電壓波動和閃變分析自適應控制研究

李壯

摘要：供電系統在我國現代經濟發展過程中發揮著重要作用，據統計，國家電網每年因電壓波動和閃變造成幾千萬的經濟損失。因此，針對電壓波動與閃變的檢測，以及具體問題的處理需要強化，確保電網在運行期間的可靠性與安全性。

關鍵詞：電壓;波動和閃變分析;STATCOM

受端電網的電能往往由其外部遠距離的發電廠通過高壓輸電線傳輸獲取，并且對應著密集的工商業負荷，換流站、輸電線路以及異步電動機、電弧爐、降溫壓縮電機等負荷的無功功率需求量巨大。在負荷側安裝一定數量和容量的靜止同

步補償器（staticsynchronouscompensator，STATCOM）做無功補償，不僅能在電網穩定運行時維持電壓穩定、提高供電質量、降低電能損耗，同時在發生較為嚴重的短路故障時，能提供良好的無功支撐，快速恢復電壓至安全水平，避免超負荷。目前條件相對較好的廣東電網，已經逐漸在負荷端如東莞、水鄉配置了STATCOM。STATCOM的規劃和控制也獲得了越來越多的關注。

一、安裝動態無功補償裝置對電網的作用

①抑制電壓波動和閃變。高容量、大電流的設備負荷的急劇變化，會導致負荷電流產生對應的劇烈波動，使系統電壓損耗快速變化，從而引起受電端電網電壓閃變。動態無功補償裝置能夠快速地提供無功電流，以補償負荷變化引起的電壓波動和閃變現象。②抑制三相不平衡，提高電能質量。配電網中存在著大量的三相不平衡負載，同時，線路、變壓器等輸配電設備三相阻抗的不平衡，也會導致電壓不平衡問題的產生。動態無功補償裝置能夠快速地補償由于負載不平衡所產生的負序電流，始終保證流入電網的三相電流平衡，提高電能質量。③維持用戶端電壓，加強設備電壓穩定性。對于負荷中心而言，由于負載容量大，又沒有大型的無功電源支撐，因此容易造成電網電壓偏低甚至發生電壓崩潰等事故。安裝動態無功補償裝置后，具備了快速的無功功率調節能力，可以維持負荷側電壓，使用電設備在額定電壓下運行。

二、導致電壓波動和閃變的原因

光伏電站的輸出功率隨天氣的變化而變化，當輸出功率突變時，會造成配電網線路電壓波動和閃變;光伏電源在并入與退出配電網系統的瞬間，輸出功率的突變也容易引發配電網系統的電壓波動與閃變。其產生的影響大小與光伏電站的容量、并網位置密切相關。光伏電站并網后，線路電壓有所提高。當并網容量超過線路最大負載或線路低谷負荷運行時，線路末端電壓將超出規定范圍，影響電網安全運行。在配電網中，電壓隨著負荷的變化而變化。而光伏電站并網后，負荷潮流方向也會不斷變化，電壓高低更加不易掌控和調整。當光伏電站容量小于并入點負荷時，線路輸入端的負載率會下降，當容量大于并入點負荷時，將出現向電網送電的反向電流，導致線路負載率增大。另外，一般光伏電站都是通過逆變器并網，容易造成配電網線路三相電流不平衡，三相負荷調整不易掌控。

三、電壓波動和閃變分析自適應控制措施研究

（一）采取靈活多樣的調壓方式。

光伏發電系統引入靜止無功補償設備、無功發生器等，補償系統無功功率，提高系統功率因數和改善電壓質量;選擇有載調壓變壓器，安裝自動調壓監測系統，根據系統電壓自動調節變壓器變壓比;調整光伏電源并網位置，盡量選擇在線路末端、負荷集中的地點進行并網。并網前，要對配電網系統的電壓進行跟蹤檢測，確保電源的相位、頻率達到特定標準再進行并網。消除孤島效應。①在光伏電站配置防孤島保護。為防止電網受到沖擊，應保證防孤島保護在線路重合閘動作之前先動作，其動作時間一般應不大于2s。②對光伏電站增加低電壓穿越保護。

（二）自適應PI控制器的應用

自適應PI控制器，在擾動存在的情況下，通過自適應調整PI參數，優化了系統響應性能。在反步法的基礎上，通過自適應來解決魯棒性問題，考慮魯棒問題，但在檢測方面，尤其是裝置輸出電流的檢測，仍然采用硬件檢測的方式，從目前文獻上看，STATCOM很少采用無傳感器技術，但在電力電子裝置中已廣泛采用無傳感器技術。為了節約成本和解決魯棒性問題，在液壓系統中，給出擴展狀態觀測器和反步法結合的思路，擴展狀態觀測器不僅能夠提供穩定的狀態觀測值而且能夠實時提供未建模擾動估計值，但文中的擴展狀態觀測器設計是基于單輸入-單輸出系統，不適合本文的物理模型。因此，本文考慮高增益觀測器和神經網絡逼近能力相結合，來觀測狀態觀測值和未建模擾動，并基于反步法提出了基于自適應觀測器的鏈式STATCOM反步控制策略。鏈式STATCOM由兩個子系統構成，第一個系統具有級聯性質，通過反步法控制直流側電壓的穩定，第二個系統通過李雅普諾夫穩定性來控制裝置無功電流的輸出。裝置輸出無功電流的實時檢測通過高增益觀測器來估計，擾動量通過神經網絡逼近來估計，同時通過高增益觀測器的估計值來實現高增益觀測器的線性化，并且滿足了反步法所需要的級聯性質，最后通過系統的穩定性分析來確定設計參數。針對受端電網STATCOM的布點和容量規劃問題，采用了布點和容量統一規劃的混合整數規劃模型，并提出了一種針對混合整數規劃的凸松弛算法。該方法首先關于整數變量整體凸化混合整數規劃模型，然后對凸模型實施一種緊松弛，避免直接求解混合整數規劃。

