數字變電站中電子式變壓器自適應控制與校正方法

樓曉軒，程祥，周文，宋平，郗傳鑫，劉潤苗

(1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310020；2.江蘇凌創電氣自動化股份有限公司，江蘇 鎮江 310020； 3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211167)

0 引 言

隨著建設電力物聯網工作的推進，變電站也逐漸邁入數字化和信息化的發展階段[1]。數字化變電站作為電力物聯網的重要環節，具備連接線路、傳輸電能和變換電壓等級等功能[2-3]。電子式變壓器作為電力系統電流測量設備，承擔著監測一次設備運行狀態和為二次設備提供真實可靠電氣量的任務，是繼電保護系統中的重要組件[4]。新型電子式變壓器具有動態范圍大、測量精度高、頻帶響應寬等優點，但其在現場運行中還面臨著許多待完善的技術問題，如互感器的結構設計、數據處理以及互感器狀態監測等。面對大規模商業化應用的需要，電子式變壓器的測量準確度、長期穩定性和電磁兼容可靠性等有待時間的考驗[5]。

目前，國內外學者對電子式變壓器實際應用中的具體問題進行研究。文獻[6]優化了數字積分(digital integral，DI)算法，利用微分控制器調節衰減因子削弱直流分量的作用，減小直流偏差以提高精度。文獻[7]采用可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)，根據實際需要變換不同量程以克服小信號易造成較大采樣誤差的難題。文獻[8]利用分散神經自適應動態表面控制方式(decentralized neural adaptivedynamic control，DNADC)，補償未知非線性動力學，并引入誤差變換函數，使功角跟蹤誤差保持在預定的性能曲線上。但上述方法在處理現場工作中存在大量干擾諧波，采樣誤差較高。比例積分(proportional integral，PI)控制器是電力電子變換器中最常用的控制器，其輸出端有良好的性能，與智能控制器相結合可削弱非線性量的影響。為了解決智能控制計算量大、系統動態性能不佳且采樣率低等問題，提出了一種數字變電站中電子式變壓器自適應控制與校正方法。

1 電子式變壓器的自適應控制

數字變電站中電子式變壓器的拓撲結構包括輸入、隔離和輸出三個部分，并且每個部分都有一個獨立的控制單元[9]，如圖1所示。

圖1 電子式變壓器的拓撲結構

電子式變壓器的輸入級為三電平三相脈沖寬度調制，而對于控制器的建模，需要基于Park變換將三相電壓變量轉化為同步旋轉dq坐標系中的變量。電流內環和電壓外環的綜合解耦dq控制器中，利用PI控制器可得到電子互感器雙閉環控制器。由于PI參數在可變工作條件下有一個固定值，導致系統在分散擾動下的動態性能較差。為了克服這一問題，采用FLC在線自動調整PI控制器的增益參數，以處理線性和非線性操作。基于結合FLC的自適應PI控制器的電子變壓器控制結構如圖2所示。

圖2 基于自適應控制器的電子變壓器控制結構

所提的自適應控制器由兩個輸入(誤差e、PI控制器輸出信號u)和兩個輸出信號組成，其FLC的兩個輸出自動調節PI控制器的Kp項和KI項的信號。當負載電流變化或短路故障引起大擾動時，FLC根據誤差e信號和PI輸出控制信號u的變化自動更新PI增益，通過檢測與FLC輸入的可能偏差，可以自動設置設定點變化和負載擾動的PI控制器參數。

2 電子式變壓器的校正方法

電子式變壓器的運行環境復雜多變，所提方法通過改進傳統離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)算法，完成對電子式變壓器采樣數據的有效提取。采樣數據x(n)進行DFT變換為X(k)：

(1)

式中:λ為采樣頻率的波動和變化;k=0,1,…,N-1;φB為基頻初始相位角;A為離散域幅值;N為采樣個數。

采樣數據DFT變換后的相位頻譜φs和角差Δφ為：

(2)

