電能質(zhì)量混雜補(bǔ)償控制及其在企業(yè)配網(wǎng)的應(yīng)用

王衛(wèi)安， 桂衛(wèi)華， 張定華， 陽春華， 黃艷燕

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083;2.南車株洲電力機(jī)車研究所，株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001)

電能質(zhì)量混雜補(bǔ)償控制及其在企業(yè)配網(wǎng)的應(yīng)用

王衛(wèi)安1，2， 桂衛(wèi)華1， 張定華1，2， 陽春華1， 黃艷燕2

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083;2.南車株洲電力機(jī)車研究所，株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001)

為實(shí)現(xiàn)對配網(wǎng)電能質(zhì)量全面治理并實(shí)現(xiàn)綜合電氣節(jié)能，結(jié)合有源和無源各自優(yōu)勢，提出多種補(bǔ)償方式相結(jié)合的低成本混雜動態(tài)補(bǔ)償方案。利用有源的快響應(yīng)和可控性來抑制電壓閃變、諧波;利用無源大容量實(shí)現(xiàn)低成本大容量分級補(bǔ)償。結(jié)合某配網(wǎng)實(shí)況，以分層無功平衡為指導(dǎo)，針對不同負(fù)載的實(shí)際需要，對晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器、多重化靜止無功發(fā)生器進(jìn)行有機(jī)組合和配置，并提出基于專家規(guī)則的靜止無功發(fā)生器與晶閘管投切電容器協(xié)同控制，以解決兩者由于補(bǔ)償速度不一致而導(dǎo)致的在無功補(bǔ)償時的沖突問題;提出基于分時段變頻的多重化靜止無功發(fā)生器控制策略，以充分利用有源容量，提高對諧波的抑制效果;并研制了能滿足各種控制功能的控制平臺。系統(tǒng)投入后的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)有了明顯改善，電氣節(jié)能率達(dá)36.8%。

電能質(zhì)量;企業(yè)配網(wǎng);混雜補(bǔ)償;無功功率;諧波抑制;靜止無功補(bǔ)償器;靜止無功發(fā)生器

0 引言

電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電力系統(tǒng)穩(wěn)定、設(shè)備安全和經(jīng)濟(jì)用電，隨著新型電力負(fù)荷的出現(xiàn)及設(shè)備對電能質(zhì)量的要求不斷增加，電能質(zhì)量問題已經(jīng)成為國際供電界關(guān)注的首要技術(shù)問題。針對企業(yè)而言，改善電能質(zhì)量對于詰繽的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行以及降低能耗等均有重要意義［1－2］。而無功和諧波是當(dāng)代電能質(zhì)量的核心問題，目前，主要治理的產(chǎn)品有固定電容補(bǔ)償器［3］(fixed capacitor，F(xiàn)C)、晶閘管投切電容器［4］(thyristor switch capacitor，TSC)、晶閘管控制電抗器［5］(thyristor control reactance，TCR)、靜止無功發(fā)生器［6］(static var generator，SVG)、有源電力濾波器［7］(active power filter，APF)。對于無功治理而言，SVG的響應(yīng)速度快，補(bǔ)償?shù)男Ч茫捎谄骷旧砗驮靸r(jià)的限制，容量受限;TSC補(bǔ)償容量大且無諧波，從性價(jià)比來說只適合于中低壓系統(tǒng);TCR雖不受電壓和容量限制，但會產(chǎn)生諧波，須與電容配合使用。對于諧波治理而言，F(xiàn)C只能濾除某些次諧波，且易產(chǎn)生諧振;APF為最佳產(chǎn)品，但只適合在低壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償。因此這些產(chǎn)品在補(bǔ)償效果、價(jià)格等各有優(yōu)劣，而目前應(yīng)用大多采用單一技術(shù)，使用也還停留在對某一個負(fù)載或者某一條線上，未從企業(yè)配電網(wǎng)出發(fā)進(jìn)行全局無功和諧波治理，治理及節(jié)能效果不理想［8－9］。若對負(fù)載進(jìn)行逐一補(bǔ)償，則保養(yǎng)繁瑣。如何利用現(xiàn)有產(chǎn)品，選擇合適的補(bǔ)償點(diǎn)和容量，提高系統(tǒng)各層級電能質(zhì)量，在滿足各種約束條件下減少損耗成了需解決的問題［10－12］。

