TSC+STATCOM的混合無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制策略研究

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(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

電力系統(tǒng)中，大量無(wú)功的遠(yuǎn)距離傳輸造成電網(wǎng)損耗增加、各節(jié)點(diǎn)電壓降低，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量[1,2]。近年來(lái)，隨著負(fù)荷容量的不斷增加，電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需求越來(lái)越大，無(wú)功功率的補(bǔ)償就顯得尤為重要。目前，無(wú)功補(bǔ)償裝置種類繁多，主要有固定電容器(fixed compensator，F(xiàn)C)、并聯(lián)飽和電抗器(saturattd resistance，SR)、晶閘管控制電抗器(thyristor controlled resistance，TCR)和晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor，TSC)等。而得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)也受到了廣泛的關(guān)注[3,4]。

目前，TSC作為一種成本較低、控制簡(jiǎn)單的無(wú)功補(bǔ)償裝置已得到廣泛應(yīng)用，但其只能實(shí)現(xiàn)無(wú)功的分級(jí)補(bǔ)償，難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)較準(zhǔn)確的要求。而STATCOM采用GTO、IGBT等全控型電力電子器件，能準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)無(wú)功的補(bǔ)償，但由于電力電子制造工藝的限制，大容量的STATCOM造價(jià)昂貴，這限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。故研究一種低成本、快速、大容量的無(wú)級(jí)無(wú)功補(bǔ)償裝置顯得非常有必要[5-7]。

針對(duì)TSC和STATCOM各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種由TSC與STATCOM構(gòu)成的混合無(wú)功補(bǔ)償裝置，兼具TSC低成本、大容量和STATCOM準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)。TSC為離散子系統(tǒng)，STATCOM為連續(xù)子系統(tǒng)，所以混合無(wú)功補(bǔ)償裝置是由離散子系統(tǒng)和連續(xù)子系統(tǒng)構(gòu)成的混雜系統(tǒng)，其控制是該無(wú)功補(bǔ)償裝置的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)離散子系統(tǒng)TSC和連續(xù)子系統(tǒng)STATCOM的協(xié)調(diào)控制，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，采用分層控制結(jié)構(gòu)。其中，TSC與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)投切電容器(mechanical switching capacitor，MSC)不同，采用晶閘管閥代替機(jī)械開關(guān)，在頻繁投切電容器(來(lái)不及對(duì)電容器殘壓放電)的情況下，能任意準(zhǔn)確控制電網(wǎng)電壓值在等于電容器殘壓時(shí)刻投入電容器組，避免了因機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間不準(zhǔn)確導(dǎo)致電網(wǎng)電壓與電容器殘壓偏差而引起的電容器沖擊電流現(xiàn)象。而針對(duì)STATCOM數(shù)學(xué)模型強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，采用基于逆系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制方法。最后通過(guò)仿真證明，在所提控制策略下，該混合無(wú)功補(bǔ)償裝置能實(shí)現(xiàn)無(wú)功的快速、連續(xù)補(bǔ)償。

1 混合無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)與原理

TSC+STATCOM的混合無(wú)功補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由一臺(tái)小容量的STATCOM和多組大容量的TSC組成。STATCOM采用電壓源型逆變器，直流側(cè)電容器作為儲(chǔ)能元件，需保持其電壓恒定，逆變器經(jīng)連接電抗或通過(guò)變壓器接入系統(tǒng)。STATCOM能提供較小容量的感性無(wú)功和容性無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的精補(bǔ)，是連續(xù)補(bǔ)償系統(tǒng)。多組TSC容量相同，通過(guò)晶閘管閥接入系統(tǒng)，與之相串聯(lián)的電抗器可抑制電容器組投入時(shí)所引起的涌流以及以單調(diào)諧方式濾除諧波。單組TSC容量是STATCOM的兩倍，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的粗補(bǔ)，是離散補(bǔ)償系統(tǒng)。