按照電網中存在非線性負荷的波形特點，將采樣波形等數目地截斷在進行疊加，以此削弱頻率波動和頻譜泄漏對電子式變壓器精度的影響。

電子式變壓器中使用了大量電力電子器件，因此基頻主譜線易受到高次諧波、譜間干擾的影響。為此，所提方法采用快速傅里葉變換與窗函數相結合的方法校正主頻譜，以減少電子式變壓器采樣數據中幅值與相位的誤差。主頻譜信號為x(t)=exp[j(ω0t+φ0)]。式中：ω0為初始角頻率;φ0為初始角度。存在頻偏時，信號基波頻率設為f0。第i個頻譜所對應的X(k)在f0附近的峰值序列設為ki,該點的頻率為fi=ki·fs/N。式中：fs為采樣頻率。設(fi-f0)N/fs的值為σ1。將x(n)等數目截斷后，得等長同頻信號x1(n)和x2(n)，則加WH2(n)后，兩者的相位差為：

φ(f1)-φ(f2)=φ0-2π(f1-f0)N/(2fs)-
[φ0-2π(f2-f0)N/(2fs)+πf0ts]=πf0ts=-2πσ1

(3)

式中:φ(f1)為x1(n)的相位;φ(f2)為x2(n)的相位;f1、f2分別為x1(n)和x2(n)的頻率;ts為采樣時間。

由窗函數的性質可得校正后的相位φ和幅值Y分別為：

(4)

式中:k0為第0個頻譜所對應的X(k)在f0附近的峰值序列。

3 結果與分析

為了評估所提方法的性能，利用MATLAB/Simulink構建了系統仿真模型。系統仿真參數設置為：額定功率100 kVA，輸入電壓11 kV，輸入電感0.25 H，高壓側電容20 μF，低壓側電容30 mF，負荷100 kW。通過在電子式變壓器一次側和二次側引入擾動，對所提方法的動態性能、電能質量和采樣準確率進行評估。

3.1 短路故障

當電子式變壓器二次側發生短路故障時，其輸出有功和無功功率如圖3(a)所示。當一次側發生故障時，輸入有功和無功功率相應如圖3(b)所示。

從圖3(a)可看出，短路故障在1.2 s后開始，當發生短路故障時，輸出有功功率從98 kW降到26 kW。從圖3(b)可看出，采用所提方法的電子互感器輸出有功下降了大約3 kW，而采用傳統PI控制器的電子互感器輸出有功下降了大約54 kW，因此電子互感器采用所提方法，其有功輸出受短路故障的影響較小。

圖3 短路故障時電子式變壓器的有功和無功功率

3.2 校正方法性能分析

為了論證所提校正方法的有效性，將其與其他三種不同方法(DI、PGA和DNADC)進行對比分析，試驗結果如圖4所示。

從圖4可看出，隨著頻率的增大，PGA和DNADC方法的角差逐步縮小，而DI方法角差也隨之增大，所提方法的角差分布與差變化趨勢一直，均較為平穩，當頻率為49.7 Hz時出現最大角差0.342 97′，最小角差值為0.060 3′。當電網頻率波動時，電子互感器輸出數據的角差比其他方法小一個數量級，由此論證了所提方法相位補償的有效性，能夠提高采樣數據的準確性。

4 結束語

針對現有電子式變壓器主要存在動態性能不佳且對采樣數據的校正效果不理想的問題，提出了一種數字變電站中電子式變壓器自適應控制與校正方法。采用模糊邏輯控制器自動調節比例積分控制器的增益參數，實現電子式變壓器的自適應控制，并且利用改進的DFT算法以及結合卷積窗算法修正主頻譜，減小頻率波動和非同步采樣所產生的誤差。在MATLAB軟件中對所提方法進行了試驗論證，結果表明了方法能夠削弱短路故障造成的影響。與其他方法相比，所提方法在不同的電網頻率下，角差不會突變，具有更好的動態性能和電能質量。此外，在數字變電站現場環境中，噪聲對設備的干擾也是需要考慮的因素，接下來的工作中將研究噪聲干擾條件下電子式變壓器的性能。同時引入頻率跟蹤算法，以解決相位信息的實時解算問題。