从而保证一旦发生扰动,快速动态无功补偿装置能发挥快速支撑作用,实现预防控制。

1体系结构

为了遵循无功分层分区就地平衡的基本原则,D-CSVC也是在分区内进行的,区域内部节点联系紧密,区域间耦合程度低,前人已经提出较多且较成熟的分区方法[23,24,25,26,27]。

如引言所述,D-CSVC具有两大目标,一是稳态时快速的电压控制性能,二是为应对潜在扰动,通过动态无功储备优化实现预防控制。考虑到这两个目标具有不同优先 级和时序 上的解耦 性,本文将DCSVC设计为相对独立的两个控制阶段,通过对两阶段在时序和空间上进行相互协调,充分发挥各类无功补偿装置在各阶段中的作用。其中,第1阶段为考虑快速动态无功补偿装置的协调二级电压控制(DRPR-CSVC),第2阶段为动态无功储备优化控制(DRPROC),即追求动态无功储备最优化的快、慢无功补偿设备间的无功置换。

D-CSVC主要侧重于 快速动态 无功补偿 设备(SVC/STATCOM)与慢速动态无 功补偿设 备 (发电机)的控制协调,而没有加入对于电容电抗器和有载调压分接头等离散控制器件的控制协调,是因为已有人在三级电压控制体系中研究了连续变量与离散变量的协调方法,即对于厂站内部和厂站之间的连续设备(发电机等)及离散设备(电容器、电抗器、有载调压分 接头等)进行协调 的方法研 究[28,29],SVC/STATCOM可以采用类似的方法与传统离散设备进行协调,所以本文的研究侧重于二级电压控制中新增加的连续变量(SVC/STATCOM)与传统的连续变量间(SVC/STATCOM与发电机间)的无功协调分配。

图1为整个D-CSVC体系中的两个阶段在时序上的协调图。图中:T0至T1及T1到T2均为一个完整的D-CSVC过程。首先进 行DRPR-CSVC计算,将计算出的二级电压控制策略结果指令下发至各动态无功补偿装置,继而进行DRPROC阶段。在DRPROC阶段中,根据DRPROC中SVC的无功功率目标设定值和无功功率上下限值设定出无功储备值不足的上下限门槛 值,作为DRPROC的启动判据。在DRPROC阶段中,首先将系统中的当前SVC无功储备量与门槛值比较,判断当前各动态无功补偿装置是 否需要进 行DRPROC:如果不需要,则直接等待进入下一个D-CSVC过程;如果需要,则启动DRPROC计算,即快、慢无功补偿装置的无功置换优化计算并进行DRPROC策略下发。之后进行DRPROC结果校核,如果判定本轮所有DRPROC结果均满足动态无功储备控制策略,则完成本次D-CSVC过程,进入下一个D-CSVC过程;如果判定DRPROC结果不满足要求,还需要继续进行下一次DRPROC计算,直至所有DRPROC结果均满足要求。

D-CSVC在空间上包括装置级与系统级的两层式架构,DRPR-CSVC阶段和DRPROC阶段的决策过程都在系统级进行,装置级为具体执行控制决策的各种无功补偿装置,两级之间存在数据交互,具体空间上的协调模式如图2所示。图中:SVG表示动态无功补偿器。

装置级将由SVC/STATCOM确定的时 变的无功控制约束条件上送给系统级。此无功控制约束条件时变的原 因是SVC/STATCOM在运行中 必须考虑谐波抑制等作用,故其容性支路的可调范围随着运行状态不同而实时变化。

系统级内部在进行DRPR-CSVC之后,将控制后的中枢节 点的实际 电压值发 送给DRPROC阶段,供其做无功置换时优化计算的约束条件使用。系统级的两个控制阶段的输出结果都为装置级发电机、SVC和STATCOM等装置的电压调整量,下发至装置级。

2DRPR-CSVC模型

如果在CSVC中未能考虑对SVC/STATCOM的协调,那么利用发电机无功功率对无功电压分布所进行的控制将引发快速动态无功补偿装置的“反调现象”,导致不合理的无功功率分配。因此,有必要将SVC/STATCOM与发电机 一起纳入CSVC模型进行协调控制。

类似于文献[20-22],本文也采用二次规划模型来完成CSVC,如式(1)至式(6)所示。

定义发电机无功裕度矢量Θg,其第i个分量为:

定义SVC无功裕度矢量Θs,其第i个分量为:

式(1)至式(8)中的变量说明见附录A表A1。目标函数(式(1))中,根据较常用的定电压控制,选取ΔVg和ΔVs作为优化变量。Qsmin和Qsmax是站级SVC/STATCOM根据谐波抑制要求实时确定并上传的,而Qgmin和Qgmax也是综合考虑了发电机功率圆图的时变约束。

目标函数的第1项表示控制后中枢节点电压与设定值之间的偏差尽可能小;第2项表示控制后发电机无功功率比例和控制后SVC无功功率比例,该比例越小,说明该发电机或者SVC的无功裕度越大,而以平方和的形式出现在目标函数中,将促使各台发电机和SVC向无功功 率更均衡 的方向发展[12]。取第1项权重Wp大于第2项权重Wq,保证优先使得控制后中枢节点电压达到设定值。

式(2)保证了控制后不会导致Vp产生越限,对于其他一些比较重要的母线电压也可以类似地添加到约束条件中,式(3)和式(4)分别保证了控制后发电机和SVC的无功功率不会越限,为了防止控制操作对电网造成过大的波动,式(5)和式(6)则对每一步控制中的控制步长有严格的限制。

本文利用起作用集算法(activesetmethod)来求解这个二次规划问题,得到ΔVg和ΔVs后,作为控制策略下发。

3DRPROC阶段模型

DRPROC是保证在电压合格、优质的前提下进行的快、慢无功补偿装置间的无功置换,能够使得在扰动发生后,快速动态无功补偿装置可以最大限度地补偿无功功率,提高扰动后的系统电压的恢复效果,实现暂态电压稳定的预防控制。

本文构建了二次规划的数学模型对DRPROC问题进行描述。二次规划的数学模型为:

式中:μs为SVC/STATCOM的无功功率矢量,表征其置换后无功功率偏离设定值的大小;μg为发电机的无功功率矢量,表征置换后发电机的出力偏离总发电机无功功率平均值的值;Qrsieference为各台SVC的最优动态无功储备的设定值,一般情况Qrsieference取值为SVC出力的中间位置,即为 (Qsmiax+Qsmiin)/2,但是也可以根据电网中的实际情况略做调整,比如在可能大量缺无功功率的地点,即可能发生严重故障的节点附近,设定的最优动态无功储备值可以取SVC出力中间偏小的位置,使得发生严重故障的时候此台SVC可以补偿更多的无功功率;Qagver为当前时刻发电机总无功功率平均值;Qsgum为当前时刻发电机总无功功率和;Ws和Wg分别为两部分的权重矢量。

以发电机和SVC/STATCOM的电压调 节量ΔVg 和ΔVs作为优化变量。目标函数的第1项使得SVC/STATCOM等快速动 态无功补 偿装置趋向于设定值;第2项加入了各台发电机的均衡出力的考虑,求发电机无功功率矢量的最小值,即希望各台发电机优化均衡出力。取第1项权重Ws大于第2项权重Wg,保证优先调整SVC/STATCOM的无功补偿裕度。

式(9)第1个约束表征控制后中枢节点的电压维持在限定范围内。其中,Vband参考中枢节点控制死区要求设定,保证在控制过程中始终将中枢节点控制在死区范围之内。根据实际电网经验数据,一般220kV电压等级的死区为0.5~0.8kV,500kV电压等级的死区为0.8~1.0kV,故本文取死区标幺值为0.001。所以Vp+Vband 与Vp-Vband两个值非常贴近,几乎将置换后的中枢节点固定在一个值附近不变,这个值是从二级电压控制之后获得的,是二级电压控制完成之后中枢节点的实际电压。

求解该二次规划模型,得到发电机和SVC的电压调节量ΔVg和ΔVs进行控制。

4算例分析

本文利用Nordic测试系统验证本文提出的DCSVC体系的控制效果。Nordic测试系统见附录A图A1,共包含20台发电机、5台SVC、74条母线、102条支路,共9个分区。算例选择在分区一内展示算法效果,分区一内 共有3台发电机,分别为g14,g15和g16;共3台SVC,分别为s4043,s4045和s4046;节点4043为该分区内的中枢节点。

系统中SVC的控制模型如图3[30]所示,具体参数选择如下:Kp=0,Ki=100,Bp=0.03,Bmax=1,Bmin=-1。图中:V和Vo分别为SVC连接节点电压及其参考值;B为SVC输出电纳值。