（三）電網電壓跌落時CHB-STATCOM的限幅策略

電網電壓跌落是電力系統中常見的故障之一，隨著風電、光伏等新能源發電裝置的大規模并網，越來越多的國家在相關并網導則中要求并網逆變器具備LVRT能力。大型新能源發電站往往配備STATCOM以補償無功電流，在電網電壓跌落時，還要求輸出正負序無功電流提供電網支撐，以期提高新能源并網的LVRT能力。在進行LVRT時，STATCOM輸出電流會出現不平衡現象，為了保證其安全工作，需要確保三相電流幅值均小于設備所允許的最大電流;此外，三相輸出電壓的基波幅值，也不能大于對應相的直流側電壓，以防止過調制的發生。不同于一般的電路，CHB-STATCOM還需注入額外的零序電壓以實現相間電壓均衡，從而影響輸出電壓的幅值，因此要根據不同的跌落深度，實時對變換器的功率基準進行限幅，以保證其安全工作。在此綜合考慮CHB-STATCOM的電流應力以及零序電壓注入對于三相輸出電壓的影響，根據電網電壓的正負序分量實時計算出所能輸出的最大輸出功率，從而保證變換器不過流。最后，搭建20kVA的實驗平臺進行實驗，驗證該功率限幅策略的正確性。在此針對電網電壓跌落時系統對于正負序無功電流的需求，首先了解一下不平衡電網下基于零序電壓注入的相間直流側電壓均壓方法，然后根據電網電壓、變換器電流應力以及單相鏈直流側電壓基準，分別基于電流限幅和電壓限幅計算出不平衡電網下變換器能安全工作的最大輸出功率，保證三相均不發生過流以及過調制的現象。最后通過實驗平臺驗證了此限幅策略的正確性。

（四）神經網絡-滑模控制器設計

雙閉環電流控制方法在STATCOM控制中的應用比較廣泛，內外環控制結構是所選擇的方法。外環指直流電壓環，反饋PI控制是較常使用的方法，在對外環電壓指令的自適應控制的實現過程中，文章所選擇的方法為滑模控制。內環指的是無功電流環和有功電流環，有功電流控制的參考輸入為直流電壓外環。燈塔-堅基線系統電壓波動和閃變的抑制在實際工程中應用的可行性問題進行分析期間，為構建起燈塔-堅基線系統電壓波動和閃變抑制模型，需要在STATCOM基礎上合理使用MATLAB軟件，然后對神經網絡-滑模控制與傳統PID控制，在電網電能質量控制方面的性能進行優化。該模型是根據實際的工程線路原型進行設計與建模的。模型主要由220kV電源、220kV/110kV變壓器、35km線路、STATCOM本體以及STATCOM控制器等模塊組成。STATCOM是由GTO構造而成，容量為3Mvar，這樣就可以對10千伏配電系統進行有效調節。配電系統的負載容量一個是3MVA，另一個是1MVA。電源母線電壓恒定，STATCOM裝置參數（標幺值）R、L、C、Vs、ω的值分別為0.1、0.15、0.8、1.0、314。在上述分析下，可以得知在維持直流側電壓恒定時，通過穩定運行下的STATCOM來進行調節。當電源產生電壓之后，高于或者低于系統電壓、STATCOM生成（或吸收）無功功率。電源電壓大小、變壓器漏電抗會對無功功率的數量產生影響。系統性能仿真的開展是建立在神經網絡-滑模自適應控制基礎之上的，進而實現對電流的有效控制。

四、結束語

非線性控制是STATCOM無功補償系統的一個主要表現，且相比于傳統的控制器效果更好。為確保系統控制性能，需要通過神經網絡-滑模控制器的構建與應用達到效果。電壓與電流環控制期間，可以合理應用滑模控制器。在對性能進行實驗期間，是通過MATLAB仿真平臺完成的，并在研究后可以得出，STATCOM無功補償系統可以得到神經網絡-滑模控制器的有效控制，為確保電網的穩定運行，提供優質電能，需要實現電網系統的可靠運行。

參考文獻：

[1]陳子輝，劉勇浩，陳積會，吳非.電壓波動與閃變對異步電動機能效的影響分析[J].微特電機，2020，48（04）：32-38.

[2]萬聰聰，田翠華，陳柏超，董健鵬.基于故障限流器的電弧爐電壓波動和閃變抑制研究[J].電力電容器與無功補償， 2019，40（04）：126-131.

[3]楊澤巖.關于農網大規模電壓波動與閃變事故的淺析[J].信息系統工程， 2019（05）：113.

[4]黎思思，龍少兵，楊澤巖.配電網電壓波動與閃變事故分析[J].中國新通信，2019，21（08）：208.

[5]蘭香，周揚，海瑛.基于小波變換的電壓閃變檢測Matlab仿真研究[J].物聯網技術，2017，7（06）：33-35+39.

[6]黃勝.關于電壓波動和閃變的暫、穩態檢測算法研究[D].西華大學，2016.

[7]劉盛，謝萍，石偉.基于小波變換的電壓波動與閃變的仿真分析[J].青海電力，2016，35（01）：1-4+26.

[8]邵山.基于小波變換的電壓波動與閃變的研究分析[D].西安工程大學，2016.