靜止無功補償器電壓調節(jié)器仿真與實驗研究

摘要：為了達到調節(jié)靜止無功補償器對所連接母線電壓的目的，針對靜止無功補償器(SVC)電壓調節(jié)器采用線性PID控制策略的限制，設計了基于電壓差值加權控制策略的電壓調節(jié)器。該加權控制策略采用了三部分傳遞函數(shù)計算SVC裝置等效電納，并通過電路仿真模型驗證算法并進行諧波分析。通過閉環(huán)的物理-數(shù)字仿真系統(tǒng)對所設計的電壓調節(jié)器進行功能測試和研究。仿真結果表明該方法的有效性。
關鍵詞：靜止無功補償器；加權控制策略；諧波分析；電壓調節(jié)

0 引言
    隨著我國經濟的發(fā)展和各種新型電力設備的應用，電網負荷急劇增大，感性無功也不斷增加。尤其是沖擊負荷、非線性負荷容量的持續(xù)增長，加上普遍應用的電力電子和微電子技術，使得電網發(fā)生電壓波形畸變，電壓波動閃變和三相不平衡等，造成電能質量降低，網絡損耗增加等不良影響。在輸電系統(tǒng)安裝并聯(lián)動態(tài)無功補償裝置，是提高輸電系統(tǒng)傳輸能力，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)動態(tài)性能，阻尼電力系統(tǒng)振蕩的有效手段。
    為了提高現(xiàn)代電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定極限和提供更好的潮流控制，人們引入了柔性交流輸電(FACTS)技術。隨著FACTS技術的廣泛應用和發(fā)展，孕育了許多基于FACTS的產品，基于晶閘管控制電抗器(TCR)的靜止無功補償器(StaticVarCompensator)就是實際應用最廣泛的一種。SVC的重要作用是實現(xiàn)平穩(wěn)的電壓控制、無功功率補償、改善電網電壓不平衡度、抑制電壓閃變等。
    SVC電壓調節(jié)器的主要作用是處理測量到的系統(tǒng)變量，產生一個與補償所需無功功率成正比的輸出信號。電壓調節(jié)器可根據(jù)SVC的具體應用，采用不同的控制變量和傳遞函數(shù)來實現(xiàn)。現(xiàn)今用于實際輸電系統(tǒng)無功補償?shù)腟VC裝置電壓控制器大多采用的是線性PID控制器，但其只能對測量的電壓與參考值電壓的差進行控制。對調節(jié)期間的電壓暫態(tài)響應無能為力，改變任何參數(shù)只能改變某一性能指標，比如響應時間、超調量等。
    本文提出一種采用閉環(huán)PI調節(jié)與其他加權控制策略的電壓調節(jié)器綜合控制策略，通過將三部分不同的傳遞函數(shù)組合起來，一部分為閉環(huán)PI調節(jié)，另外兩部分傳遞函數(shù)類似于超前滯后調節(jié)策略。最后通過仿真和實驗研究算法有效性。

1 SVC電壓調節(jié)器工作原理設計
    SVC電壓調節(jié)器的主要作用是處理測量到的系統(tǒng)變量，產生一個與補償所需無功功率成正比的輸出信號。電壓調節(jié)器可根據(jù)SVC的具體應用，采用不同的控制變量和傳遞函數(shù)來實現(xiàn)。
    電壓調節(jié)器的PI型調節(jié)器的傳遞函數(shù)如下：
   
    式中：KV為電壓凋節(jié)器的穩(wěn)態(tài)增益；TV為電壓調節(jié)器的積分時間常數(shù)。KV和TV具體數(shù)據(jù)在對整個系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化后確定。
    電壓調節(jié)器的作用過程可描述為：將測量所得到的控制變量與參考信號Vref相比較，然后將誤差信號輸入到控制器的傳遞函數(shù)，控制器輸出一個標幺值電納Bref相比較，這個信號的大小應可以使控制誤差減小，并達到穩(wěn)態(tài)誤差為零，然后電納信號Bref被傳送到觸發(fā)脈沖發(fā)生電路。SVC電壓調節(jié)器與SVC控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

