带辅助控制的TCR型SVC控制策略研究

2021-10-29常凤筠景炜俞海陈佳永

电气传动 2021年20期

常凤筠，景炜，俞海，陈佳永

（1.辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山 114044；2.辽宁荣信兴业电力技术有限公司研发部，辽宁鞍山 114000）

静止无功补偿装置（static var compensator，SVC）作为一种柔性交流输电设备[1−2]由于其在动态电压支撑与无功补偿方面的突出特性，在电力系统自投入运行以来已得到了广泛的使用。而其中晶闸管控制电抗器（thyristor controlled reac⁃tor，TCR）型SVC因具有响应速度快、可连续平滑调节无功功率、谐波含量少、成本较低等优点而应用最广。

TCR型SVC既能提供动态电压支撑[3−5]控制母线电压，又能分相控制补偿系统不平衡负荷[6−9]。目前应用TCR型SVC补偿母线电压时，基本的电压控制策略是通过快速连续调节输出维持母线电压稳定、抑制电压波动使母线电压趋向目标电压值。本文在此基本电压控制策略中加入了电压死区的辅助控制[10−11]策略：在设定的母线电压允许误差范围内SVC输出被锁定，即不需要频繁地调节抑制母线电压的小波动，在范围外时则释放SVC快速调节母线电压至范围内；同时为了配合电压死区控制，还设计了可根据母线电压大小而变化的可变电压参考值，让SVC的输出容量一直处于可调节的范围内且具备较多的无功储备。这样既能发挥TCR型SVC快速调节电压的优点，又能减少SVC在稳态时的运行损耗，还能更有效地利用SVC有限的额定容量。

当系统电压含有2次谐波分量时，TCR的正负半波导通电流面积会不相等，导致电流中产生大量的直流电流分量影响装置的正常运行[12]。针对此问题，本文在基本控制电压策略中还加入了一种采用快速傅里叶变换（fast fourier transform，FFT）与PI调节相结合的TCR平衡控制（TCR bal⁃ance control，TCRBC）的辅助控制策略：通过调制触发角使TCR反并联的晶闸管达到在正方向和负方向的导通时间不相同，将直流电流分量减小到零，从而抑制系统2次谐波电压对TCR的影响，保障装置的安全运行。

1 TCR型SVC结构

TCR型SVC的结构图如图1所示，一般由一组晶闸管控制电抗器TCR和n组固定电容器（fixed ca⁃pacitor，FC）组成，通过降压变压器与母线相连接。

图1 TCR型SVC结构图Fig.1 Structure diagram of the TCR type SVC

基本的单相TCR由双向反并联的一对晶闸管与一个线性空心电抗器相串联构成，反并联的两个晶闸管分别在电压的正半周和负半周导通。晶闸管的触发角α的理论可控范围是90°～180°，但是为了避免触发失败而损坏设备[13]，一般会施加范围限制（本文范围为100°～170°）。因为TCR的等效电纳BTCR与触发角α存在如下关系：

式中：XL为电抗器的感抗。

所以TCR的控制原理是通过控制触发角α改变TCR等效电纳的大小，从而达到调节无功功率输出的目的。

由于TCR的固有特性决定了其只能补偿感性无功功率且运行时会产生大量的特征谐波，所以通常TCR需要与固定电容器FC并联使用，在滤除TCR产生的特征谐波的同时提供容性无功功率，使得TCR型SVC具备从感性到容性范围的无功功率调节能力。

2 TCR型SVC控制策略

2.1 基本电压控制原理

TCR型SVC采用电压闭环控制，主要作用是：处理被测系统变量，并产生与所需补偿无功功率成比例的输出信号，调整SVC无功输出实现对目标母线电压的控制。

电压控制的被控量为220 kV母线三相电压平均值Umeas_average（标幺值，以下使用Umeas表示）。本文的TCR型SVC电压控制原理如图2所示，通过测量电路得到目标电压Umeas与补偿器电流Isvc后，根据下式求出电压误差Uerr：

图2 电压控制原理图Fig.2 The schematic of the voltage control

式中：Uref为设定的电压参考值；KSL为电流调差率。然后将Uerr输入PI调节器输出一个电纳基准信号Bref，再通过线性化环节得到触发角α后再由触发控制形成脉冲信号控制补偿器动作。