針對上述問題，以35 kV及以下網(wǎng)絡(luò)為對象，在無功優(yōu)化需分層、分區(qū)、就地平衡為原則，結(jié)合各種補(bǔ)償裝置的性能、價(jià)格，研發(fā)基于多種補(bǔ)償裝置相結(jié)合的混雜式動態(tài)無功和諧波治理系統(tǒng)，充分利用有源的快速響應(yīng)和無源的廉價(jià)大容量實(shí)現(xiàn)一個低成本高性能補(bǔ)償。系統(tǒng)應(yīng)用在一個包含有35 kV、10 kV、400 V 3個電壓等級的配電網(wǎng)，根據(jù)負(fù)載特性，高壓側(cè)采用TCR、FC、SVG，而低壓側(cè)采用SVG、TSC、APF相結(jié)合的系統(tǒng)補(bǔ)償方案。為了解決SVG和TSC在并聯(lián)無功補(bǔ)償時的沖突，提出一種基于專家規(guī)則的解耦控制策略;為提高SVG的諧波抑制效果，提出載波變頻控制策略。結(jié)合實(shí)際對補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、控制方法和補(bǔ)償效果做了詳細(xì)論述。

1 補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 配電系統(tǒng)及負(fù)荷簡介

某加工廠由110 kV給2臺30 MVA變壓器供電，如圖1所示，接線方式為 YNynOd11，變比為110 kV/35 kV/10 kV，容量30 000 kVA/30 000 kVA/15 000 kVA。其中35kV向4臺整流變壓器供電，總?cè)萘繛?0 000 kVA;10 kV分別給2臺容量為6 300 kVA的25噸的交流電弧爐和容量為3 200 kVA的精煉爐供電，同時還給總功率為3 000 kW的同步電機(jī)供電;10 kV母線同時還給低壓動力和生活用電變壓器供電，其動力負(fù)載為氬弧焊機(jī)、車床、電機(jī)等，功率約為5 000 kW;生活用電由安裝在室外的5臺廂式變壓器，每臺負(fù)載功率約為2 000～3 000 kW。

圖1 廠區(qū)供電及補(bǔ)償示意圖Fig.1 Schematic diagram of power supply and compensation

1.2 混雜補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)原有補(bǔ)償為35 kV和10 kV使用FC補(bǔ)償，補(bǔ)償只對改善功率因數(shù)有一定作用，而對電壓波動、閃變、諧波等治理作用甚微。要徹底改善電能質(zhì)量的方法有兩種，其一是增大系統(tǒng)容量，包括各級變壓器的容量，但這只是因?yàn)樵龃笕萘慷屍溆绊懖幻黠@，是治標(biāo)的方法，且這涉及輸電改造而難以實(shí)現(xiàn)。另一種治本的方法是利用電力電子技術(shù)就地提供所需的功率支撐和吞吐諧波電流從而限制無功功率、諧波電流等注入電網(wǎng)［8］。從成本出發(fā)難實(shí)現(xiàn)對每個負(fù)載的就地補(bǔ)償，但按照分層集中補(bǔ)償?shù)脑瓌t，對每個變壓器的出線端進(jìn)行集中治理，可解決各電壓等級之間的無功和諧波互相滲透，從而改善整個配網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高各變壓器的利用率。

