基于RTDSRTDSS的靜止無功補償控制器仿真研究

唐 斌，安衛東，張明廣，徐在德

（1.國網四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000；2.國網江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來伴隨工業的迅速崛起，用電質量也越來越受到關注，各類低壓補償裝置的應用越來越廣泛[1-3]。目前該類裝備主要以固定式或投切式電容補償裝置（Fixed capacitor FC）為主。考慮到配網運行工況十分復雜，由于產品滋生在控制、保護等策略方面考慮不夠全面，導致技術比較成熟的固定式或投切式電容FC補償裝置，在實際應用中都存在故障率較高的問題[4]。

采用Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC等純軟件仿真來進行裝置的建模與分析，此類仿真結果過于理想化，只能進行理論上的驗證，并不能真實反映裝置的實際運行結果。實時數字仿真系統（Real Time Digital Simulator簡稱RTDS）是國際上研制和投入商業化應用最早的數字實時仿真裝置，被最廣泛采用的電力系統實時仿真裝置[5-7]。實時數字仿真系統具有電網及其各種狀態的精確模擬能力和多種輸入輸出接口，能夠在實驗室環境對電氣設備進行全面的精確的實時動態的測試[8]。

1 構建FC靜止無功補償裝置的閉環測試模型

在RTDS實時數字仿真環境中構建FC靜止無功補償裝置的運行軟件仿真模型，仿真測試中的物理裝置部分利用了實際裝置中的FC控制器、接觸器、RTDS輸入輸出硬件接口、電壓電流功率放大器，其余部分包括三相電網、無功、諧波負載及電容器組等均由RTDS軟件模擬。為了對FC控制器閉環控制系統性能的準確測試，將低壓電容補償裝置控制器接入RTDS實時數字仿真系統，建立閉環仿真測試平臺；通過RTDS實時數字仿真測試平臺對固定電容投切補償裝置控制器進行閉環測試。

圖1 FC控制保護RTDS閉環測試系統結構模型

由圖1可知，測試時RTDS實時數字仿真裝置通過GTAO（模擬輸出接口）直接向FC控制器提供必要的模擬電壓、電流信號。FC控制器接收信號后進行計算處理，輸出接觸器電壓驅動信號，驅動接觸器線圈，通過接觸器的空開端子與GTFPI（數字輸入接口）連接，傳遞給RTDS電容器模型，以此控制電容器的投切，從而逐步逼近FC控制器設定功率因數值。

2 FC實物控制器仿真測試

根據配網中常見的FC靜止無功補償裝置，同時此次實驗選用正泰電氣生產的智能型低壓無功功率自動補償控制器，輸入采樣信號為交流電壓（額定220 V）、電流（額定0.1-5 A），接觸器共12組，輸出為接觸器控制信號（額定220 V、額定電流43 A），形成了12對干接點信號。

FC實物控制器裝置通過功放采樣RTDS模型中的B、C兩相電壓信號及A相電流信號，FC實物控制器裝置輸出的12路干接點信號輸送到RTDS的GTFPI卡。RTDS搭建仿真模型輸出接口信號經過功率放大器輸出電流、電壓，通過接口板電壓轉化為FC控制器額定采樣電壓。

根據配網系統315 kVA變壓器參數計算，設置感抗0.06 mH，阻抗0.05Ω。

3 FC實物控制器仿真測試

3.1 線性負荷實驗

選用阻感負荷，圖2可知，投入前網側功率因數0.76，FC控制器功率因數設置0.97，由于網側電流因數低于控制器功率因數的設定值，控制器計算采樣電壓、電流之后，發出動作信號，控制接觸器的動作投入電容，由圖3可知，電容器投切過程中電流有瞬間沖擊，圖4為投入電容器之后的波形，功率因數達到設定值為0.97。

圖2 投入FC靜止無功補償器前網側電壓電流波形

圖3 投入FC靜止無功補償器瞬間網側電壓電流波形

圖4 投入FC靜止無功補償器之后網側電壓電流波形

3.2 非線性負荷實驗

選用不可控整流負載作為負荷，由圖5可知該負荷既含有諧波、無功，補償前功率因數為0.79，諧波含有量THD=39.231%，補償電容投入后，由圖6為電容器投入之后的波形，電流有瞬間沖擊，功率因數達到設定值0.97，諧波放大，含有量高達THD=51.453%。

圖5 投入FC靜止無功補償器前網側電壓電流波形

圖6 投入FC靜止無功補償器瞬間網側電壓電流波形

3.3 電網故障實驗

網側AC相間發生故障，通過此模型設置相間短路故障1個電網周期的時間，B相電壓、電流均正常，由圖7可知A、C電壓拉低，電流瞬間拉高，由圖8可知電容器電流峰值接近于250A，FC控制器沒有發出保護信號。

圖7 AC相間故障三相電壓電流線

圖8 AC相間故障電容電流線

網側三相對地故障，通過此模型設置了三相對地短路故障1個電網周期的時間，由圖9可知三相電壓瞬間跌落，由圖10可知電容器電流峰值接近于100 A，FC控制器未發出保護信號。

圖9 三相對地短路故障電壓電流線

圖10 三相對地故障電容電流

基于RTDS的實物FC控制器仿真測試實驗：1）線性負荷仿真實驗。2）非線性負荷仿真實驗。3）電網故障仿真實驗，通過仿真實驗證明與在電容器的投切瞬間均有沖擊電流，同時對現場難以模擬的電網故障情況進行仿真實驗，通過仿真可以看出當電網系統發生故障時，電容器的電流具有瞬間較大的沖擊，FC靜止無功補償裝置并未及時切除，由此分析配電臺區電容器故障率較高的原因為諧波較大或者沖擊性負荷造成電容器頻繁投切造成。

4 結語

在配網系統中發現FC固定投切電容裝置在某些低壓配電臺區故障率較高，為了查找原因，本文通過RTDS實時數字仿真及現場實驗驗證方法進行了深入的研究。通過多種配電臺區多種工況的仿真分析，得出來了配電臺區電容器補償裝置故障率較高的原因，同時RTDS實時數字仿真系統還可以對現場實際問題模擬重現。該方法在電能質量控制及其他電力系統應用中將有廣泛的前景。

[1]羅安編.電網諧波治理和無功功率補償技術及裝備[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]劉崇茹，林雪華，李海峰等.基于RTDS的模塊化多電平換流器子模塊等效模型[J].電力系統自動化，2013，37（12）：92-98.

[3]楊淑英，杜彬.基于dq變換的動態電壓恢復器綜合求導檢測算法[J].電力系統自動化，2008，32（2）：92-98.

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[7]徐在德，張俊鋒，范瑞祥.應用于配電系統并聯APF的仿真研究[J].江西電力，2013（6）：55-58.

[8]劉驥，魏新勞，徐在德，等.源側電流檢測的DSTATCOM控制策略［J］.電機與控制學報，2012，16（1）：56-61．

[9]GB/T15945-1995電能質量電力系統頻率允許偏差[S].