4.1DRPR-CSVC的电压控制效果

利用本文的 方法将分 区内的3台SVC纳入DRPR-CSVC中,DRPR-CSVC每2s将计算出的二级电压控制策略结果指令下发至SVC与发电机的控制端。

图4所示为含/不含SVC加入二级电压控制情况下中枢节点4043的电压控制效果对比图。可以看出,相对于不 含SVC的二级电 压控制,DRPRCSVC中枢节点电压更加快速地达到控制目标值。

为进一步 展示含SVC的二级电 压控制效果,图5和图6分别给出了含/不含SVC的二级电压控制下,s4043无功功率和g14无功功率对比图。可以看出,由于SVC的快速本地控制作用,若不把SVC纳入二级电压控制统一调控,在发电机对中枢节点电压偏差进行加无功功率控制的同时,SVC将出现“反调”,无功功率反而在减小。而将SVC纳入二级电压控制统一调控后,SVC与发电机将一起对中枢节点的电压进行加出力调控。图6也说明了在没有将SVC纳入二级电压控制的情况下,发电机需要输出更多的无功功率才能将中枢节点电压控制在目标值。

对比图5中的SVC无功功率与图6中的发电机无功功率变化趋势,可以看出发电机和SVC无功功率的不同特点。发电机每一步的无功功率变化较缓慢,呈缓坡状,而SVC每一步的无功功率改变则较快速,呈台阶状。因此,在图4中也可以看出含SVC的二级电压控制下中枢节点电压每一步恢复也较快速。

综上所述,本文提出的含SVC的二级电压控制能够有效提高对中枢节点电压的控制速度,并解决可能出现的SVC反调现象。

4.2DRPROC过程的效果

图7所示为进行DRPROC,即SVC与发电机间无功置换的过程中各台SVC无功功率的变化情况。由于算例系统中的SVC最大出力和最小出力的绝对值相同,故根据一般情况下动态无功储备设定值的定义,设定值取为出力最大和最小值的平均值,所以此处SVC最优无功储备设定为0。从置换后SVC出力结果可以看出,3台SVC的出力均贴近0,达到了控制的设定目标。

置换前后s4043,s4045,s4046的无功功率分别为41.55,10.10,8.96 Mvar和1.60,0.28,0.20 Mvar。可以看出,3台SVC通过置换后,动态无功储备增多,增加58.53 Mvar。相应地,置换前后发电 机总无功 功率分别 为788.21 Mvar和849.57Mvar。可以看出,发电机为 了置换出SVC的无功功率,其总功率 相比较置 换前有所 增加,增加量为61.36 Mvar。

综上可见,通过SVC与发电机 的无功置 换过程,能够有效提高SVC的无功储备。

4.3DRPROC后的扰动电压恢复效果对比

进行DRPROC的目的在于对未来可能发生的各种扰动的预防控制,同时将快速的动态无功补偿装置留出较大的无功储备,以期提高系统的暂态电压稳定性。

4.3.1算例1

10s时刻,线路4042-4043发生短路接地故障,闭锁1s后线路切除,以此作为电网扰动来观察无功置换后系统的暂态电压稳定性的提升效果。

图8和图9所示分别为电网发生扰动后有/无无功置换情况下故障点附近的s4043无功功率对比及g14无功功率对比。结果显示,在没有进行无功置换的情况下,直流闭锁后s4043无功功率直接饱和,很难对系统进行快速无功补偿,需要g14缓慢地多输出无功以对故障进行无功补偿;而在进行过无功置换的情况下,s4043可以快速充分地进行无功功率补偿,系统对g14的慢速无功补偿需求相对较少。

图10所示为电网发生扰动后有/无无功置换情况下故障点附近的母线4042电压值对比。可知,在进行无功置换的情况下,即SVC充分补偿、发电机少出力的模式下,电压恢复效果较好,第1摆的电压恢复值高,且振荡小,更快速地趋于稳定。这是由于SVC的控制速度较发电机快,能够更加快速地进行电压控制。

4.3.2算例2

10s时刻,线路4021-4042发生断线 故障。图11和图12所示分别 为系统发 生断线故 障后,有/无无功置换情况下母线4042电压值对比和s4043无功功率值对比。

由图11可见,在有无功置换的情况下,电压的恢复效果明显好于未置换的情况,电压跌落较小,且恢复速度较快。图12展示了故障后有无功置换情况下电压恢复效果较好原因:如果没有无功置换,故障后SVC出力很快饱和,无法进行快速的无功补偿,而有无功置换情况下,SVC可以快速充分地对故障进行无功补偿,故障后的电压恢复效果较好。

综上所述,考虑无功置换的预防控制能够有效提高SVC等快速无功补偿装置的无功储备,提高系统发生故障情况下的快速无功补偿能力,有效提升故障后电压恢复效果。

5结语

本文提出了 一套考虑SVC/STATCOM等快速响应的无功补偿装置的D-CSVC。利用快速动态无功补偿装置更加快速地对系统电压进行控制,避免了SVC/STATCOM与传统电 压控制装 置间的反调现象,并且进行动态无功储备的优化控制,提高了扰动后的系统电压的恢复效果,能够有效进行动态电压稳定的预防控制。

后续,将继续深入研究SVC的最优动态无功储备值的评估,并据此进 一步研究 确定更为 准确的DRPROC的启动判据。

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

动态无功补偿控制 篇2

随着电力电子技术的广泛应用, 电力线路、电力变压器以及用户的用电设备, 构成了电力系统的无功负荷。系统运行中, 大量的无功功率严重降低了系统的功率因数, 增大了线路的电压损失和电能损耗, 严重影响着能源、制造等领域的经济效益[1,2]。无功优化补偿可以提高整个供、配、用电系统的功率因数, 不仅能提高供电设备的供电能力, 而且可以降低电力系统的电压损失, 减少电压波动, 改善电能质量, 降低损耗, 从而节省电能, 提高企业的经济效益。本文设计了一种基于脉宽调制 (pulse width modulation, PWM) 技术的动态无功补偿装置, 并对该装置的有效性进行了检验。

1 静止无功发生器工作原理及基本调节特性

1.1 工作原理

静止无功发生器 (static var generator, SVG) 的核心是三相大功率电压逆变器, 它的输出电压经过电抗器或者变压器接入到系统中去, 和系统侧的电压保持同相、同频[3], 输出功率的性质与容量由三相逆变器输出电压幅值与系统电压幅值的调节关系来确定, 当幅值小于系统侧电压幅值时吸收感性无功功率, 反之则输出感性无功功率。SVG是继电容器补偿、磁控电抗器 (magnetically controlled reactor, MCR) 型静止无功补偿 (static var compensation, SVC) 和晶闸管控制电抗器 (thyristorcontrolled reactor, TCR) 型SVC之后的第3代动态无功补偿技术。

SVG装置的工作原理是把自换相桥式电路通过电抗器与电网并联, 直接控制其交流侧电流或者适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位就可以吸收或输送满足要求的无功电流, 从而动态地实现无功补偿。

1.2 基本调节特性

SVG等效电路如图1所示[4]。

在图1所示的等效电路中, 把逆变器中的损耗全部归算到电阻R中, 设:

式中φ为待检测电压、电流的相位差。

系统注入SVG的电流为:

注入逆变器的视在功率为:

式中:

式中δ为Us与Ui的相角。

因逆变器的损耗集中在R中, 故有Pi=0, 则:

将公式 (6) 代入公式 (8) , 可得:

同理可得:

分析可知, 通过调节逆变器的控制角便可以调整相对于Ui的相角δ, 改变输入电压Ui, 从而使逆变器无功功率输出改变, 控制效果灵敏。

2 硬件设计

本文设计的基于PWM控制的动态无功补偿装置的硬件电路采用电压电流双环控制策略实现SVG的无功补偿功能。基于PWM控制的动态无功补偿装置的总体控制框图如图2 a) 所示。系统SVG主电路中的逆变器在控制电路产生PWM控制信号的作用下, 可以从供电电源中吸收无功, 也可以向供电系统中提供无功[5]。SVG主电路如图2 b) 所示, 由6个绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor, IGBT) 模块和直流侧电容组成。采用电压电流双环控制策略, 引入SVG逆变器直流侧电容电压反馈来维持电容电压平衡, 其反馈量产生有功补偿电流指令。采用瞬时无功功率理论检测电源电流中的无功电流分量并产生无功电流补偿指令[6]。将有功和无功电流补偿指令一起作为补偿电流的参考值, 引入SVG的补偿电流构成电流环, 最后产生SVG逆变器的驱动信号。在控制器的选择上, 本装置采用TI公司的DSP控制芯片TMS320F2812, 该芯片具有6路PWM控制电路, 内部集成的高速高精度A/D转换器可以完成系统各种参数的检测, 其150 MHz的时钟频率和32位的字长可以保证系统的实时性要求。

