自冷式靜止無功補償發生器的控制策略

焦緒強 朱耿峰 陳嘯旭 息 鵬

（1. 華能青海發電有限公司新能源分公司，西寧 810000； 2. 遼寧榮信興業電力技術有限公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

在配電網中，由于負載分布的隨機性和多樣性，導致配電網出現功率因數低、供電電壓不穩定、配電網損耗大等一系列問題。因此，無功補償對配電網有著重要的意義。對配電網進行適當的無功補償，可以穩定電網電壓，提高功率因數，提高裝置利用率，減小網絡有功功率損耗，平衡三相功率，為系統提供電壓支撐，最終提高電網運行的安全性及穩定性。

1 自冷式靜止無功補償發生器

電網中最常用的補償裝置是靜止無功補償發生器（static var generator, SVG）。隨著靜止無功補償發生器的發展，市場對靜止無功補償發生器的要求越來越高，不但要適應各種惡劣的環境，還要保證補償裝置穩定運行的壽命[1]。影響補償裝置壽命最重要的因素是溫度，高溫不但會損壞元件還有可能造成爆炸，因此為了更好地提高裝置的壽命和穩定性，提出一種自冷式靜止無功補償發生器，這是一種基于測量柜體、絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、電抗器溫度參數的新型裝置，其使用自動限容控制策略，通過控制器上的傳感器實時采集靜止無功補償發生器柜體、IGBT、電抗器的溫度。當檢測到靜止無功補償發生器裝置的某一處超溫時，則會暫時減小裝置的輸出容量進而降低裝置的溫度。當溫度降低到限容給定值以下時，裝置又會恢復正常的補償容量。

本文所提補償裝置具有結構簡單、設計合理、使用方便、科學實用等特點，其優勢在于可以對靜止無功補償發生器主要部分的溫度進行快速準確的控制，既保證裝置可以長期穩定地運行又可以避免由高溫引發的爆炸風險[2]。

2 控制策略

整個系統如圖1所示，主要包括電網、負載和補償裝置三個部分。其中補償部分就是本文所提自冷式靜止無功補償發生器，如圖1（a）所示。靜止無功補償發生器裝置主要由控制部分和顯示部分兩部分組成，如圖1（b）所示。控制部分采集網側電壓、電流及其他參數傳遞給控制器，控制器進行分析計算后輸出控制信號來決定裝置的運行狀態；顯示部分主要以上位機的形式直觀地顯示系統中各個參數，以供調試人員觀察調試[3-6]。

圖1 整個系統

控制策略決定了裝置性能的好壞，靜止無功補償發生器的控制策略如圖2所示，主要包括相間電壓平衡控制、鎖相環（phase locked loop, PLL）控制、電流內環控制、相內平衡控制等。

圖2 靜止無功補償發生器控制策略

相間電壓平衡控制是通過控制器計算每相電壓的平均值并與系統的設定值進行比較，得到相間平衡的偏差值傳遞給電流環的有功值，與電流環上的網側有功分量相結合，計算出當前狀態下所需的有功分量，通過調節有功值來平衡每相之間的電壓差值，進而穩定相間電壓。

鎖相環控制是為了使補償部分的相位與電網側的相位保持一致，來使補償裝置輸出的電流可以在電網側同步，進而達到補償效果的高精度。

電流內環控制是通過分解電網側電流的有功、無功分量進行計算，通過處理得到的當前狀態下裝置所需要發出的有功、無功分量，達到補償電網側無功功率目的，同時電流內環控制也是實現相間和相內電壓平衡的關鍵。此項控制的精確程度決定裝置的補償效果，通過不同的算法來決定裝置的不同補償模式，從而解決不同現場的不同問題。

相內平衡控制是把每相單元的直流側電壓與設定的參考值進行比較，得出偏差值進行閉環控制，來矯正相內直流側電壓以保證裝置的穩定輸出。

傳統的系統控制策略為：首先采集電網側電壓，進行鎖相，提取計算出電網的實時相位并傳遞給控制器，控制器把補償電流與其相位進行同步，再經過電流環進行計算輸出所需要的補償電流，與此同時實時監測單元內部的直流電壓和相間的電壓值，通過比例積分（proportional integral, PI）調節進行電壓控制以保證裝置穩定輸出[7]。