图2中，Umax，Umin分别为电压死区的上限、下限值；加入的非线性增益环节是通过对处于不同范围的电压误差信号Uerr提供不同增益系数实现对闭环电压控制稳定性的管理，以提高在电压发生大的扰动时SVC的响应速度[14]。

2.2 辅助控制策略

当母线电压等级越高，其抗干扰能力越强[15]，而且根据国家电能质量标准GB/T 12325—2008，220 kV母线电压允许偏差范围为标称电压的−10%～7%，所以本文以此为依据且结合实际项目要求设计具有可变电压参考值的电压死区辅助控制策略。

2.2.1 电压死区控制

电压死区控制原理如图3所示，其允许的母线电压偏差范围是±0.03（标幺值）：如果目标电压Umeas在0.97（标幺值）～1.03（标幺值）之间且超过延时时间20 s，则电压控制输出被偏置，SVC被锁定；如果Umeas<0.97或者Umeas>1.03且超过延时时间15 s则释放SVC，调节220 kV母线电压趋向目标电压值Uref。但是因为15 s和20 s的时间太长，所以分别使用100 ms和300 ms进行仿真实验。

图3 电压死区控制原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage deadband control

2.2.2 可变电压参考值

在电压死区控制中，SVC只需要调节母线电压运行在允许的电压范围内，又考虑到SVC的额定容量有限，即能调节的电压范围有限，所以为了配合电压死区控制和保证SVC输出容量一直处于可调节的范围内且能具备较多的无功储备，设计了可根据母线电压的大小而改变的电压参考值策略，以便更有效地利用SVC有限的额定容量。

根据母线电压大小而变化的可变电压参考值Uref的原理如图4所示。Uref的初始值设定Uset为0.971（标幺值）；如果220 kV母线电压电压Umeas≤0.97（标幺值）且超过延时时间10 s则自动设定Uref为0.971（标幺值）；如果Umeas>1.03（标幺值）且超过延时时间10 s则自动设定Uref为1.029（标幺值）。但是因为10 s的时间太长，所以使用100 ms进行仿真实验。

图4 电压参考值变化原理图Fig.4 Schematic diagram of voltage reference value change

3 TCR平衡辅助控制

3.1 二次谐波

在故障清除、电抗器或变压器投切、过高的电压下运行、TCR装置锁相不精确或者控制系统有噪声等情况下，系统电压中会产生大量的2次谐波分量，从而引起电压的畸变。TCR的电流因为是TCR在导通期间其两端电压的积分，所以对供电电压的畸变非常敏感。当系统电压含有2次谐波时，TCR的正负半波导通电流面积会不相等，导致大量的直流电流分量产生。在这种情况下，2次谐波的不稳定[16−17]是SVC运行面临的主要问题，而且对变压器的安全运行及电力系统的可靠性会产生较大的负面影响。

3.2 TCR平衡控制

TCR平衡控制的工作原理是当检测到TCR电流中含有直流电流分量时，通过调制触发角使反并联的晶闸管达到在正方向和负方向的导通时间不相同，从而将直流电流分量减小到零。TCRBC的关键问题是求取TCR电流中的直流分量，文献[12]、文献[18]提出的方法是先对TCR电流的瞬时值在每半个周期内求解积分值，然后将两个半周期的积分值相加则能计算出一个周期的直流电流分量值。虽然通过积分的方法可以计算出电流中的直流分量，但是无法同时得到电流中的2次谐波分量。所以本文运用电力系统谐波检测[19−20]中应用最广泛的快速傅里叶变换FFT算法得到TCR电流中的2次谐波和直流电流分量。

TCRBC的控制原理如图5所示。首先TCR相电流Itcr经过FFT环节得到其中的2次谐波分量I2和直流电流分量Idc，Idc与电流参考值Idcref（为0）相减得到误差量Ierr，再经过PI环节得到调制角参考值αref，然后结合TCR的电压极性得到调制角αD，最后与电压控制输出的触发角相加得到触发角终值。同时为了避免与SVC电压控制的快速调节相冲突，TCRBC相较于电压控制具有较大的时间常数。