3 实验研究

实验用TMS320F2812DSP开发板作为核心控制器, 外围电路包括三相整流桥、IPM模块、电源模块、传感器模块、滤波电容电路, 使用示波器作为实验观测工具, 先进行电压开环的实验, 不用执行电压闭环调节器的程序, 在主程序中设定电压的初相和调制度。其次, 进行电压电流的双闭环实验, 验证本文采用此策略的正确性。

3.1 电压开环

主电路的参数为:开关频率6 k Hz, 电感6 m H, 交流电源线电压220 V, 电阻0.5Ω, 直流侧滤波电容940μF。

开环三相PWM整流器 (VSR) 的波形如图3所示。图中m代表调制度, ξ是阻尼比, 波形1为直流侧输出电压, 波形2为A相交流电源电压, 波形3为A相交流电流。

在图3 a) 中, 实验得到的直流侧输出电压为490 V、φ为28°, 其理论值分别为491 V、30°, 二者基本相符合;在图3b) 中, 实验得到的直流侧输出电压为449V、φ为6°, 其理论值分别为452V、6.4°, 二者基本相符合。

3.2 电流电压双闭环

电路参数为:开关频率6 k Hz, 电感6 m H, 直流侧输出电压设定值Udc为400 V。闭环时三相PWM整流器 (VSR) 波形如图4所示, 其中:波形1为直流侧输出电压, 直流侧电压为402.6 V, 波形2为A相交流电源电压, 波形3为A相交流电流。

由图4可见直流电压输出平稳, A相的电压和电流的相位基本相同。A相的电流谐波很小, 电流的波形平滑, 稳态性能较好。

4 结语

本文通过阐述SVG基本原理及调节特性, 利用先进PWM技术设计电路应用到SVG中, 通过实验可知, 其动态跟踪性能好, 谐波电流小, 控制灵活, 稳定性高, 节约能源。在实验过程中所需要的电源的相位角检测根据交流电源的同步信号, 通过DSP编程软件锁相环, 取代复杂的硬件锁相环, 简单易行, 完全可以满足现代用电系统的具体要求[7]。

参考文献

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社, 2006.

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[4]黄明.基于DSP的动态无功补偿装置的研究设计[J].煤炭工程, 2011 (4) :119-121.

[5]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[6]张兴.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥:合肥工业大学, 2003.

动态无功补偿控制 篇3

目前, 低压TSC无功补偿装置已在电力系统中得到了广泛的应用, 并且取得了良好的社会效益和经济效益。TSC具有反应时间短、运行可靠、分相调节, 能平衡有功和适用范围广等优点, 而且TSC还有很大的灵活性, 占地面积相对小, 产生的高次谐波和噪声也较小[1]。

低压动态无功补偿控制器的设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。传统的单片机作为控制器的系统由于受硬件资源与速度的限制, 采样精度不高, 每周波的采样点较少, 只能选择计算量较小的算法, 限制了测量的精度和补偿效果。

本研究采用低功耗、高性能的32位定点TMS320-LF2812A系列DSP与80C51结合的双CPU结构, 使信号采集、人机接口、数据处理和控制都集于一个平台, 且DSP搭载不同的软件就可实现不同的功能[2,3]。

1 系统基本原理和硬件总框图

TSC无功补偿装置的控制器硬件电路主要由检测、控制、执行以及电源四部分组成[4]。系统硬件框图如图1所示。电网的电压经电压互感器, 电流经电流互感器接入信号调理电路, 信号调理部分将它们转变为小幅值的电压信号 (≤3.3 V) 送到采样芯片A/D。DSP通过采样、分析、计算各相参数, 并根据结果, 结合投切策略, 自动控制FPGA进行晶闸管投切电容器组, 再将计算结果送到双口RAM。同时, DSP还负责电容器的保护控制。单片机80C51负责将计算结果送到液晶显示器, 同时扫描键盘。EEPROM记录控制器重要参数的变动。两个CPU之间通过双口RAM进行数据的传送。

(1) 中央控制单元。

本研究采用TI公司生产的TMS320LF2812A作为总控制器, 其指令速度很快, 达到100 MIP, 适合于处理数据多、运算量大的系统, 同时具有强大的控制功能。使用TMS320LF2812A作内核带电力监测的低压智能无功补偿装置能更好的满足实时性和精确性的要求[5]。

(2) A/D采样模块。

TSC无功补偿装置需要采集的数据包括三相线路的电压、电流共6个量 (对于每条输电线路) 。本控制装置采用ADS7864作为采样芯片, TMS320-2812作为数据采集控制与分析器件。它们的接口示意图如图2所示。

(3) 通讯及人机对话模块。

键盘是用来设置控制参数的, 可以选择手动或自动运行方式。本系统设计的按键只有4个, 采用1个键对应1条输入位线的接法, 4个键分别对应增加、减少、确定、返回4个功能, 通过这4个按键的组合, 基本实现了菜单的操作、参数的输入和输出等功能。

液晶选用FYD12864-0420B型液晶屏幕作为显示屏, 其具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式。利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令, 可构成全中文人机交互图形界面。液晶与MCU接线采用直接接口方式, 如图3所示。

2 软件系统设计

本研究阐述的无功补偿控制器微处理器的编程语言采用C语言, 程序采取模块化的设计。DSP2812处理器使用Code Composer Studio 2000集成调试环境, AT89X52处理器使用VW调试环境, Keil-C进行编译调试。

软件的总体流程图如图4所示。控制系统上电后首先进行复位、自检、初始化等工作, 在电网中采集到瞬时三相的电压和电流数据后, 经DSP处理计算出电网电压、负荷电流、功率因数、无功功率、有功功率等参数。基于这些计算参数, 控制系统选择合适的投切方案。

控制系统定时地将电网电压、负荷电流、功率因数、无功功率、有功功率和电容投切状态等参数输送给51单片机以供显示, 同时根据现场的实际情况可以通过键盘设置参数控制电容器的投切。

投切控制软件流程图如图5所示。

本研究中的控制投切算法主要任务是利用数据采集软件的计算结果, 挑选出合理的补偿方案。经过反复实践研究, 笔者总结了几点补偿方案的选取原则:

(1) 满足电压要求, 电压超过设定上限, 则选择切除电容;

(2) 满足负载有功要求, 有功小于设定下限 (轻载) 时, 则闭锁投切;

(3) 满足无功不倒送原则, 发生倒送时, 选择切除电容器;

(4) 满足0.95

(5) 如发生反复投切一组电容器的现象 (投切振荡) , 闭锁投切程序5 min[6]。

3 实际试验

3.1 调试平台说明

为了验证新型TSC控制器的实际补偿效果, 笔者根据实际负载特点, 设计了一个调试平台, 其结构原理图如图6所示。该调试平台分为3部分, 分别是负载电路、主电路和控制系统[7,8], 下面对负载电路和主电路的器件参数和电气接线作一下简单介绍。

(1) 负载电路。

三相电炉丝:采用Y形接法, 额定电压220 V下, 额定功率3×1 500 W;

三相电感:采用Δ接法, 额定电压380 V, 额定容量21 kvar;

调压器:调压范围0～430 V, 二次端直接和三相电感直接相连, 客观上可以连续调节感性负载输出范围为0～20 kvar。

(2) 主电路。

电容器:采用Δ接法, 补偿容量按照4 ∶4 ∶2 ∶1分配, 电容大小分别为30 μF、30 μF、15 μF和8 μF。可以达到12级的电容器容量输出, 在230 V工作电压下, 可以实现容量分别是0、1 205、2 260、3 466、4 521、5 727、6 782、7 988、9 043、10 249、11 304、12 510 var;

串联电抗器:按照对应支路电容器6%的阻抗配置;

晶闸管:按照内三角形接法。

3.2 实际投切试验

如表1所示, 在4次投切实验中, 把电炉丝全部投入作为负载有功。其中, 电炉丝的额定容量为4 500 W, 由于实验环境电压为232 V, 所以电炉总容量约为5 000 W。

无功的变化主要通过调节调压器的变比来调节, 这里选择了2 000 W左右一档来增加无功。随着无功的增加, 功率因数不断降低。

第一次试验, 在启动TSC控制器后, 控制器经过计算和分析后投入电容器1组1 205 var, 此时无功变成956 var, 实际补偿了2 145-956=1 189 var, 基本与投入的电容器容量1 205 var一致, 功率因数变为0.982, 功率因数符合电网要求。

