基于RTDSRTDSS的静止无功补偿控制器仿真研究

唐 斌，安卫东，张明广，徐在德

（1.国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳 618000；2.国网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年来伴随工业的迅速崛起，用电质量也越来越受到关注，各类低压补偿装置的应用越来越广泛[1-3]。目前该类装备主要以固定式或投切式电容补偿装置（Fixed capacitor FC）为主。考虑到配网运行工况十分复杂，由于产品滋生在控制、保护等策略方面考虑不够全面，导致技术比较成熟的固定式或投切式电容FC补偿装置，在实际应用中都存在故障率较高的问题[4]。

采用Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC等纯软件仿真来进行装置的建模与分析，此类仿真结果过于理想化，只能进行理论上的验证，并不能真实反映装置的实际运行结果。实时数字仿真系统（Real Time Digital Simulator简称RTDS）是国际上研制和投入商业化应用最早的数字实时仿真装置，被最广泛采用的电力系统实时仿真装置[5-7]。实时数字仿真系统具有电网及其各种状态的精确模拟能力和多种输入输出接口，能够在实验室环境对电气设备进行全面的精确的实时动态的测试[8]。

1 构建FC静止无功补偿装置的闭环测试模型

在RTDS实时数字仿真环境中构建FC静止无功补偿装置的运行软件仿真模型，仿真测试中的物理装置部分利用了实际装置中的FC控制器、接触器、RTDS输入输出硬件接口、电压电流功率放大器，其余部分包括三相电网、无功、谐波负载及电容器组等均由RTDS软件模拟。为了对FC控制器闭环控制系统性能的准确测试，将低压电容补偿装置控制器接入RTDS实时数字仿真系统，建立闭环仿真测试平台；通过RTDS实时数字仿真测试平台对固定电容投切补偿装置控制器进行闭环测试。

图1 FC控制保护RTDS闭环测试系统结构模型

由图1可知，测试时RTDS实时数字仿真装置通过GTAO（模拟输出接口）直接向FC控制器提供必要的模拟电压、电流信号。FC控制器接收信号后进行计算处理，输出接触器电压驱动信号，驱动接触器线圈，通过接触器的空开端子与GTFPI（数字输入接口）连接，传递给RTDS电容器模型，以此控制电容器的投切，从而逐步逼近FC控制器设定功率因数值。

2 FC实物控制器仿真测试

根据配网中常见的FC静止无功补偿装置，同时此次实验选用正泰电气生产的智能型低压无功功率自动补偿控制器，输入采样信号为交流电压（额定220 V）、电流（额定0.1-5 A），接触器共12组，输出为接触器控制信号（额定220 V、额定电流43 A），形成了12对干接点信号。

FC实物控制器装置通过功放采样RTDS模型中的B、C两相电压信号及A相电流信号，FC实物控制器装置输出的12路干接点信号输送到RTDS的GTFPI卡。RTDS搭建仿真模型输出接口信号经过功率放大器输出电流、电压，通过接口板电压转化为FC控制器额定采样电压。

根据配网系统315 kVA变压器参数计算，设置感抗0.06 mH，阻抗0.05Ω。

3 FC实物控制器仿真测试

3.1 线性负荷实验

选用阻感负荷，图2可知，投入前网侧功率因数0.76，FC控制器功率因数设置0.97，由于网侧电流因数低于控制器功率因数的设定值，控制器计算采样电压、电流之后，发出动作信号，控制接触器的动作投入电容，由图3可知，电容器投切过程中电流有瞬间冲击，图4为投入电容器之后的波形，功率因数达到设定值为0.97。

图2 投入FC静止无功补偿器前网侧电压电流波形

图3 投入FC静止无功补偿器瞬间网侧电压电流波形

图4 投入FC静止无功补偿器之后网侧电压电流波形

3.2 非线性负荷实验

选用不可控整流负载作为负荷，由图5可知该负荷既含有谐波、无功，补偿前功率因数为0.79，谐波含有量THD=39.231%，补偿电容投入后，由图6为电容器投入之后的波形，电流有瞬间冲击，功率因数达到设定值0.97，谐波放大，含有量高达THD=51.453%。

图5 投入FC静止无功补偿器前网侧电压电流波形

图6 投入FC静止无功补偿器瞬间网侧电压电流波形

3.3 电网故障实验

网侧AC相间发生故障，通过此模型设置相间短路故障1个电网周期的时间，B相电压、电流均正常，由图7可知A、C电压拉低，电流瞬间拉高，由图8可知电容器电流峰值接近于250A，FC控制器没有发出保护信号。

图7 AC相间故障三相电压电流线

图8 AC相间故障电容电流线

网侧三相对地故障，通过此模型设置了三相对地短路故障1个电网周期的时间，由图9可知三相电压瞬间跌落，由图10可知电容器电流峰值接近于100 A，FC控制器未发出保护信号。

图9 三相对地短路故障电压电流线

图10 三相对地故障电容电流

基于RTDS的实物FC控制器仿真测试实验：1）线性负荷仿真实验。2）非线性负荷仿真实验。3）电网故障仿真实验，通过仿真实验证明与在电容器的投切瞬间均有冲击电流，同时对现场难以模拟的电网故障情况进行仿真实验，通过仿真可以看出当电网系统发生故障时，电容器的电流具有瞬间较大的冲击，FC静止无功补偿装置并未及时切除，由此分析配电台区电容器故障率较高的原因为谐波较大或者冲击性负荷造成电容器频繁投切造成。

4 结语

在配网系统中发现FC固定投切电容装置在某些低压配电台区故障率较高，为了查找原因，本文通过RTDS实时数字仿真及现场实验验证方法进行了深入的研究。通过多种配电台区多种工况的仿真分析，得出来了配电台区电容器补偿装置故障率较高的原因，同时RTDS实时数字仿真系统还可以对现场实际问题模拟重现。该方法在电能质量控制及其他电力系统应用中将有广泛的前景。

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