根據(jù)各負(fù)載和治理裝置的特性，結(jié)合實(shí)際測量數(shù)據(jù)，確定以圖1中A、B、C、D為補(bǔ)償點(diǎn)。其中D處的生活變壓器采用箱變內(nèi)多組低壓TSC補(bǔ)償，自動分級補(bǔ)償?shù)耐瑫r兼作3次濾波支路;C點(diǎn)為低壓動力變壓器，主要負(fù)載為焊機(jī)，屬于瞬變、多諧波、補(bǔ)償容量較大，且還要補(bǔ)償整個10 kV系統(tǒng)的諧波，故使用多重化 SVG＆FC直接并聯(lián)，以降低有源容量，節(jié)約成本。其中C點(diǎn)變壓器為/變壓器，兼作耦合變壓器，而FC也兼作3次濾波支路;B處為10 kV電弧爐所在母線，由于需要抑制閃變，補(bǔ)償容量大，只有鏈?zhǔn)?0 kV直掛SVG才能滿足補(bǔ)償速度，但考慮電弧爐每天都只工作8小時，不同的冶煉階段對無功需求存在巨大差異，為了減少運(yùn)行損耗和節(jié)省有源部分容量，將其與多組TSC＆FC相結(jié)合，其中FC兼作2次濾波支路，兩條TSC支路兼作3次和5次濾波器。A處為35 kV母線，其負(fù)荷為6和12脈波整流負(fù)荷，故裝設(shè)TCR+FC型SVC，將FC兼作3、5、7、11 次濾波器。

2 混雜補(bǔ)償系統(tǒng)控制

在圖1所述的混雜補(bǔ)償系統(tǒng)中，A點(diǎn)與其他補(bǔ)償點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)少，因?yàn)橹灰淮嬖诖罅繜o功引起110 kV的電壓變化即不會對B、C、D點(diǎn)的電能質(zhì)量造成影響。同樣，C點(diǎn)和D點(diǎn)也處于并列關(guān)系，而D點(diǎn)補(bǔ)償量少，其投切不足以對10 kV電壓造成影響。雖然D和B點(diǎn)屬于上下級，但由于D點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分成了多級補(bǔ)償，補(bǔ)償精確度較高，不會出現(xiàn)過大的無功過補(bǔ)或欠補(bǔ)，影響較少。同樣C與B點(diǎn)也是從屬關(guān)系，但由于C點(diǎn)也是快速有源補(bǔ)償，不會存在過補(bǔ)或欠補(bǔ)。因此在無功補(bǔ)償上各補(bǔ)償點(diǎn)都也沒有耦合關(guān)系，各自獨(dú)立控制即可。對于諧波補(bǔ)償而言各組TSC的投切影響整個諧波分布，在C點(diǎn)處的SVG需兼有APF的功能，不僅要濾除低壓動力線的諧波，還要配合TSC和FC濾除10 kV的主要次諧波。由于TCR、SVG、TSC的控制成熟，本章只介紹SVG＆TSC的協(xié)同控制、SVG＆FC分時變頻無功及諧波優(yōu)化控制及通用控制器的設(shè)計(jì)。

2.1 基于專家規(guī)則SVG＆TSC協(xié)同控制

2.1.1 補(bǔ)償原理

由于SVG能在容性、感性范圍內(nèi)快速連續(xù)可調(diào)，TSC屬于分級可調(diào)，而負(fù)載均為感性，通過對兩者容量的合理分配，可實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的容性連續(xù)輸出。基本原理是:分級TSC對無功進(jìn)行粗調(diào)后使得補(bǔ)償后的無功在SVG的調(diào)控范圍內(nèi)，再由SVG來補(bǔ)償剩下的或者過補(bǔ)的無功功率，從而實(shí)現(xiàn)低成本無功連續(xù)可調(diào)。

2.1.2 基于專家規(guī)則的協(xié)同控制

由于TSC使用過零投切，其接收命令后在AB線電壓過零點(diǎn)時投入A、B相支路，而在延時1/4周期后投入 C相，其投入過程如圖2所示。圖中UTAB、ITSCA、ITSCC分別代表 TSC檢測的AB線電壓的同步電壓、TSC的A相電流和C相電流。在圖2(a)中可看出，TSC的A相和B相閥組先投入形成回路，此時A相和B相TSC的電流相等，為超前同步電壓π/2，電流沖擊小;在圖2(b)可知，C相在AB電壓峰值投入涌流少。

圖2 TSC投入過程Fig.2 The devotion process of TSC

因此要全部投入TSC的執(zhí)行周期大于5 ms，即TSC的投入是要一定的延時。SVG是要補(bǔ)償TSC補(bǔ)償后的無功功率，而SVG的響應(yīng)時間快，防止其率先響應(yīng)而進(jìn)入極限輸出狀態(tài)，而TSC沒有投入或者TSC反復(fù)投切，導(dǎo)致小容量SVG沒有充足的無功儲備，這不利于閃變治理。根據(jù)實(shí)際允許電壓波動范圍、目標(biāo)功率因數(shù)，結(jié)合母線的無功電流及SVG電流，得出了如下專家推理的初期經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，以控制TSC的投切:

其中 Ub、Ub－ref、Ub－max、Ub－min、Ib－q、Ib－SVG、ISVG－Cmax、ISVG－Lmax、cos、k分別為出線電壓的實(shí)際有效值、參考值、允許最大值、允許最小值、無功電流值、SVG發(fā)出的電流值、SVG能發(fā)出的容性電流最大值、SVG能發(fā)出的感性電流最大值、母線功率因數(shù)、投入的TSC 組數(shù);p 為目標(biāo)功率因數(shù);而 k1、k2、k3、k4、k5、k6分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)每組TSC和SVG的容量比例確定。由于每個支路兼顧不同次濾波器，投切時需按照后投先切的順序。

2.2 分時變頻多重化SVG＆FC綜合控制

2.2.1 補(bǔ)償原理

根據(jù)本企業(yè)的工作規(guī)律，10 kV電弧爐負(fù)載、低壓動力和生活照明負(fù)載的工作時間是錯開的，其中10 kV負(fù)荷主要集中在23點(diǎn)～8點(diǎn)之間，而低壓動力線集中在8點(diǎn)～18點(diǎn)，同時生活照明主要集中在18點(diǎn)～23點(diǎn)。因此低壓動力線的補(bǔ)償裝置可根據(jù)要補(bǔ)償?shù)臒o功功率和諧波的大小、次數(shù)高低，采用分時段變開關(guān)頻率調(diào)制方式，充分利用有源容量，以同時滿足10 kV諧波治理和低壓動力線無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，其中開關(guān)頻率的改變通過改變載波(三角波)的頻率來實(shí)現(xiàn)。即在18點(diǎn)～8點(diǎn)之間，由于本線路負(fù)載輕，以配合其余補(bǔ)償設(shè)備，以補(bǔ)償10 kV的諧波為主，兼顧本線路的少量無功功率，此時要求開關(guān)頻率高而補(bǔ)償容量少;而在8點(diǎn)～18點(diǎn)之間，由于其他線路輕載，以補(bǔ)償本支路的無功，并兼顧本支路的諧波補(bǔ)償為目標(biāo)，此時由于補(bǔ)償容量大要求降低開關(guān)頻率。考慮到無功補(bǔ)償量和本線路3次諧波較大，采用了多重化SVG＆FC相結(jié)合的方案，其中FC做固定容性補(bǔ)償兼做3次濾波器。

在補(bǔ)償諧波時，為了防止有源和無源的耦合，采用分頻補(bǔ)償，即有源不補(bǔ)償此時線路有相應(yīng)濾波支路的諧波。綜合考慮本系統(tǒng)，由于2次、3次濾波支路有固定補(bǔ)償，不需要有源治理，5次需要配合TSC5進(jìn)行可選擇治理，5次以上需有源治理。

2.2.2 基于dq變換的電流跟蹤補(bǔ)償控制

dq變換是將基波電壓、電流變換成d軸和q軸上的直流分量，對該直流分量進(jìn)行dq變換反變換又可以得到相應(yīng)的三相分量。因此dq變換具有降次作用，這可以推廣至N次諧波。即將對N次諧波電流經(jīng)過dq變換后將其變成直流分量，再經(jīng)過其反變換可以得到第N次諧波電流。將這種變換矩陣定義為GdqN，其值為對電壓N倍頻后所得的正弦和余弦信號，結(jié)合三相變兩相的矩陣C32組成的矩陣為

其中 N=0，1，…n，m，G'dqN定義為 GdqN的反變換矩陣，其±符號根據(jù)諧波屬性是正序還是負(fù)序確定。本文根據(jù)低壓動力線的特征，需要有源補(bǔ)償?shù)谋揪€路無功電流、主要次諧波(5、7、9)和10 kV側(cè)的主要次諧波(5、7、9、11、13)，其中 5 次在 TSC5 沒投時需補(bǔ)償。因此需要補(bǔ)償?shù)碾娏饔腥糠?