第二次投入电容器3组3 246 var, 此时无功变成827 var, 实际补偿了4 078-827=3 251 var, 基本与投入的电容器理论容量3 246 var一致, 功率因数变为0.987, 功率因数符合电网要求。

第三次投入电容器5组5 727 var, 此时无功变成956 var, 实际补偿了6 240-956=5 284 var, 功率因数变为0.970。实际补偿容量与投入的理论电容量5 727 var有一定差别。主要原因是无功补偿的投切计算是基于对于基波电流来说, 由于此时电流含有较大的谐波含量, 投入的理论无功容量会与实际补偿容量会有一定的差距。

第四次投入电容器7组7 988 var, 此时无功变成1 668 var, 实际补偿了8 270-1 668=6 602 var, 功率因数变为0.955。实际补偿容量也与投入的理论电容量7 988 var有一定差距。其主要原因是无功补偿的投切计算是基于基波电流来说的, 由于此时电流含有较大的谐波含量, 投入的理论无功容量会与实际补偿容量有一定的差距。

该无功补偿控制器的实际测试结果为:性能稳定, 运行良好。电网参数测量准确, 电容器投切正确, 能够满足低压无功补偿的要求。

4 结束语

为了满足电力系统对实时性更高的要求, 本研究提出了采用DSP进行控制的动态无功补偿控制器, 并进行了系统软、硬件设计。采用DSP2812测量电网参数的无功补偿控制器, 简化了电路, 同时精减了软件的设计, 保证了系统的稳定性及抗干扰性。

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动态无功补偿控制 篇4

介绍了一种基于电磁耦合装置和低压晶闸管动态无功补偿系统的高压无功补偿方案,该方案摆脱了将电容器组直接投入高压系统的思路约束,利用低压晶闸管动态无功补偿系统技术,结合电磁耦合方式实现10 k V高压动态无功补偿。本文主要研究了适用于该高压无功补偿装置的控制器的设计,分别介绍了控制器如何实现电网参数采样计算和电容投切控制等功能,最后用实验结果证明了该控制器的可行性。

1 高压无功补偿系统工作原理

利用低压晶闸管动态无功补偿系统,采用电磁耦合方式实现10 kV高压动态无功补偿装置,如图1所示。该装置由2大部分组成:一部分为主电路,包括电磁耦合系统、晶闸管投切开关、补偿电容器(9路共补电容器和3路分补电容器);另一部分为控制系统,即控制器。该装置的基本工作原理如下:首先将10 k V等级的电压、电流信号通过电压、电流互感器转化成100 V/5 A等级的电压、电流,再将100 V/5 A等级的电压、电流送至控制器进行采样处理,控制器计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数,然后根据设定目标值产生投切控制信号,驱动晶闸管投切电容器,在低压侧产生的容性无功功率通过电磁耦合系统耦合到高压电网侧,从而达到高压无功补偿的目的。

与现有10 kV晶闸管动态无功补偿系统相比,该装置的特点是可靠性高,由于高压侧无需采用多个晶闸管的串联,因此避免了由于晶闸管串联均压失败而导致的事故,使高压无功补偿系统的可靠性达到了低压无功补偿系统的水平。

所设计的高压动态无功补偿装置控制器选用TMS320系列DSP控制芯片TMS320LF2407A为核心控制器。该芯片专门为实时信号处理而设计,集高速运算处理能力和丰富的片内外设于一身,特别适用于高性能数字控制系统,能够满足动态无功补偿控制的实时检测和处理的要求[4,5],使控制器具有高精度、高可靠性、功能结构模块化和低成本等优点。

控制器首先将高压交流信号转化为DSP芯片能够识别的低电压交流信号;然后将转换得到的低电压交流信号送至采样计算控制电路,采用软硬件相结合的方法实时同步采样电压和电流,并使用快速傅里叶算法和均方根算法计算得到基波电压有效值、基波电流有效值等电量参数,最后分析计算得到应补偿容性无功功率大小,进而对电容组电容进行投切,实现电网无功功率的动态补偿。

2 电网信号采样及计算原理

高压动态无功补偿装置控制器要采样100 V/5 A等级的三相电压、电流信号,必须先将100 V/5 A等级的交流信号转换为能被DSP芯片识别的0~3.3 V的模拟信号,然后送至DSP芯片进行采样处理。由于控制器要完成对三相电压、电流信号的6路采样,故需要6路电压信号调整电路,实现对6路低压信号的电压调整[6]。

为了实现对电网电压、电流实时同步采样,本文采用的是硬件原理简单的软件同步采样[7]:先由硬件测出被测信号的周期T,然后将周期N等分,则采样间隔为Δt=T/N,其中N为1个周期内的采样点数,由此确定定时器的计数值Δt,用定时中断方式实现对被测信号同步采样。基于上述原理,本控制器采用NE555芯片构造的测频电路[6],该电路将电网的正弦波信号转换为同频率的方波信号,然后利用DSP内部事件管理器(EVA)的捕获功能来测量电网频率,最终实现对三相电压、电流逐个周期的等间隔时间采样。该方法的优点是无需硬件同步电路,结构简单,结果准确。

本文研制的控制器采用均方根算法和快速傅里叶算法对各个电量参数进行计算[8]。均方根算法根据连续周期交流信号的有效值及平均功率的定义,将连续信号离散化,用数值积分代替连续积分,得到有效值或平均值离散化的表达式。快速傅里叶算法是离散傅氏变换的快速算法,它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性,对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的,特别适合计算电网电压、电流基波及其各次谐波的有效值。下面简单介绍算法的原理。

连续周期电流信号的有效值计算公式为

其中,i(t)为电流瞬时值,T为交流信号周期。

将连续信号离散化,得:

其中,ik为各个采样点的值,N为一个周期内的采样点数,Ki为电流采样硬件通道系数。

根据式(2),使用均方根求取交流参数时必须取1个整周期的波形计算,否则会产生误差[9,10,11]。

对于连续时间函数f(t),其傅里叶级数的三角级数形式为

其中,为周期函数的角频率,h为谐波次数,

对于采样所得到的离散时间序列将ah和bh表达式离散化,可得:

本文只需要计算基波电量参数,故基波信号有效值及其相角分别为

将各个采样点值代入上述公式可得到基波电压有效值及其相角为

其中,Ku为电压采样硬件通道系数。

同理可得基波电流有效值及其相角为

由此可以进一步得到相位差、有功功率、无功功率和谐波畸变率等参数:

按照上述公式便可计算得到所需的各个电量参数。

3 投切电容控制

考虑到电网三相无功功率不平衡,本文研制的控制器需实现三相共补与分补投切控制[12],以无功功率作为投切电容的计算依据,以设定的功率因数作为约束条件,过压、欠压、谐波畸变和小电流保护相配合,即在过压、欠压、谐波畸变和小电流时切除所有电容器以保护电容器,实现了对电容器投切的复合逻辑控制。

如图1所示,所设计的高压动态无功补偿系统需要9路共补电容和3路分补电容,其中三相共补电容采用三角形接线方式,三相分补电容采用星形接线方式。

3.1 三相信号的采样计算

为了实现三相共补和分补投切控制,需实时计算各相无功功率值等电量参数。本文研制的控制器在程序中利用变量CHANNEL_SEL作为各相的选择标志,使控制器依次采样各相电压、电流并计算出各相电量参数。三相信号的采样计算方法如图2所示。

如图2所示,控制器首先将变量CHANNEL_SEL定义为i(i=A,B,C)相,然后对i相信号进行采样,实时计算出i相无功功率QRMS[i]等电量参数,并算出系统达到设定功率因数Sin时应投入的容性无功功率Q[i],其计算公式为

其中,U为相电压的有效值,I为相电流的有效值,QRMS[i]为当前各相无功功率,可由式(14)求得。

至此i相的各个电量参数计算完毕,此时更换变量CHANNEL_SEL值计算另外两相的电量参数及其应投入的容性无功功率值。由此可知,每次负载改变,至少需要3个电网周期才能完成各相电量参数的更新。

3.2 电容投切信号

为了提高动态补偿的补偿精度和实现电容循环投切,本控制器在共补电容值分配上采用的二进制编码和等值编码相结合的混合编码方式[13,14],即1244…编码。若最小的共补电容器的电容量为C[0],编码1、2、4对应的补偿电容器组容量分别为C[0]、2C[0]和4C[0],那么9路共补的总容量为31C[0]。