隨著設備長時間運行或者設備處在溫度較高的工況下，會出現損壞元件的現象，嚴重時會發生爆炸事件，危及裝置及人身的安全[8]。

為了解決上述問題，本文將控制策略升級，在電流環部分加入溫度控制，不僅不消耗額外的有功功率，而且針對不同用戶的需求，裝置還提供了三種控制模式[9-11]，包括電壓控制、功率因數控制及無功控制，可根據不同的現場和不同的需求進行調整，以達到最好的補償效果。

控制策略設計流程如圖3所示，通過采集補償裝置柜體、IGBT、電抗器的溫度參數傳遞給控制器，計算處理后與設定的限容溫度給定值進行無差調節，其輸出的結果改變靜止無功補償發生器的無功電流環輸出，進而改變裝置的容量，達到控制溫度的目的。

圖3 控制策略設計流程

控制策略實現流程如圖4所示，首先通過采集模塊采集各個通道下柜體的溫度，利用通信協議傳遞給控制器進行分析比較，得到最大值，與用戶在系統中設定的柜體溫度限容值進行比較，得到柜體溫度PI閉環控制的輸入信號，閉環控制結束后，當輸出值大于0時，輸出值取0，當輸出值小于-1時，輸出值取-1，然后把柜體溫度PI閉環輸出值進行處理，得到柜體溫度控制限容系數；其次檢測多個通道的IGBT溫度，進行同樣處理得到IGBT溫度控制限容系數；繼續檢測多個通道的電抗器的溫度，得到電抗器溫度控制限容系數；最后將補償裝置柜體、IGBT、電抗器的三組溫度控制限容系數相乘，得到總的溫度控制限容系數；在將總溫度控制限容系數與靜止無功補償發生器負載側無功電流檢測值相乘，得到靜止無功補償發生器無功電流PI環的指令值，傳遞給控制器進行輸出，通過自動改變補償裝置的輸出電流，來改變裝置的容量，進而降低裝置的各個元件的溫度。

圖4 控制策略實現流程

通過此設計方法可以解決靜止無功補償發生器超溫所引發的一系列問題，同時延長了裝置的壽命，提高了裝置的穩定性，此技術已經成功應用在實際設備中并穩定運行。

3 實驗驗證

為了驗證本文設計的控制策略，在75A/220V的實驗樣機上進行測試，如圖5所示。當裝置正常工作時，補償裝置柜體、IGBT的溫度都在限定值范圍內（見表1），此時通過上位機可以觀察到裝置滿載工作并輸出75A的補償電流（見表2）。

圖5 實驗樣機

表1 正常工作時溫度

表2 正常工作時的裝置補償電流

為了模擬超溫時的狀態，把裝置放在老化室中使其溫度達到限定值以上（見表3），裝置開始進行自動限容，通過實時觀察發現，此時補償電流已經降低到51A（見表4），觀察溫度也降到規定溫度以下（見表5），同時截取示波器中的電流變化波形如圖6所示，圖6更直觀地顯示了補償電流的變化，既證明了實時性又驗證了控制算法的可行性。

表3 超溫下的裝置溫度

表4 降容后的的補償電流

表5 降容后的溫度

圖6 示波器中的電流波形

4 結論

本文所提自動限容控制策略是當檢測到靜止無功補償發生器裝置柜體、IGBT、電抗器的某處超溫時，通過降低裝置的無功補償輸出電流，進而降低裝置的溫度。當溫度下降到限容溫度給定值以下時，裝置又會恢復正常的補償電流。為了延長裝置的壽命，此控制策略只是起到保護裝置軟件的作用，不會對裝置容量產生嚴重影響。此外，如遇到特殊的工況需要靜止無功補償發生器具備短時過載能力時，可以在出廠前進行特殊設置。此技術可在高壓設備需要時加入，具有很好的適應性。本文通過實驗證明了該控制策略的有效性和正確性，具有一定的工程意義。