1)400 V動力線的無功電流:經(jīng)過對負(fù)載電流和本支路FC進(jìn)行檢測計(jì)算后得到要補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)電流，由于受實(shí)際調(diào)制比的影響，對此電流經(jīng)過一個比例調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)逆變器發(fā)出電流和需要補(bǔ)償電流的差值。然后對三相電流配合鎖相進(jìn)行GdqN(N=0)變換將基波分解為有功、無功2個直流分量i1c－p、i1c－q，經(jīng)低通濾波后留下無功電流的直流分量 ic－q。結(jié)合對直流電壓的PI調(diào)節(jié)計(jì)算所補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鱥c－d，經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成 dq 坐標(biāo)的兩個電壓 ed、eq，再經(jīng)過G'dqN(N=0)變換得出逆變器需發(fā)出的電壓。

2)400 V動力線的諧波電流:將同步電壓n倍頻后，結(jié)合對要補(bǔ)償電流進(jìn)行GdqN(N=n)變換，可將n次諧波變換成直流有功諧波、直流無功諧波icn－p、icn－q，分別對其低通濾波后，得到其直流分量ic－dn、ic－qn，將其進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)得到 edn、eqn，再經(jīng)過G'dqN(N=n)變換得出補(bǔ)償n次諧波所需要逆變器發(fā)出的電壓。根據(jù)負(fù)載特征，此處n取5次、7次和9次。

3)10 kV母線的諧波電流:將檢測到的10 kV母線電流換算到400 V側(cè)，對其進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后，結(jié)合同步電壓m倍頻后的鎖相得到的正余弦值，將m次諧波其換算到GdqN(N=m)坐標(biāo)的直流有功諧波、直流無功諧波 icm－p、icm－q，分別對其低通濾波后，得到其直流分量 ic－dm、ic－qm，將其 PI調(diào)節(jié)后得 edm、eqm，再經(jīng)過m次G'dqN(N=m)變換得出補(bǔ)償m次諧波所需要逆變器發(fā)出的電壓。根據(jù)10 kV的負(fù)載測試，m 取7、9、11、和13。其中5次在TSC5投入時不補(bǔ)償。

根據(jù)以上要求，整個控制流程如圖3所示，其中圖中 ea、eb、ec、ic－a、ic－b、ic－c分別為低壓動力線 C 點(diǎn)處的三相電壓和三相電流;iB－a、iB－b、iB－c分別為10 kV母線B點(diǎn)處的三相電流;Ud分別為SVG直流側(cè)電壓及其參考電壓;n、m為C點(diǎn)和B點(diǎn)需補(bǔ)償?shù)闹C波次數(shù)變量。Uc－af、Uc－bf、Uc－cf分別補(bǔ)償基波無功及直流側(cè)有功所需要逆變器輸出三相電壓;Ucn－af、Ucn－bf、Ucn－cf為補(bǔ)償 C 點(diǎn)的 n 次諧波所需要逆變器發(fā)出的三相電壓;而 Ucm－af、Ucm－bf、Ucm－cf為補(bǔ)償B點(diǎn)m次諧波需要逆變器發(fā)出的三相電壓，Uaf、Ubf、Ucf為整個補(bǔ)償?shù)娜嚯妷褐汀32為三相到兩相變化矩陣矩陣，C0、Cn、Cm為倍頻后通過鎖相環(huán)得到與ea同相位的正弦信號和余弦信號而組成的三角變換矩陣，其與 C32相乘得到 GdqN。而、、分別為對應(yīng) C、C、C、C的反230nm變換矩陣。