由于本文设计的控制器共控制9路共补电容和3路分补电容,12路的投切信号状态存储在16位变量PORT的低12位中,且1表示电容投入,0表示电容切除。由于负载的变化,控制器需要根据实时计算得到的各相电量参数更新投切的电容量,以满足动态无功补偿的要求。为了得到电容的投切信号,首先需要逐个读取存储于变量PORT低12位中的投切信号状态,由于12路补偿电容的容量是固定的,因此可以计算得到已经投入的各相共补容性无功功率QC_TEMP和各相分补容性无功功率QTEMP[i]。为了取得更好的无功补偿效果并防止系统因投切振荡而崩溃,所研制的控制器还设置了投切阈值,其中投入阈值CPLUS=0.8C[0],而切除阈值CMINUS=0.5 C[0],C[0]为最小共补电容容量[13]。需投切的无功功率Qf[i]的计算流程图如图3所示。

需投的无功功率Qf[i]的计算原理为:将已经投入的各相共补容性无功功率QC_TEMP和各相分补容性无功功率QTEMP[i]相加,得到各相已经投入的容性无功功率总和;考虑到投入阈值和切除阈值的处理[13],当Q[i]≥CPLUS时,当前各相应该投入容性无功功率为Q[i]+C[0]-CPLUS,当Q[i]<-CMINUS时,当前各相应该投入容性无功功率为Q[i]-C[0]+CMINUS;最后将各相已经投入的容性无功功率总和与考虑投切阈值时当前各相应该投入容性无功功率相加得到各相需投切的无功功率Qf[i]。其计算公式为

由于系统同时采用三相共补和三相分补,因此需要对需投切的无功功率Qf[i]进行分析,得到新的共补电容器组和分补电容组的投切信号,计算流程图如图4所示。

本文以之前计算得到的各相需投的无功功率Qf[i]中的最小值Qg,即Qg=min(Qf[A],Qf[B],Qf[C])作为共补无功容量的依据,然后根据共补电容器组的容量大小和Qg值确定实际投入的共补无功容量QG。本文中QF是分补电容器的容量,分补投切判据是利用QF

最后将新的投切信号变量值PORT_N与原来的投切信号变量值PORT比较,若两者不相等则重新发出投切电容器组的信号,否则保持原来电容投切状态。

4 实验结果

为验证本文所设计的高压动态无功补偿控制器的可行性,在实验室中建立了模拟高压动态无功补偿系统:利用线电压为380 V的市电模拟高压电网,而用线电压为150 V的交流源模拟低压侧,自耦变压器变比为380 V/150 V,负载为接在380 V侧的电阻箱和电抗器,补偿电容接在150 V侧,模拟实验时只采用了2组共补电容,每组容量分别为15 kvar和7.5 kvar,额定电压均为400 V,额定电流分别为21.7 A和10.8 A,三角形连接。

补偿前电压、电流波形如图5(a)所示,其功率因数为0.446;补偿后电压、电流波形如图5(b)所示,其功率因数为0.948。由于电容器的非线性特性,补偿后给实验系统带来了一定的谐波。

为了检验控制器动态响应时间,测量了从感性负载投入到控制器发出投切信号的响应时间。实验波形如图6所示,分别为投切电容器信号的电压波形u和模拟高压侧的系统电流波形i,感性负载投入瞬间会有一定的涌流[15],响应时间约为60 ms,即3个电网周期,实验结果与理论设计相符。

5 结语

动态无功补偿控制 篇5

在工业和生活用电负载中,阻感负载占有很大的比例,这些阻感负载是产生无功功率的主要因素。减小无功功率和消除谐波是提高电能质量的必要因素[1,2,3,4,5]。

目前,低压无功补偿控制器常常采用A/D采集加上单片机(MCU)计算的方法检测电网运行状况,分析系统所需无功容量并做出相应的策略来投/切电容器[6,7,8,9,10]。这种无功补偿多数控制器在投/切电容器时由于没有考虑电网中谐波的含量,当电网中谐波含量较高时投/切电容器容易烧坏电容器[11,12,13];多数控制器在补偿时没有考虑到三相无功不平衡的现象,没有采用动态分相补偿,往往造成三相无功补偿不平衡的现象。

本文针对以上问题,采用电力计量专用芯片ATT7022B测量电网参数,开发研制了基于双MCU的新型智能电力监测分相动态无功补偿控制器。

1 系统硬件结构和工作原理

1.1 系统设计要求

用户根据需要对智能电力监测分相动态无功补偿控制器提出的具体技术要求主要有6方面。

a.数码显示:电压、功率因数,通过键盘可查看电流、功率。

b.精度:电压为0.5级;电流、功率因数、功率、电能均为1.0级。

c.可键盘设定、红外线或GSM/GPRS设定时钟和设定功率因数。

d.谐波监视、分相投/切、过电压保护(详见控制策略)。

e.断电后数据保持大于72 h。

f.使用条件:环境温度为-25~50℃。

1.2 系统结构和工作原理

根据以上技术要求,本控制器采用非线性测量误差小于0.1%的电力计量芯片ATT7022B来计算电力参数,采用了2个P89V51RD2[14]单片机。其中,1号MCU主要完成电网参数的读取和控制策略确定的功能,读取从ATT7022B测得的电网参数,存储在内存中,并将功率因数值与设定的投/切门限进行比较,以确定投/切策略。2号MCU实现系统的管理功能,完成系统参数的设定、显示和存储,以及通过红外或全球移动通信系统(GSM)实现电网参数的无线传输。2个MCU通过操控双端口RAM实现单片机之间并行总线的数据共享,以解决单个单片机内存资源、外部引脚资源紧张的问题。

智能电力监测分相动态无功补偿控制器的系统结构如图1所示。

系统的工作原理如下:三相电压、三相电流通过电压、电流互感器以及放大电路后产生符合条件的信号输入到ATT7022B,测量电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量等电网参数;1号MCU通过串行外围设备接口(SPI)读取电网参数,计算处理后得出并联电容器的投/切方法,并通过GM8166经继电器输出来投/切电容器;2个MCU通过操控双端口RAM芯片CY7C136实现单片机之间的数据交换,1号MCU把电网参数通过CY7C136传给2号MCU供显示、存储或通信等用途,而2号MCU把通过键盘设定的控制参数和指标经CY7C136传送给1号MCU,1号MCU再根据用户要求及时调整控制策略。

1.3 控制器硬件设计

从控制器的系统结构图可以得出,控制器的硬件结构主要包括:信号采集转换、数据处理、电容器的投/切、键盘及发光二极管(LED)显示、红外及GSM通信等。

1.3.1 信号采集转换

信号采集转换由电压互感器、电流互感器和ATT7022B组成。三相电压、三相电流分别通过电压互感器和电流互感器以及相关电路变换成符合ATT7022B输入要求的电压值(完全差动输入方式,正常工作最大输入Upp为±1.5 V)。ATT7022B测量得到电网三相电压值UA、UB、UC,三相电流值IA、IB、IC,总视在功率,总有功功率,总无功功率,各相的谐波含量等,并存储于相应的寄存器中,ATT7022B通过SPI接口与1号MCU之间进行电网参数和系统参数的传递。ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量,同时还能测量各相电流和电压有效值、功率因数、相角频率等参数。

1.3.2 数据处理

数据处理由1号MCU实现,根据从ATT7022B读取的电网参数和2号MCU传来的系统参数完成数据处理、得出控制策略及电容器的投/切输出等。

1.3.3 电容器投/切

在控制器要求有8个基础组的继电器和每相6个的优先组的继电器共26个输出。由于1号MCU的I/O口不够,故通过GM8166芯片的串入并出功能转换完成I/O口的扩展,实现对电容器的投/切输出控制。根据1号MCU得到的投/切控制策略通过GM8166输出到继电器完成电容器的投/切。

利用单相动态光耦输出控制快速复合继电器实现对3组单相电容器组(18个)的投/切,利用基础补偿继电器触点输出控制接触器实现对三相电容器组(8个)的投/切。

1.3.4 键盘和LED显示电路

本控制器的键盘有4个按键,分别为“翻页”、“上调”、“下调”、“确认”。通过总线收发器,将按键的输入信号输入到单片机,采用中断工作方式。有键按下时,系统进入键盘中断服务程序,判断哪个键被按下,并执行相应的操作。通过“翻页”键可以循环查询系统的各参数的状态值、电网的参数。4个按键配合,可以实现对功率因数、保护电压值、电网谐波含量上限等参数的设定和修改。2排LED数码管,正常工作状态下,循环显示电网中各相的功率因数及基础组电容的投入回路数;有按键按下时根据其功能不同而显示不同的数据。