2 電壓調節(jié)器綜合控制策略
    一般在工程中控制器設計以閉環(huán)負反饋控制為主，控制法主要是比例積分型，本文采用文獻提出的閉環(huán)PI調節(jié)與其他加權控制策略的電壓調節(jié)器綜合控制策略，設計SVC的電壓控制器。
    當母線電壓與電壓參考值存在差值，調節(jié)器傳遞函數(shù)由三部分按不同的比例系數(shù)加權組成：
    第一部分傳遞函數(shù)為·0.1；第二部分為傳遞函數(shù)為；第三部分為PI算法傳遞函數(shù)為10+75／s，三部分加權系數(shù)分別為0．1，0．5，0．7。這種加權控制策略如圖2所示。

    圖中，Bref是BTCR的參考等效電納值。由BTCR得到BSVC的計算結果為：
   


3 SVC主電路軟件仿真結果
    本文以Matlab Version 7．0為平臺，在Simulink仿真環(huán)境下，以SimPowerSystems電力系統(tǒng)模塊庫為工具，對三相TCR電路及TCR與濾波器構成的SVC電路進行仿真分析。其中電壓調節(jié)采用上述PI與其他傳遞函數(shù)加權控制策略。觸發(fā)模塊的核心是同步六脈沖發(fā)生器(Synchroniz ed 6-Pulse Generator)。通過Vab，Vbc和Vca三個電壓測量模塊對電源的線電壓進行實時測量，并將測量結果送入同步六脈沖發(fā)生器中，然后同步六脈沖發(fā)生器就可根據(jù)線電壓和指定的觸發(fā)角生成與電壓過零時刻有固定相位差的六脈沖信號，并經Pulse Y模塊分開，分別送往三相TCR去觸發(fā)晶閘管。電源線電壓有效值為100 V，頻率為50 Hz，TCR電感值為1 mH，仿真算法采用Ode23tb變步長模式解法。給定觸發(fā)角時要注意圖中晶閘管觸發(fā)角的有效作用范圍為90°≤α≤180°。
    圖3為采用示波器模塊Wavel觀測到的當計算得到觸發(fā)角為120°時二次側線電壓、電流和TCR每相電流的波形以及一次側電壓、電流波形。

    同時，利用Simulink中的有效值測量模塊(RMS)以及傅里葉分析模塊(Fourier)可以測定電流的總有效值和基波及任意次諧波的幅值。下面通過powergui模塊對波形進行諧波分析。圖4所示是觸發(fā)角為120°時變壓器二次側的線電壓波形分析。可以看出因為變壓器的影響，使得二次側線電壓中含有了5，7，11，13等次的諧波，線電壓波形產生畸變，但諧波較小，總諧波畸變率為4．18％，因而畸變并不很明顯。

    從圖4可以看出，一次側電流波形與二次側電流波形相比發(fā)生了變化，這是因為二次側電流中除基波外還含有奇次諧波，而變壓器對基波和各諧波的影響不同，使得疊加之后的一次側電流與二次側電流不同。另外，一次側電壓波形是正弦，而二次側的電壓波形雖然仍近似于正弦但卻有一些畸變，這是因為諧波電流在變壓器上產生了畸變電壓，從而影響了變壓器二次側的電壓波形。從仿真結果可以看出，所設計的SVC裝置電壓調節(jié)器可以保證電壓的實時調節(jié)，并通過無功功率調節(jié)使諧波畸變得到明顯改善且諧波分量較小。

4 實驗驗證
    將電壓調節(jié)器設置為閉環(huán)PI加其他加權控制模式，當系統(tǒng)35 kV電壓發(fā)生變化時，觀察投入SVC調節(jié)器前后系統(tǒng)電壓的變化。試驗結果如圖5所示。(計算所得觸發(fā)角為120°，與仿真結果作比較)

    由圖5可以看出，閉環(huán)控制電壓可以實時控制母線電壓，補償無功功率，根據(jù)電納計算得的TCR晶閘管觸發(fā)角計算正確，閉環(huán)控制策略有效。

5 結語
    對電力系統(tǒng)進行合理的無功補償可以減少線路的電壓降，穩(wěn)定負載端電壓，減少功率損耗和提高電壓的功率因數(shù)。通過對靜止無功補償器(SVC)電壓調節(jié)器控制策略的分析，設計了基于電壓差值加權控制策略的電壓調節(jié)器，采用閉環(huán)PI與其他加權控制策略結合的傳遞函數(shù)計算SVC裝置等效電納。并通過電路仿真模型驗證算法并進行諧波分析。最后通過閉環(huán)的物理-數(shù)字仿真系統(tǒng)對所設計的電壓調節(jié)器進行功能測試和研究。