动态无功补偿装置控制系统设计

摘 要：

从控制系统分层结构、通信协议、各层控制策略及控制算法角度出发，设计出了一种新型动态无功补偿装置控制系统，并利用仿真分析证明了该设计方法是有效的。

0 引言

在西电东送的背景下，广东地区作为受电端，容易出现多直流馈入及交直流电混联运行的状况。因为区域内负荷特性明显，电源比例较低，无功电源严重不足，电压支撑能力较弱，所以局部地区无功功率不足的问题特别突出。另外，电网运行方式、负荷率、输电出线、设备损耗等都会影响电网无功功率平衡水平，继而引起电压波动。而作为经济较发达地区，特别是广州、深圳的电网存在较多高供电可靠性、高电能质量需求的用户，那么在减少用户停电时间，提高用户端电压合格率的同时，还必须有效地应对日益突出的谐波、闪变、骤降等动态电压质量问题。为解决上述问题，需设计一种能快速、动态地提供无功的无功补偿装置，以支撑电网电压，使电网恢复正常运行。

动态无功补偿装置SVG是一种能够快速实时跟踪负荷无功功率变化的无功补偿装置，它的特点在于：（1）能够自动跟踪控制目标，改善电力系统功率因数，减小功率损耗；（2）能够快速调整电网无功，以防止过电压和欠电压；（3）能够补偿快速变化的电压波动，减少电压闪变；（4）能够抑制低频振荡及次同步振荡，提升电力系统稳定性；（5）能够利用调谐滤波、有源滤波抑制谐波；（6）当系统负荷不平衡时，可以通过无功补偿，使三相有功功率与无功功率达到动态平衡。

基于上述电网存在的问题及动态无功功率补偿特性，本文研发了一种新型动态无功补偿装置控制系统，在受端电网中实施动态无功补偿，按“小容量多布点”配置，能减少无功异地输送，降低线损，保证电压稳定，提高电网可靠性。

1动态无功补偿装置控制系统设计

新型动态无功补偿装置控制系统采用三层分层架构[1]，分别为站级控制层、装置控制层、阀控制层，如图1所示。站级控制层依据电网调度指令，实现对装置的启动/停止、控制模式的选择、系统参数调节等，还可根据系统状态和测试需求，选择多种控制模式。装置控制层可监测功率元件及辅助设备工作状态，针对站级控制层下发的指令，产生电流参考值。装置控制层可采用分相瞬时电流跟踪控制策略、有源滤波、正负序分离控制策略等。阀控制层采用移相载波PWM调制和死区时间补偿控制策略。该控制系统层级清晰，保证了动态无功补偿装置在复杂工况下能安全稳定工作。

站级控制层、装置控制层、阀控制层采用国际标准IEC 61850，该标准为变电站数字化监控系统现行标准，具有面向电力系统对象统一建模、通信服务接口、实时服务、配置语言等特点。在站级控制层和装置控制层间通信网络采用MMS报文规范及TCP/IP以太网或光纤网，装置控制层和阀控制层间通信网络采用GOOSE模型报文规范及以太网。智能电子设备通过网络进行信息交换，具有与变电站自动化系统之间的互操作性和协议转换性，方便系统的集成，降低自动化系统运行、监视、诊断和维护等工程费用。

2动态无功补偿装置控制系统的原理

控制系统通过测量电压、电流等电气量，并进行相应运算，判断动态无功补偿控制系统工作状态，选择动态无功补偿控制模式，由站级控制层、装置控制层和阀控制层按照各自职能控制功率元件，或者通过人机界面选取控制模式、设定控制系统的参数，然后进行相应的控制。

2.1站级控制层控制策略

站级控制层主要功能有：（1）对内启动或关停动态无功补偿装置控制系统，选择调试或运行、手动或自动、远方或就地、暂态或稳态等控制模式，并对动态无功补偿装置进行监视；（2）对外接收上级系统无功控制调度指令，并对上级调度系统或监控中心发送动态无功补偿装置运行及告警信号。站级控制层控制模式有稳态控制模式、远方控制模式、暂态控制模式等。

2.1.1稳态控制模式

稳态控制模式[2]涵盖调试模式和运行模式，调试模式有恒无功/恒电流控制，用于SVG调试；运行模式有系统无功、恒电压和阻尼控制等。每种控制模式以不同控制量为目标，执行各自的控制策略。其中恒电压控制可与电容器组和电抗器组协调工作，阻尼控制能提供一定阻尼裕度，参与电力系统的稳定控制。