2.2.3 基于規(guī)則的載波變頻策略

由于多重化SVG是補(bǔ)償TSC補(bǔ)償后的無功功率，因此大多數(shù)時候沒在滿負(fù)荷運(yùn)行，有時甚至空載。因此，此時SVG可以提高開關(guān)頻率，充分利用有源容量，提高諧波的輸出能力。但由于開關(guān)器件受散熱等限制，提高開關(guān)頻率與提高輸出電流互相矛盾，因此提出可根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率的量來改變載波頻率以改變開關(guān)器件的工作頻率。而SVG要發(fā)出的無功功率2.2.2節(jié)中第1)點(diǎn)可知，即圖3中的ic－q，因此可根據(jù)其值實(shí)時改變開關(guān)頻率，并改變過流保護(hù)值。其中，頻率變化是通過改變載波頻率來實(shí)現(xiàn)，其大小需結(jié)合器件特性和所需容量決定。因此可根據(jù)這些情況制定相應(yīng)規(guī)則施行分段變頻。如當(dāng)使用IGBTKiip2043模塊時，設(shè)需補(bǔ)償?shù)臒o功電流在dq坐標(biāo)的值為ic－q，開關(guān)頻率為f，允許逆變輸出最大保護(hù)電流瞬時值為imax，則可制定如下初期規(guī)則:

圖3 基于dq變換的SVG控制原理圖Fig.3 Control block diagram of the SVG based on dq transformation

圖4為運(yùn)行過程中捕捉的SVG輸出波形，其中通道①為第一重輸出的AB線PWM電壓UPAB，通道②為經(jīng)過電抗輸出的線電壓UAB;通道③在圖4(a)中為補(bǔ)償器輸出的C相電流IC的反向值，而在圖4(b)中為補(bǔ)償器輸出的B相電流IB;通道④為補(bǔ)償器輸出的A相電流IA;M通道為通道4的頻譜分析圖。

由圖4(a)可知，此時以補(bǔ)償無功為主，各相輸出的電流大小相等、相位對稱、諧波含量少;由圖4(b)可知，此時不僅發(fā)出基波無功電流還發(fā)出不同含量的諧波電流。

2.3 通用控制器設(shè)計(jì)

為了滿足TSC、TCR、APF、SVG對控制的不同要求，縮短開發(fā)時間，實(shí)現(xiàn)控制平臺硬件的通用化和軟件的模塊化，開發(fā)了基于雙DSP2812與雙FPGA相結(jié)合為控制板的通用變流器控制平臺，采用10層板布線，其架構(gòu)如圖5所示。其中DSP1主要與外界的通訊，配備了RS485、CAN、USB、Ethernet;FPGA1完成邏輯控制等工作，即對 DSP1、2和 FPGA2和DRAM等進(jìn)行管理;DSP2和FPGA2可以根據(jù)需要分工實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)功能，其中FPGA2配備一對光纖和一個與PLC通訊口，以控制水冷系統(tǒng)。除主控板外，整個控制系統(tǒng)還包括電源板、AD板、IO板、光纖發(fā)送板和光纖接收板，其中AD板可以采集30個通道的傳感器或互感器信號，IO板可以接收16路輸入和輸出信號，光纖發(fā)送板可以發(fā)送64路獨(dú)立脈沖，光纖發(fā)送板可以接收84路回報(bào)。因此，本控制器可以通過不同的軟件分工和有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)對TSC、TCR、APF、SVG等通用變流器的控制。

圖4 SVG補(bǔ)償波形Fig.4 Compensation waveforms of SVG

1)用作SVC控制

包括TSC和TCR，由DSP2進(jìn)行AD采集，并完成觸發(fā)控制及其電能質(zhì)量分析計(jì)算，F(xiàn)PGA2完成脈沖的產(chǎn)生和回報(bào)的讀取;DSP1通過DRAM與DSP1通訊，將相關(guān)信息量通過通訊反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。

2)用作多重化SVG/APF控制

由DSP2進(jìn)行AD采集，并完成各重參考電壓的計(jì)算，通過總線將計(jì)算的瞬時值傳給FPGA2，F(xiàn)PGA2根據(jù)接收的參考數(shù)據(jù)和三角波比較后產(chǎn)生響應(yīng)的觸發(fā)脈沖。同時FPGA2還完成相應(yīng)的保護(hù)功能;DSP1通過DRAM與DSP2通訊，將相關(guān)信息量通過通訊反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。