1.3.5 通信模块

本装置可以实时监测电网参数,可以通过红外线近距离和GSM/GPRS移动通信网远距离数据传输,实现无线抄表和数据的保存,为低压配电线路的科学管理提供可靠数据。

2 控制策略

无功补偿装置都有相应优化的补偿策略[15]。本控制器的控制策略采用优先补偿组和基础补偿组相结合的混合补偿方式,实现三相共补与三相分补相统一。

对于优先补偿组:当电网某相的功率因数低于设定值时,控制器输出直流触发信号,循环投入该相对应的优先补偿组;当电网某相功率因数高于设定上限时,控制器输出直流触发信号,循环退出优先补偿组。

对于基础补偿组:当投入的3组优先补偿电容器的总和大于某个数时,循环切除优先补偿电容器,并投入基础补偿组;当投入的3组优先补偿电容器的总和小于某个数时,切除基础补偿组,并投入相应的优先补偿电容器。同时,该装置具有电压、电流的超限保护等功能。

下面介绍具体控制策略。

a.投/切门限:当cosΦ<cosΦs时投入,当cosΦ>-cosΦs时切除。

b.延时(响应时间):优先投/切组0.1 s,基础投/切组1~99 s,均可设定。

c.投/切器件投/切动作时间:优先投/切组5 s,基础投/切组30 s。

d.过电压保护:当电压≥1.07 UN时停止投入;当电压>1.12 UN时切除。

e.谐波监视:当电压谐波大于15%时停止投入电容,并切除电容(3、5、7、9次谐波)。

f.灵敏度为电流<0.2 A,动作回差为12 V。

g.环投/切:优先组和基础组循环投/切。

h.控制方法:优先投/切组分为A相有A0~A5共5组电容器;B相有B0~B5共5组电容器;C相有C0~C5共5组电容器;基础投/切组分为D0~D7共7组电容器。当cosΦ<cosΦs时,单相先投入,但A+B+C>12时,D投入;当cosΦ>-cosΦs时,单相先切除,但A+B+C<6时,D切除。

3 控制器软件设计

系统软件采用C语言编写,分别对2个单片机编写程序。送电时,系统关闭所有输出口,进入15 s倒计时程序,待CPU工作正常后,经采样、分析、运算之后才能确定输出。

根据1号MCU主要完成电网参数的读取和控制策略确定的功能,确定其软件设计框图如图2所示。首先进行初始化和开中断,当接收到系统中断时,读取2号MCU中的各参数的设定值,然后读取电网参数,将电网参数传输给2号MCU,处理数据并输出控制电容的投/切,退出中断。

根据2号MCU实现系统的管理功能,确定其软件设计框图如图3所示。首先进行初始化和开中断,定时中断到,读取1号MCU中的电网参数,送LED或无线输出;接收到键盘中断,可以查询各项系统、电网参数,按“确定”键,将系统参数更新,同时将新的系统参数存入SRAM,退出中断。

4 结语

本控制器采用了ATT7022B芯片测量电网参数,克服了由于A/D精度不高、MCU计算量大等原因造成的控制器计算速度慢、计算精度低的问题。在电容器投/切时考虑了谐波的影响,避免了谐波含量较高时投/切电容器时出现的烧坏现象。采用了双MCU控制方案,系统控制和系统管理由不同的MCU完成,从而提高了控制器的效率,增强了系统的可靠性。本控制器还采用了分相补偿技术,保证在三相不平衡负载的情况下使线路的三相无功平衡,达到改善电能质量、降低电能损耗的目的。

通过近两年的实际运行表明,该控制器具有测量参数精度高、系统配置灵活、稳定性好、成本低的特点,能实时监测电网参数,能根据电网的运行状况及时进行无功补偿,使功率因数保持在较高水平,很好地改善了供电质量,提高了供电系统的经济效益,运行效果良好,达到了实时电力参数监控、分相动态无功功率补偿的设计要求。

摘要：为了对电网参数的实时监测和对无功功率的分相补偿,设计了采用双P89V51RD2单片机控制的新型智能控制器,控制器采用ATT7022B测量电网参数,解决了系统测量精度问题。1号单片机主要完成电网参数的读取,计算处理后得出并联电容器的投/切的方法;2号单片机实现系统的管理功能,完成系统参数的设定、显示、存储或通信等。研制的控制器采用分相动态无功补偿技术,保证在三相负载不平衡情况下使线路的三相无功平衡。控制器包括:信号采集转换、数据处理、电容器的投/切、键盘、显示及GSM通信等。控制器的软件采用C语言编程,给出了2个单片机主程序流程图。

动态无功补偿控制 篇6

关键词：动态电压恢复器,复合控制,电压质量,无功补偿,谐波

0 引言

分布式电源的发展、电力电子设备的大量使用以及许多特种负荷的涌入,严重影响配电网的电压质量,并对供电质量的要求也越来越高。电压暂降/骤升、谐波、功率因数低、负序、电压波动与闪变、三相电压不对称等一系列的电压质量问题,已经成为影响用电效率、用电安全的重要因素,给生产生活带来巨大损失。近年来兴起的DFACTS技术(又称Custom Power技术),是FACTS(Flexible AC Transmission Systems,柔性交流输电技术)技术在配电系统应用的延伸,用以解决配电网的电能质量问题[1]。

动态电压恢复器DVR作为DFACTS装置的成员之一,能够有效解决电压暂降/骤升等动态电压质量问题[2]。DVR常规控制方法是通过其核心的电压型逆变器输出基波有功功率,用以补偿电源电压的暂降/骤升问题[3,4],也有从能量最优的角度研究DVR的控制[5],但很少有通过DVR解决电源谐波以及网侧功率因数的问题。本文提出DVR的复合控制策略,通过控制DVR的有功功率和无功功率的输出,解决电压暂降/骤升问题的同时,提高网侧的功率因数,并可消除电源电压的谐波。

1 DVR结构原理

图1给出了一种DVR系统结构示意图,Vs为电源电压,DVR串联在电源和负载之间。DVR主要由电压型逆变器VPWM、限流电感L、耦合电容C和双向晶闸管SCR构成,其中VPWM的直流侧电源来自于快速储能环节(如超级电容器)。

电源电压Vs正常时,双向晶闸管SCR呈现通态,DVR不输出功率;电源电压Vs出现暂降/骤升问题时,DVR控制双向晶闸管SCR迅速关断,并输出相应电压进行补偿,LC构成简单的高频滤波电路,保证负载上始终维持标准的正弦电压。

2 DVR复合控制策略

常规DVR的控制,通常是通过DVR输出有功功率进行电压补偿,使负载电压维持正常工作电压。DVR有三种基本控制策略,即能量最优控制、电压质量控制、电压幅值控制[6,7]。

如图2所示,Vs为初始电压,Vsag为暂降后电压,IL为负载电流。V1表示电压幅值控制,即直接在跌落后的电压基础上进行补偿,或称为同相补偿;V2表示电压质量控制,即经DVR补偿后,负载维持原来电压Vs;V3表示能量最优控制,即DVR只输出无功功率进行补偿;VDVR1、VDVR2、VDVR3分别为三种补偿方式下的DVR输出电压矢量。

不同于上述三种控制方式,本文提出DVR复合控制策略,控制DVR的输出电压矢量,也即控制有功功率和无功功率的输出,以提高网侧的功率因数;发挥串联APF(Active Power Filter,有源电力滤波器)的作用,以消除电源电压的谐波;保证电压暂降/骤升问题的解决不受影响。不存在电压暂降/骤升以及电压谐波的情况下,根据负载的实际特性,DVR输出相应的电压,来改善网侧的功率因数;出现电压暂降/骤升问题时,DVR需同时兼顾解决功率因数和电压暂降/骤升的问题。如图3所示,Vs/VL为初始正常电源电压/负载电压;Is/IL为初始电源电流/负载电流;Vsag为暂降后的电源电压;感性负载,功率因数角为φ。通过DVR输出电压VDVR1/VDVR2,使之与电源电压合成为电压V'L,V'L与电源电压的夹角控制为φ,则补偿后的电源电流/负载电流(I's/I'L)将与电源电压Vs(相位不变)同相,实现网侧功率因数为1。

假设:

电源电压正常时,由图3所示各量关系可以求得DVR补偿电压VDVR1。

电源电压出现暂降问题时,假设:

则有:

由图3各量关系可以求得DVR此时的补偿电压VDVR2,其中

当k=1时,即没有电压暂降时,公式(5)与公式(2)结果相同;电压暂降/骤升,且相位发生变化,与原来电源电压角度为δ时,由图4可知,DVR此时的补偿电压VDVR的幅值可由公式(5)求出,相角则为(β-δ)。即:

上述分析可知,通过对DVR的输出进行控制,可以实现网侧的高功率因数控制,此时的DVR不但有有功功率的输出,也有无功功率的输出。如果在此基础上,再对电源电压可能含有的谐波提取出来,并将之滤除掉,即实现了本文的DVR复合控制策略。图5为DVR复合控制框图,采样电源电压Vs,得到其幅值与相角,经过公式(3)、公式(5)计算出DVR输出向量VDVR的幅值与相角;经过锁相环PLL确定电源电压Vs的相位角,用于计算;经过高通滤波HPF得到电源电压Vs的谐波含量Vsh,最终得到DVR的复合补偿电压参考信号Vc*,再经由闭环控制及PWM生成器控制DVR的逆变器输出,实现复合控制策略。其中Vc*由公式(7)给出:

3 仿真与实验验证

本文采用PSIM软件对DVR复合控制策略进行仿真分析。系统相关参数为:阻感负载(6.28Ω,20 mH),cosφ=2/2;仿真相关参数为:开关频率fPWM=10 kHz,采样时间Ts=5e-6s。图6、图7为DVR复合控制的仿真波形。其中图6为电源电压在0.05～0.15 s之间发生暂降时的波形,电源电压Vs和电源电流is在电源电压暂降前后一直保持高功率因数特性;负载电压VL保持幅值及相位不变,而DVR补偿电压Vc跟随电源电压的变化进行调整;DVR输出变化:电源电压无暂降时,DVR吸收有功功率,发出无功功率,而电源电压暂降期间,DVR发出有功和无功功率。图7为电源电压在0.05～0.15 s之间产生谐波时的波形,电源电流is在电源电压出现谐波时,保持与Vs基波呈单位功率因数,DVR能够实现补偿电源电压出现的谐波。

搭建实验平台对复合控制策略进行了实验研究,采用DSP28335为核心进行软硬件设计实现系统控制。实验波形如图8～10所示,阻感负载(16.8Ω,46.7 mH),Vs、Vc、VL、i依次为配电网电压、DVR输出电压、负载电压和配网电源电流波形。图8为系统不工作的情况,电源电压Vs和电源电流i存在的夹角较大,功率因数小;图9为系统工作在配电网电压正常的情况,网侧的功率因数近似为1;图10为系统工作在配电网电压Vs暂降(相电压幅值跌为260 V)时的情况,在电压暂降过程中,DVR输出电压Vs使负载电压VL幅值达到要求的同时,仍保持电源侧很高的功率因数特性。

4 结语

针对配电网的多种电压质量问题,提出了DVR的复合控制策略。通过分析该策略的工作原理与控制方法,推导了DVR的输出电压矢量,通过有功与无功功率的恰当补偿,在适时解决电源电压暂降/骤升的基础上,大大提高了网侧的功率因数,消除了电源电压谐波,实现了DVR的多功能集成,使其性能大为改善。仿真与实验分析验证了DVR复合控制策略正确可靠、切实可行。

参考文献

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动态无功补偿控制 篇7

电力系统无功电压自动控制可有效改善电压质量,减少系统有功损耗,对电力系统的经济安全运行有重要意义。 但是传统优化模型中仅通过将节点电压限制在合格范围内可能会导致系统无功储备的降低,从而造成电压稳定性下降。 随着电力市场的发展以及负荷的加重,电压稳定问题日益突出,近年来计及电压稳定性的电力系统无功电压控制研究成为热点[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。

目前在考虑电压稳定性的无功电压优化中描述电压稳定程度的方法大致有3种。 第1种为状态指标法。 文献[2-4]将雅可比矩阵的最小奇异值作为衡量电压稳定性的指标,建立了多目标无功电压控制优化模型。 文献[5-7]以L指标作为优化目标以提高系统的电压稳定性。 采用状态指标评估系统电压稳定程度具有实现简便、计算快速的特点,但由于状态指标线性性不好,无法计及发电机无功约束等非线性因素。 第2种为负荷裕度指标法。 文献[8-10]在优化模型中引入负荷裕度指标以实现在无功电压控制的同时保证电压稳定裕度的目的。 负荷裕度指标在电压稳定评估中被广泛使用,可直观表征电压稳定程度,但是预定义的负荷增长模式可能与实际情况相差较大,且所需计算量较大。 第3种为动态无功储备指标法。 文献[11-12]以动态无功储备作为电压稳定性的量度加入目标函数中,提出了一种多目标无功电压控制优化模型。 动态无功储备可有效反映系统的电压稳定程度,具有直观、计算简便的优点。

在计算系统动态无功储备时需计及不同无功源对电压稳定的支撑作用,目前主要有2种处理方法第1种通过不同的权重系数表征各无功源的重要程度,将无功源的无功储备进行加权求和得到系统总动态无功储备。 该方法的重点在于权重系数的计算文献[11]将系统分为若干分区,通过计算每个分区的无功负荷裕度得到该分区各无功源的权重系数,但该方法对同分区中的不同无功源采用相同的权重系数并不合适。 文献[12]通过无功源所属分区的有功负荷裕度及其在分区中所处的电气位置确定该无功源的加权系数。 文献[13]则是基于无功电压灵敏度矩阵得到各无功源的权重因子。 但基于节点间电气距离或无功电压灵敏度的权重系数无法考虑系统的非线性特征。 第2种先计算各无功源的有效无功储备,再将其相加得到系统总动态无功储备。 文献[14 15]将故障情况下PV曲线鼻点无功源的无功出力与当前无功出力的差值作为无功源的有效无功储备以监测该故障态的电压稳定程度。 文献[16]则将VQ曲线鼻点各无功源的无功出力与当前无功出力相减得到其有效无功储备。 这类方法是以无功源实际能输出的最大有效无功出力来反映该无功源对系统的无功支撑能力,并通过计算系统的电压崩溃点来考虑系统的非线性特征,可以得到准确的最大有效无功出力。

此外,现有的计及动态无功储备的无功电压控制模型均仅通过目标函数中的系统总无功储备项来提高系统的电压稳定程度,但这样并不能确保电网各个分区都具有保证其稳定性的最小无功备用容量,本文通过增加每个分区最小无功备用容量约束来解决这一问题。 文中引入文献[16]中有效无功储备的概念,并将分区动态无功储备同时作为目标函数和约束条件,提出一种新的无功电压控制优化模型。 对IEEE 118节点系统的仿真结果和在辽宁电网自动电压控制(AVC)系统中的实际应用表明,本文所提出模型与方法是有效的。

1计及分区动态无功储备的无功电压控制优化模型

本文将分区动态无功储备同时引入目标函数和约束条件中,建立了如下无功电压控制优化模型。

1.1目标函数

其中,NB和NG分别为系统中节点和无功源的个数; ω1、ω2和 ω3为各优化目标的权重系数,其取值可根据实际优化需求进行调整,且有 ω1+ ω2+ ω3= 1;Ploss为系统有功网损;Ui和Ui,set分别为节点i的电压及其期望值; Qg,i和Qg,i,eff分别为无功源i的无功出力和最大有效无功出力;f1*、f2*和f3*分别为3个子目标函数的最优值,即单独考虑某一子目标最优时的目标值。 目标函数中,第2项为电压偏移量,第3项为系统总动态无功储备。

1.2约束条件

a. 潮流方程约束:

b. 运行约束:

c. 控制变量上、下限约束:

d. 分区动态无功储备约束:

其中,x为系统状态变量向量;g(x)为潮流平衡方程; NT和NC分别为系统中变压器可调变比和并联电容电抗的个数;Ui,max和Ui,min分别为节点i电压的上、下限;Qg,i,max和Qg,i,min分别为无功源i的无功出力上、下限;Ti、Ti,max和Ti,min分别为变压器i的变比及其上、下限;QC,i、QC,i,max和QC,i,min分别为电容电抗i的补偿值及其上、下限;Narea为电网分区个数;NG,k为分区k中无功源节点个数;Qrs,k,min为分区k的动态无功储备下限值。

上述模型的特点为:引入有效无功储备的概念通过各无功源有效无功储备的直接相加得到系统动态无功储备;将动态无功储备同时作为目标函数和约束条件加入优化模型中,以达到在提高系统总动态无功储备的同时确保各分区动态无功储备的均衡,避免局部电压崩溃的发生。