為說(shuō)明兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)行，現(xiàn)假設(shè)單組TSC容量為Qc，STATCOM容量為Qc/2。當(dāng)系統(tǒng)所需無(wú)功功率介于nQc-Qc/2與nQc+Qc/2之間時(shí)，投入n組電容器組，而剩余介于-Qc/2與Qc/2之間的無(wú)功功率則由STATCOM進(jìn)行補(bǔ)償；而當(dāng)系統(tǒng)所需無(wú)功功率超出已投入的TSC加上STATCOM裝置最大補(bǔ)償容量范圍時(shí)，則投入新的一組TSC，同時(shí)調(diào)節(jié)STATCOM在適當(dāng)?shù)闹怠Ｈ绱耍憧蓪?shí)現(xiàn)降低STATCOM成本且滿足大容量無(wú)功的準(zhǔn)確無(wú)級(jí)補(bǔ)償。

圖1 混合無(wú)功補(bǔ)償裝置拓?fù)鋱D

2 混合無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器的設(shè)計(jì)

2.1 概述

圖2 系統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)是一個(gè)具有專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它根據(jù)某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬專家的決策過(guò)程，以解決那些需要專家決策的復(fù)雜問(wèn)題[8,9]。

2.3 TSC控制器的設(shè)計(jì)

TSC控制簡(jiǎn)單，但需注意到電容器組投入系統(tǒng)，且電網(wǎng)電壓不等于電容器殘壓時(shí)，極易引起涌流，而對(duì)于TSC頻繁投切的場(chǎng)合，更是嚴(yán)重影響電容器組的使用壽命。由于上次電容器組被切除時(shí)，晶閘管在電容器電路電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，則電容器電壓必然為電網(wǎng)電壓的峰值。所以，若電容器組電壓初值為電網(wǎng)電壓峰值，并于電網(wǎng)電壓峰值時(shí)刻投入，則理論上不存在涌流。故在初次投入時(shí)，采用預(yù)充電技術(shù)，將電容器組電壓充至電網(wǎng)電壓峰值，控制器接收到?jīng)Q策層的投入信號(hào)后不立即投入，待電網(wǎng)電壓到達(dá)峰值時(shí)再發(fā)送投入信號(hào)至執(zhí)行層，可有效避免涌流。之后，由于頻繁投切加之未設(shè)置電容器組的放電電路，切除后的電容器組殘壓略小于電網(wǎng)電壓峰值，此時(shí)若有投入信號(hào)，則待檢測(cè)到電網(wǎng)電壓值等于電容器組殘壓值時(shí)(在電網(wǎng)電壓峰值附近時(shí)刻)，投入電容器組。這樣，避免了在頻繁投切情況下電容器組投入的涌流問(wèn)題，延長(zhǎng)了電容器組的使用壽命。

2.4 STATCOM控制器的設(shè)計(jì)

2.4.1 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

由圖1中STATCOM的電路結(jié)構(gòu)，可得出其在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[10]，如式(1)所示。

(1)

其中，Si(i=a，b，c)為開關(guān)信號(hào)函數(shù)；UNO為直流側(cè)電容器低電位點(diǎn)與系統(tǒng)中性點(diǎn)的電位差，二者數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

(2)

(3)

為了便于控制器的設(shè)計(jì)，將STATCOM在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，即得

(4)

式中，下標(biāo)d、q表示各物理量在dq坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量。

2.4.2 無(wú)功電流的計(jì)算

STATCOM控制器從決策層接收到的是無(wú)功功率的期望值，需通過(guò)計(jì)算得出STATCOM無(wú)功電流的期望值。由瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)理論知[11]，當(dāng)Park變換矩陣的初相角與母線電壓相角相同時(shí)，STATCOM補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率與電流存在如下關(guān)系。

(5)

2.4.3 逆系統(tǒng)方法線性化解耦

逆系統(tǒng)方法[12]是近20年發(fā)展起來(lái)的一種新型反饋線性化理論，其基本思想是：通過(guò)反饋方法求得被控對(duì)象的逆系統(tǒng)，將逆系統(tǒng)串接于原系統(tǒng)之前，組成新型復(fù)合系統(tǒng)。該新型復(fù)合系統(tǒng)是具有線性傳遞關(guān)系的偽線性系統(tǒng)。