3)用作鏈?zhǔn)絊VG控制

由DSP2進(jìn)行AD采集，計(jì)算出母線需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流等量，并接收FPGA2通過光纖與高壓側(cè)每個模塊的控制器進(jìn)行高速串行通訊得到的直流電壓，計(jì)算出補(bǔ)償器所要輸出的電壓的幅值和相角并送給FPGA2。FPGA2根據(jù)接收的幅值和相角產(chǎn)生多路帶死區(qū)和移相的PWM信號。同時FPGA2還完成相應(yīng)的保護(hù)功能;DSP1通過DRAM與DSP2、FPGA2通訊，將相關(guān)信息量通過通訊反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖5 基于DSP和FPGA控制器框圖Fig.5 Block diagram of the controller based on DSP and FPGA

3 工程應(yīng)用效果

3.1 綜合補(bǔ)償裝置的參數(shù)

結(jié)合實(shí)際測量結(jié)果和對現(xiàn)有設(shè)備的考慮，通過仿真對比研究，按照圖1所示設(shè)置，確定混合補(bǔ)償裝置各的參數(shù)為:

1)10 kV鏈?zhǔn)絊VG及TSC:裝置的補(bǔ)償容量為9.63MVar，其 中 SVG 為 3.46MVar，2次 FC 為1.04MVar，TSC3 為 2.59MVar，TSC5 為 2.54MVar。其中SVG每相由11個1 700V的H橋單元級聯(lián)而成;而其中2次電流較少，做成柜式與SVG柜并列共用斷路。而TSC3和TSC5是對原有FC支路進(jìn)行改造而成。

2)400 V低壓TSC:為了提高補(bǔ)償精確度，補(bǔ)償共分為5個支路。其中有2個的容量是另外3個的2倍，為7級補(bǔ)償，總共的補(bǔ)償容量為150kVar。可根據(jù)功率因數(shù)和不對稱程度采用多個并聯(lián)組成更多級的補(bǔ)償，本項(xiàng)目的4個箱變中分別采用了1個、2個、2個和4個并聯(lián)運(yùn)行。

3)35 kV直掛SVC:為了滿足容量要求，將原有FC支路的3次支路進(jìn)行改造，總的容量增大至12MVar，其中 TCR支路中相控電抗465.2 mH，控制角度范圍為115～170°，額定基波電流為120 A，為以后擴(kuò)容留有裕量;整個TCR控制閥分為6個組，每相間閥由2組24組TEGKP8300/65晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)構(gòu)成;與晶閘管匹配的阻容參數(shù)分別為200 Ω，0.5 μF;散熱方式為鋁型材自然冷卻。

4)400 V多重化SVG及FC:為了滿足線路平均無功1.3MVar和諧波治理的要求，將SVG采用4重化結(jié)構(gòu)，每重400kVar，額定電流600 A。與原有的補(bǔ)償容量為100kVar兼做3次濾波器的FC支路并聯(lián)。器件為 IPM模塊 IGBTKiip2043，直流側(cè)電壓1 050 V，連接電抗0.25 mH。器件根據(jù)補(bǔ)償無功和諧波的量其開關(guān)頻率在1～3 kHz變化，各重采用錯位90°SPWM調(diào)制。

3.2 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，對混合裝置投入運(yùn)行后的圖中A～D各點(diǎn)的電能質(zhì)量進(jìn)行了24 H的對比測試。測試表明，各補(bǔ)償點(diǎn)的電能質(zhì)量都有明顯改善，而且電能損耗也有較大降低。限于篇幅，本文列出110 kV和10 kV母線對比統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。其中110 kV采用瑞士Unipower Unilyzer 900F測試，由于兩臺主變壓器并聯(lián)運(yùn)行，由于負(fù)載相同，測試時只測試單臺變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，有關(guān)電壓的數(shù)據(jù)是實(shí)際電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)是在測量數(shù)據(jù)上乘以2所得到。10 kV使用美國電力士公司的PV440測試，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1～表4所示，由此可以看出:

1)110 kV側(cè)補(bǔ)償前電壓偏差、諧波電壓、諧波電流、長閃值均沒有超過國標(biāo)，只有短閃值在測試期間有超過國標(biāo)值。補(bǔ)償后短閃值的最大值由1.16下降到0.46，滿足國標(biāo)，同時其他各項(xiàng)指標(biāo)都有明顯改善，如表1和2所示。這說明本配電網(wǎng)對自身電能質(zhì)量問題進(jìn)行了就地補(bǔ)償，沒有對外網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時由于平均功率因數(shù)從0.782提高到 0.983，有功出力明顯增加，視在功率由26.94MVA減少到19.69MVA，在提高變壓器利用率的同時使得月平均電費(fèi)支出節(jié)約63萬元，節(jié)能率為36.8%。

2)10 kV側(cè)補(bǔ)償前電壓偏差、諧波電壓和電流、長閃值、短閃值、三相不平衡度等在測試期間內(nèi)都超過了國標(biāo)允許值。補(bǔ)償后的閃變、電壓偏差、三相不平衡度、諧波都有了明顯改變，滿足國標(biāo)要求，如表3和4所示。其中短閃值最大值由原來的4.83降低到0.86，長閃值最大值由原來的3.17降低到0.44;電壓偏差由原來的11.03%降低到2.28%;三相不平衡度由原來的2.61%降低到0.78%;功率因數(shù)由0.88提高到0.96。

?

?

4 結(jié)語

根據(jù)分層、分區(qū)、就地平衡的原則，本文結(jié)合企業(yè)配網(wǎng)負(fù)載實(shí)況，在不降低補(bǔ)償效果而要求價(jià)格低廉約束下，研發(fā)并應(yīng)用了有源和無源相結(jié)合的混雜補(bǔ)償裝置。利用專家規(guī)則實(shí)現(xiàn)了SVG與TSC的協(xié)同控制，解決了2個因響應(yīng)速度不一致導(dǎo)致的耦合;提出的多重化SVG的分時段分頻控制，充分利用了SVG容量，提高了對諧波的抑制效果;結(jié)合多種補(bǔ)償裝置的需求開發(fā)了基于雙DSP與雙FPGA的通用變流器控制平臺。整套系統(tǒng)具有容量大、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用效果表明顯著改善了企業(yè)配電網(wǎng)內(nèi)的各處的電能質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)低成本高效率全方位的電氣節(jié)能。該方法可根據(jù)其他配網(wǎng)負(fù)載實(shí)況，可選擇全部或部分直接進(jìn)行應(yīng)用。

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(編輯:張?jiān)婇w)

Mixed dynamic power quality compensation control and its application on industrial power distribution network

WANG Wei-an1，2，GUI Wei-hua1，ZHANG Ding-hua1，2，YANG Chun-hua1，HUANG Yan-yan2
(1.College of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute，Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

In order to improve the power quality of distribution network and realize power energy saving，integrating the predominance of active and passive compensators，a new low-cost high-efficiency and dynamic mixed compensation system is proposed.The active part was used to suppress flicker and harmonic based on the characters of fast and controllable，and the passive part was used to realize large capacity and low-cost step compensation.According to the rule of reactive power should balanced in every voltage rank，thyristor control reactance(TCR)，thyristor switched capacitor(TSC)，chain link static var generator(CLSVG)and mulriple static var generator(MSVG)were applied to different sites for different loads in a melt factory.A decision has been proposed to control the constitution of SVG and TSC to solve the question of reactive power compensation conflict，and a new method based on different frequency on different period was applied to control MSVG to improve the harmonic suppress effect.A universal converter controller was developed to satisfy the different control functions.All of power indexes were improved，and the electric power energy saving rate is 36.8%after the proposed system was put into operation.

power quality;enterprise power distribution network;mixed compensation;reactive power;harmonic suppression;static var compensator;static var generator

TM 761

A

1007－449X(2011)05－0049－08

2010－05－16

國家科技支撐計(jì)劃(2007BAA12B03);國家自然科學(xué)基金(60634020)

王衛(wèi)安(1975—)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮討?yīng)用技術(shù);

桂衛(wèi)華(1950—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笙到y(tǒng)理論及優(yōu)化控制;

張定華(1979—)，男，博士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量及優(yōu)化控制;

陽春華(1965—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制及智能控制;

黃艷燕(1975—)，女，博士，高級工程師，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)及電能質(zhì)量。