區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統設計

王宜立，張蓉馨，楊再鶴，單祖植，徐曉亮

（1.云南電力調度控制中心調度科，云南昆明 650011；2.文山供電局電力調度控制中心，云南文山 663099；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 210000）

電網電壓不對稱現象在實際配電網中普遍存在，其中故障幾率出現情況最大的就是不對稱交流電故障。當電網電壓出現不平衡狀態，或者是受到不穩電壓的干擾時，電流會與低頻率諧波分量相重疊，導致電流運行不對稱從而出現不對稱交流電，也有可能會影響到電網中的其他負載，因此有必要研究不對稱交流電網運行的控制系統。

目前，文獻[1]提供了一種利用MMC 的控制優化方案，該方法能夠實現在交流電壓失衡時對其進行抑制，但是在現實應用中不太容易實現且由于受限因素過多，導致結果容易出現較大偏差；文獻[2]提出一種采用準諧振控制器的SVI 負序電壓控制策略，該方案采用了SVI 單模化管理思想，方法復雜并且運行效果不穩定。針對區域互聯功能強大且穩定的特性，以及不對稱交流電網運行控制技術缺少的情況，該文基于區域互聯針對不對稱交流電網運行控制進行系統設計。

1 系統硬件設計

區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統中需要及時且準確地獲取電網電壓的相位信息，然后利用控制器對整體系統進行控制[3-4]。區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統硬件結構

觀察圖1 可知，該文主要采用三個硬件部分實現整體系統的運行，包括鎖相環控制器、電流環控制器、DSP 控制器。

1.1 鎖相環控制器設計

鎖相環控制器負責檢測電網電壓的相位信息，從而實現發電系統的單位功率因數運行。鎖相環控制器的性能狀態良好與否對整體控制系統的運行狀態是否正常有著極大影響。在環境處于不對稱交流電網運行狀態時，電網電壓處于不平衡狀態，鎖相環控制器能夠快速準確地檢測到電壓分量順序，并且快速掌握與其對應的電網電壓的相位信息[5-6]。鎖相環控制器是保證整體系統穩定正常運行的前提條件。鎖相環結構如圖2 所示。

圖2 鎖相環結構

針對鎖相環控制器的設計主要由相位鑒別、環路濾波和壓控振蕩三部分組成一個閉環[7-8]。工作原理：將輸入信號和輸出信號的頻率和相位信息進行比較，可以得到一個表示輸入信號和輸出信號之間相位誤差的電壓信號，可以將其稱為對比信號值。將對比信號值經過環路濾波進行濾波操作，可以得到一個控制信號，將控制信號輸入到壓控震蕩，壓控震蕩負責對輸出信號進行修改調整，根據控制信號改變輸出信號的頻率和相位，使之與輸入信號保持相同的相位[9-10]。

1.2 電流環控制器設計

電流環控制器是整個發電系統的核心部分，負責對電流的幅值和相位進行掌握和定值。電流環控制器結構如圖3 所示。

圖3 電流環控制器結構

觀察圖3 可知，電流環控制器主要由定時器、DMA、處理器和A/D 轉換器組成。區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統中的電流環控制器設置根據坐標系變換實現。根據電網實際運行狀態選擇坐標變換類型，考慮電流的獨立狀態分為兩相靜止和多相靜止，分別對應兩相旋轉坐標系和多相旋轉坐標系。通過設置調節參數值，從而使調節器能夠實時分析諧波分布情況并掌握諧波傳遞規律，以保證電流調節無誤差[11]。

1.3 DSP控制器設計

DSP 控制器包括兩個結構和功能都相對獨立的DSP 核心單元線路及相對應的外圍電路，通過DSP通信構成一個完整的體系。DSP 控制器結構如圖4所示。

圖4 DSP控制器結構

觀察圖4 可知，DSP 控制器主要結構包括GSC 反饋信號、GSC 觸發脈沖和RSC 反饋信號及MSC 觸發脈沖兩條線路共同作用，從而組成一個完整的控制器結構。在信號前級進行電路處理后，在DSP 最小系統及外圍擴展到各自單元時，線路一中的單元A與數字IO 廣電隔離相互作用，并傳到開入開出信號。而線路二中的單元B 在與數字IO 廣電隔離相互作用的同時，鍵盤上會顯示電路，并且將電路信息傳導到通信端口[12-13]。