選取式(4)的狀態(tài)變量為[x1，x2，x3]=[Id，Iq，Udc]，控制輸入量為[u1，u2]=[Sd，Sq]，輸出變量為[y1，y2]=[Id，Iq]，并利用逆系統(tǒng)方法求得逆系統(tǒng)為

圖3 逆系統(tǒng)方法線性化原理圖

這樣構(gòu)造出來(lái)的偽線性系統(tǒng)可解耦成兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，表示為

(7)

(8)

根據(jù)逆系統(tǒng)的相對(duì)階定義，可求得該系統(tǒng)的相對(duì)階1+1=2<3，所以偽線性系統(tǒng)存在一個(gè)隱動(dòng)態(tài)，即式(4)中的第3式。該隱動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定即是直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，采用PI控制使其穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 直流側(cè)PI控制圖

2.4.4 變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)

(9)

綜合考慮狀態(tài)變量收斂速度及抖動(dòng)現(xiàn)象，取變結(jié)構(gòu)控制的指數(shù)趨近率如下。

(10)

式中，k值取較大，ξ值取較小 ，可有效提高收斂速度，降低抖動(dòng)現(xiàn)象。為進(jìn)一步減小抖動(dòng)，用飽和函數(shù)sat(*)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制中的符號(hào)函數(shù)。

聯(lián)立式(7)、(9)、(10)，得到子系統(tǒng)式(7)的變結(jié)構(gòu)控制率為

(11)

同理，得到線性子系統(tǒng)式(8)的變結(jié)構(gòu)控制率為

(12)

將式(11)、(12)代入式(6)，可得原系統(tǒng)的輸入控制量u1、u2為

(13)

求得u1、u2后，經(jīng)Park逆變換和正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)，得到逆變器的控制信號(hào)[14]，從而實(shí)現(xiàn)了STATCOM無(wú)功功率的精確補(bǔ)償，其控制原理如圖5所示。

圖5 STATCOM控制原理圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提裝置及其控制策略的有效性，在Mtalab/Simulink軟件中搭建仿真模型。各仿真參數(shù)為：系統(tǒng)電壓10 kV，頻率50 Hz，TSC共有三組，每組容量為4 Mvar，STATCOM容量為2 Mvar，變壓器變比為4，其折算到STATCOM側(cè)的電阻為0.01 Ω、電感為2 mH，直流側(cè)電容7 mF。變結(jié)構(gòu)控制參數(shù)ξ1=ξ2=3，k1=k2=3 000，直流側(cè)PI控制參數(shù)Kp=10，Ki=1。

圖6 混合無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償無(wú)功值Qm

系統(tǒng)需補(bǔ)償無(wú)功功率如圖6中的Q所示，初始為0 Mvar，0.2 s時(shí)突變?yōu)? Mvar，0.4 s時(shí)突變?yōu)?.5 Mvar，0.6 s時(shí)突變?yōu)?3.5 Mvar，0.8 s時(shí)突變?yōu)?1 Mvar，1 s時(shí)突變?yōu)?.5 Mvar，1.2 s時(shí)突變?yōu)? Mvar，1.4 s時(shí)突變?yōu)? Mvar。Q值為正表示發(fā)出感性無(wú)功功率。

圖7 電容器組投入組數(shù)m、STATCOM無(wú)功補(bǔ)償值Qs、電容器組A相電流I

圖8 直流側(cè)電壓Udc

5 結(jié) 論

所提出的TSC+STATCOM混合無(wú)功補(bǔ)償裝置能實(shí)現(xiàn)低成本、大容量、連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償，彌補(bǔ)了TSC有級(jí)補(bǔ)償及大容量STATCOM成本較高的缺點(diǎn)。采用分層控制結(jié)構(gòu)，利用專家系統(tǒng)推理協(xié)調(diào)離散子系統(tǒng)TSC與連續(xù)子系統(tǒng)STATCOM二者的運(yùn)行。同時(shí)，TSC控制器保證了電容器組投入時(shí)幾乎不引起涌流，而基于逆系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制策略使得STATCOM能準(zhǔn)確跟蹤指令值。仿真結(jié)果已表明該混合無(wú)功補(bǔ)償裝置具有良好的無(wú)功補(bǔ)償效果。

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