本文无功电压控制优化模型的重点和难点在于无功源有效无功储备和各分区动态无功储备下限值的计算。

2分区动态无功储备的计算

2.1有效无功储备的定义

电力系统无功储备可分为静态和动态2种。 由并联电容器等提供的静态无功储备不具有恒定电压支持能力,无法有效响应故障。 本文的无功储备主要是发电机、调相机和STATCOM等动态无功源提供的无功储备。 动态无功储备对维持系统电压稳定性具有重要作用。 当动态无功储备充足时,可以应对各种故障或负荷快速增长,维持系统的电压稳定。 因此,动态无功储备水平可作为一种衡量系统电压稳定程度的指标[17]。

在实际电力系统运行中,由于电网拓扑和负荷状态等因素,动态无功源的最大无功输出并不一定等于其技术上的无功上限。 有些无功源的无功出力还未增长至其技术无功上限,电网就已电压崩溃[14,15,16]。 因此,本文将系统电压崩溃点各动态无功源的无功出力作为其最大有效无功出力,其与当前无功出力的差值即为其有效无功储备。

2.2基于VQ曲线法的分区动态无功储备计算

由于无功的局部平衡特性,在无功电压控制中对电网进行分区是一种十分有效的手段。 文中采用文献[18]提出的分区方法将电网分为Narea个分区并采用VQ曲线法计算各分区动态无功源的最大有效无功出力。 实现VQ曲线法首先要确定各分区的关键节点,分区过程中得到的电气距离dij可作为识别分区关键节点的依据。

其中,dij为无功源节点i对被控节点j的电气距离 ΔUi为节点i的电压偏移量;ΔQi为节点i的无功注入变化量。

将式(8)代入式(9)计算被控节点到该分区中各无功源的综合平均电气距离,选择其中距离最小的节点作为该分区的关键节点。 这样得到的关键节点为分区的电气中心,其与各无功源的电气距离均适中可以全面地考虑整个分区无功源的无功出力情况。

其中为节点j到其所属分区k中各无功源的综合平均电气距离 ;Gk为分区k中无功源的集合 。

VQ曲线法[19]的具体做法是:在分区关键节点上投入一台虚拟的调相机,逐步减小调相机的输出电压Uf,求解潮流得到该调相机的无功输出Qf,重复此步骤直至采集到足够多的点,便可得到该节点的VQ曲线,如图1所示。 VQ曲线的最低点A为电压崩溃点,此时各无功源的输出即为其最大有效无功出力。

将由VQ曲线法得到的无功源最大有效无功出力代入式(10),即可得到各分区的动态无功储备。

其中,Qrs,k为分区k的动态无功储备。

相比于文献[11-13]中利用各无功源技术无功储备加权求和得到系统总动态无功储备的方法,本文做法不仅避免了上述权重因子求取的不确定性, 而且有效计及了各无功源对系统电压稳定的不同影响,具有快速简便的优点。

2.3分区最小无功储备限值的计算

为了避免局部电压崩溃现象的发生,各分区应确保一定量的动态无功储备。 由于各分区的结构和负荷情况不同,其保证电压稳定性所需的最小无功储备也不同。

在计算分区所需最小无功储备时,本文采用的方法是选择分区中最严重的单一开断故障(本文以负荷最重的一条线路故障为例),计算此时关键节点VQ曲线 ,如图2虚线所示 ,得到VQ曲线鼻点A*各无功源的无功出力Q*g,j,eff和运行点B* 各无功源的无功出力Q*g,j,代入式(11)计算各分区所需的最小无功储备限值。

本文认为各分区正常运行状态下的动态无功储备应大于该分区在故障情况下无功源输出可能出现的最大变化量,以保证该分区有充足的无功储备维持其电压稳定性。

3算法步骤

本文提出的计及分区动态无功储备的无功电压控制的实现步骤如下。

步骤1分区动态无功储备及其下限值的计算 。

a. 确定电网的无功电压控制分区 ;

b. 确定各分区的关键节点;

c. 计算各分区关键节点VQ曲线的鼻点 , 得到无功源的最大有效无功出力;

d. 根据式 (10) 计算分区动态无功储备 ;

e. 确定各分区最严重故障 ;

f. 计算该故障下的VQ曲线 , 根据式 (11) 计算各分区所需的最小无功储备限值。

步骤2建立式(1)—(7)的数学模型,并应用考虑离散变量的非线性原对偶内点法[20]进行求解。

4算例分析

为了验证本文无功电压控制优化模型与方法的有效性,对IEEE 118节点系统进行仿真并将其应用于辽宁电网自动电压控制系统中。

4.1IEEE118节点系统

利用前文所述的分区算法对系统进行分区,将IEEE 118节点系统分为8个分区并识别各分区的关键节点,如表1所示。

计算各分区关键节点的VQ曲线,得到无功源的最大有效无功出力。 以7号分区为例,其关键节点为节点101,由表2可看出距离关键节点电气距离较远的无功源的最大有效无功出力一般小于其技术无功出力上限,其中无功源103、104和105虽然距离关键节点电气距离也较远,但是由于自身无功输出容量较小,其最大有效无功出力也达到了技术无功出力上限。

建立式(1)—(7)的数学模型(本文取 ω1=0.53 ω2=0.000 5、ω3= 0.469 5),采用非线性原对偶内点法进行求解,并与传统无功电压控制和文献[12]优化方法进行比较,如表3和表4所示(表3中电压偏移量为标幺值,后同)。 结果表明:传统无功电压控制主要优化了系统的有功网损,系统总动态无功储备虽略有增加,但这是某些分区无功储备的增加量大于其余分区无功储备减小量导致的结果;文献[12]优化方法将加权无功储备作为目标函数之一,该方法虽较大幅度地提高了系统的总动态无功储备,但分区3和分区6无功储备有所减少,存在无功储备分布不均的现象;本文提出的无功电压控制方法可通过选取合适的权重系数达到在牺牲较少有功网损优化效果的前提下,减少电压偏移量和增加系统总动态无功储备的目的,并通过约束条件确保各分区的动态无功储备均大于其所需的最小值,使系统动态无功储备分布更为均衡。

注:带“*”的节点代表无功源节点。

为了进一步比较上述3种优化方法对系统电压稳定性的影响,本文分别采用分区负荷增加和全网负荷增加的方式,使各节点负荷按原始比例增长,以各分区关键节点为电压观测点,计算得到优化前后各分区及全系统的有功负荷裕度,如表5所示。 表中的结果表明:传统无功电压控制和文献[12]优化方法虽然使系统整体的电压稳定性增加了,但由于各分区动态无功储备分布不均导致部分分区的电压稳定性有所降低,而本文无功电压控制通过将无功储备引入目标函数和约束条件中,实现了在维持各分区电压稳定的前提下,提高系统整体电压稳定性的目的。

4.2辽宁电网实际应用

本文所提出的无功电压控制方法已成功应用于辽宁电网自动电压控制系统中。 本算例所用数据是辽宁电网2013年10月22日的实时数据。

首先对辽宁电网进行无功电压控制分区,结果如表6所示。

按照前文所述实现步骤,建立计及分区动态无功储备的无功电压控制数学模型(本文取 ω1= 0.28 ω2= 0.07、ω3= 0.65),得到优化结果如表7和表8所示。 由表7、8可以看出:传统无功电压控制在实际电网中同样会导致系统动态无功储备分布不均,而本文提出的无功电压控制方法可以根据不同分区对无功储备的需求程度均衡各分区无功源的无功出力,保证各分区具备其所需的最小无功储备量,并在此基础上减少有功网损、改善电压质量、提高系统的整体电压稳定性。

注 : 仅列出电厂节点的分区情况 。

5结论

本文以动态无功储备作为系统电压稳定性的量度,将分区动态无功储备同时作为目标函数和约束条件,提出了计及分区动态无功储备的无功电压控制模型与方法,该方法可以实现减小电网有功损耗、 改善电压质量和提高电压稳定性的目标。 IEEE 118节点系统和辽宁省实际电网的仿真结果表明,本文方法可以有效克服现有无功电压控制导致系统无功储备分布不均的缺陷,实现均衡各分区动态无功储备提高系统电压稳定性的目的,具有实际应用意义。

摘要：当前电网无功电压自动控制算法未能很好地提高系统电压稳定性。以电压控制分区动态无功储备作为系统电压稳定性的量度,提出一种无功电压控制优化模型。通过计算各分区关键节点的电压-无功曲线得到无功源的有效无功储备,以故障下无功源出力的最大变化量作为各分区最小无功储备,将分区动态无功储备作为目标函数和约束条件加入优化模型中,以达到在保证电压稳定裕度的同时减少系统有功网损和实现电压控制的目的。IEEE 118节点系统的仿真结果和在某实际电网自动电压控制系统中的应用表明,所提出的模型与方法是有效的。