2.1.2远方控制模式

站级控制层在远方控制模式下接收调度中心或变电站AVC主控单元的无功指令，该指令直接作为动态无功补偿装置的无功参考值。

2.1.3暂态控制模式

站级控制层在选择启用暂态控制模式时，控制系统采集模块采集相应电气量，处理模块采用快速检测算法对系统电压进行分析，判断系统是否存在暂态扰动，并确定是否转入暂态控制模式，发出相应指令。

2.2装置控制层控制策略

装置控制层根据站级控制层下达控制指令，转入控制模式。它解决了控制系统传递函数的实现问题，决定了SVG的稳定性、稳态特性和动态特性；同时装置控制层是动态无功补偿装置的保护及监视设备，是整个控制系统的核心部分。为解决SVG的输出电压未及时调整而出现过流和各桥功率元件的参数不尽相同而引起三相电流不对称的问题，提出了分相瞬时电流跟踪控制策略；为消除SVG噪声的影响，采用有源滤波策略；为应对电力系统故障时不对称故障，在采用分相瞬时电流跟踪控制外，提出了不平衡运行时的正负序分离控制策略。

2.2.1分相瞬时电流跟踪控制策略

分相瞬时电流跟踪控制具有响应速度快、适应性强、能快速跟踪负荷电流变化的特点，能提高SVG承受冲击的能力，降低对电压突变的敏感性，提高SVG可靠性。分相瞬时电流跟踪控制核心算法是求解无功补偿分量的旋转变换和补偿电流参考值的反旋转变换，当相位突变不大时，对生成的参考信号影响很小，能够实时反映负荷电流的真实变化。

设u0为逆变器输出电压，uk为逆变器接入点电压，L、R为逆变器单相连接电抗和等效电阻，采用单相模型：

分相瞬时电流跟踪控制原理图如图2所示。

其中：

忽略谐波影响，输出电流I（s）为：

即分相瞬时电流跟踪控制电流控制的目标是使输出电流I（s）紧跟参考电流Ir（s）。

2.2.2 有源滤波策略

由于传递函数是比例微分环节，容易受到噪声的影响，可采用有源滤波去除噪声。SVG控制系统通过谐波和无功电流检测电路，运算检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，计算出补偿电流。SVG产生补偿电流，与谐波电流抵消，最终得到期望的电流值。

2.2.3 不平衡运行时的正负序分离控制策略

在不对称方式下，为了有效控制输出电流，避免装置发生过流故障，设计了正负序分离的控制策略。当系统电压不平衡时，幅值和相位都有可能发生变化，无法直接从测量的系统电压获得同步角，控制系统构造一个频率为50 Hz、起始角为0°的虚拟同步角，并把它作为电压、电流dq变换的旋转角，分离出正负序分量，然后由SVG输出部分负序电流以维持平衡。

一般不平衡电压表示如下：

式中：相电压ua、ub、uc是电力线对中性点的电压；ua1、ub1、uc1和、、ua2、ub2、uc2分别为系统电压的正、负序分量。

SVG为了在故障期和恢复期平稳运行，在故障发生后满发无功功率，同时还通过正负序分离控制策略输出部分负序电流，以维持装置自身的平衡。

2.3 阀控制层控制策略

阀控制层根据装置控制层下达参考指令，用特定的PWM方法，计算死区时间、最小开通时间和最小关断时间，产生控制脉冲，以调节功率元件开关，实现SVG输出，这里采用二电平SPWM调制模式和死区时间补偿控制策略。

3 仿真分析

为了证明该新型动态无功补偿装置控制系统设计的有效性，选择系统无功控制方式进行仿真，仿真对象为某220 kV变电站，控制目标值为220 kV侧功率因数1.0，仿真结果如图3、图4所示。当负荷变化较大时，系统无功功率波动也较大，新型SVG能实时快速地提供无功，使系统变电站无功接近于0，功率因数稳定地提升到1.0。

4 结语

本文从控制系统分层结构、通信规约、控制策略及控制算法角度出发，设计了一种新型动态无功补偿装置控制系统，并提出了分相瞬时电流跟踪控制策略和不平衡运行时的正负序分离控制策略解决三相系统不对称问题，仿真结果证明，该新型动态无功补偿控制器设计方法是有效的。

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审核编辑 ：李倩