2 系統軟件設計

2.1 諧波分析程序

當交流系統發生不對稱故障時，由于正序諧波和負序諧波通過換流變壓器的改變，會導致直流的諧波分布情況發生改變并且排列情況復雜。通過對該狀況下的系統諧波形成機制進行解析，就能夠了解到交流側諧波的傳導規律，以及交流側功率的高低波動狀況，由此可以得出不對稱交流狀態對系統可能造成的影響，其產生的影響體現在電流及電壓的數值改變[14]。電流函數可由式（1）表示：

式中，lK表示在產生K次諧波時的電流函數；EK表示在產生K次諧波時的系統電壓；PK表示此時的系統功率。

通過式（1）在換流器的正序負序諧波狀態下對系統的電壓影響進行求解。通過對區域互聯下的交流電網系統進行諧波分析，可以實現通過對電壓電流進行監控，從而確定不對稱交流狀態對系統的影響[15]。

2.2 控制程序

區域互聯模式對不對稱交流供電運行采用雙電流監測與控制方式，通過將正序分量和負序分量作用到不同旋轉坐標系下，分別對兩種情況進行監控和控制，因為能夠通過單獨選擇坐標系實現雙電流利用，所以可以直接對不同旋轉坐標系情況下的電流進行控制，通過直接控制電流，可以提高控制效果的準確性，并且由于電流的可控性，也提高了控制效果的穩定性。在電網電壓不平衡出現不對稱交流電時，在正旋轉坐標系下網側換流器輸出電壓為正序分量，如式（2）所示：

當電網電壓不平衡時，在負a、b軸旋轉坐標系下網側換流器輸出電壓為負序分量，如式（3）所示：

該矢量則作為空間矢量開入開出信號輸入，控制開關的開通和關閉，最終達到對不對稱交流電網電流的運行控制[16]。

3 實驗研究

為了驗證該文提出的區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統的實際應用效果，設定實驗。選用交流配電網系統作為實驗對象，交流配電網結構如圖5 所示。

圖5 交流配電網結構

系統之間的短路比為2.5，系統內部產生的額定容量為500 MVA，換流變壓器容量為530 MVA，系統直流側的額定電壓為300 kV，系統直流側的額定電流為1 kA。

選用該文設計的控制系統進行控制，分別得到控制前和控制后的電網電流和電壓運行狀況，根據實驗結果對系統的運行能力進行分析。控制前的交流系統電壓值如圖6 所示。

圖6 控制前交流系統電壓值

控制后的交流系統電壓值如圖7 所示。

圖7 控制后交流系統電壓值

根據圖7 可知，在未進行運行控制之前，系統的母線出現跌落狀況，進而導致電網三相電壓不對稱，系統由于在運行過程中出現負序和零序分量，因此會出現諧波。引入該文提出的運行控制系統后，直流電壓和交流電壓都得到了有效控制，電壓波動幅值降為0，該文提出的控制系統通過分析區域互聯不對稱性，均衡電網內部的輸入能量和輸出能量，防止電網內部直流側電壓升高，從而有效控制電網運行。控制前的交流系統電流值如圖8所示。

控制后的交流系統電流值如圖9 所示。

圖9 控制后交流系統電流值

根據圖9 可知，在出現不對稱現象后，電網的負序分量會受到開關函數的影響，所設計系統將負序分量轉化成偶數次諧波，電流運行為0，確保電網正常運行。

4 結束語

該文分析了傳統不對稱交流電網運行控制策略中存在的問題，通過區域互聯的方式，對電網運行控制系統進行硬件設計，軟件方面利用諧波分析程序和控制程序對系統進行數據支撐，實現對區域互聯下不對稱交流電網運行控制系統的設計，實驗結果表明，該系統具有較好的性能。