图5 TCR平衡控制原理图Fig.5 The schematic of the TCR balance control

4 系统仿真

本文在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中根据云南省曲靖市的多乐变电站220 kV高压输电线路的部分参数搭建的系统仿真模型示意图如图6所示，LOAD1为系统原有负载；LOAD2和LOAD3分别为用于测试SVC电压控制策略的感性和容性负载；3者均为三相对称负载。

图6 系统模型示意图Fig.6 Schematic diagram of the system model

系统参数为：供电电源220 kV，系统阻抗集总参数值为 R=0.165 Ω，L=0.026 25 H，C=1e100 μF；谐波电源输出幅值和相位可调的2次谐波电压。SVC耦合变压器容量为150 MV•A，变比为220/30 kV，阻抗电压Uk=12%。SVC由一组三角形接线的TCR和2组星形接线的FC组成，其中TCR额定容量是220 Mvar，3次、5次滤波电容器组的额定容量均为60 Mvar。

4.1 电压控制策略仿真

4.1.1 加入电压死区辅助控制

系统仿真设定为6 s，0 s仿真开始，1 s时TCR和FC3投入，1.5 s时FC5投入；2 s时电压死区控制启动；2.5 s时投入 LOAD2，3.5 s时切除LOAD2；4 s时投入 LOAD3，5 s时切除 LOAD3；6 s时仿真结束。仿真结果的波形如图7所示。由图7可知，2.0 s时电压死区控制启动，电压参考值Uref改变为0.971（标幺值），同时SVC控制信号hold置1，SVC输出被锁定（在2.0 s之前SVC投入和调节的过程中因为220 kV母线电压Umeas的波动始终在±0.03（标幺值）范围内且满足大于延时0.3 s的条件，所以hold信号已经置1，但是因为死区控制未启动，所以hold信号保持为0）。2.5 s时感性负载LOAD2投入，Umeas瞬时下降至0.965（标幺值），而此时SVC处于锁定状态无法调节电压；因为0.965（标幺值）小于阈值0.97（标幺值），所以计时开始，2.6 s时满足延时0.1 s的条件后信号hold置0即释放SVC，随即TCR快速改变触发角至132°调整SVC输出至容性无功功率41.5 Mvar，将Umeas控制在目标值0.971（标幺值）。3.1 s时满足在死区范围内和延时0.3 s的条件后信号hold重新置1再次锁定SVC。3.5 s时LOAD2切除，Umeas瞬时上升至1.006（标幺值）。在LOAD2切除过程中Umeas的变化始终在死区范围内，信号hold保持为1即持续锁定SVC，所以LOAD2切除后Umeas保持为1.006（标幺值）。SVC的输出对电压的变化很敏感，即使SVC处于锁定状态，也会因为母线电压的变化而变化，所以在LOAD2切除后由于母线电压的升高SVC输出的容性无功功率从41.5 Mvar增加至44.7 Mvar。

图7 有电压死区控制仿真波形图Fig.7 Simulation waveform diagrams with voltage deadband control

4 s时容性负载LOAD3投入，Umeas瞬时升高至1.059（标幺值），而此时SVC处于锁定状态无法调节电压；因为1.059（标幺值）大于阈值1.03（标幺值），所以计时开始，在4.1 s时满足延时0.1 s的条件后，Uref改变为1.029（标幺值）同时信号hold置0释放SVC，随即TCR快速改变触发角至113°，调整SVC输出至感性无功功率45.5 Mvar，将Umeas控制在1.029（标幺值）。在4.4 s时满足在死区范围内和延时0.3 s的条件后信号hold置1重新锁定SVC。在5 s时LOAD3切除，Umeas瞬时下降至0.982（标幺值）。在LOAD3切除过程中Umeas的变化始终在死区范围内，信号hold保持为1即持续锁定SVC，所以 LOAD3切除后 Umeas保持为 0.982（标幺值）。虽然此时SVC处于锁定状态，但是因为母线电压的变化导致SVC输出的感性无功功率从45.5 Mvar减少至41.4 Mvar。

图7的仿真结果表明加入的电压死区控制策略有效，可以在发挥TCR型SVC快速调节电压优点的同时减少SVC稳态时的运行损耗。

4.1.2 未加入电压死区辅助控制

系统仿真设定同4.1.1小节，仿真结果的波形如图8所示。由图8可知，2.5 s时LOAD2投入，Umeas瞬时下降至0.972（标幺值），TCR调节三相晶闸管触发角至170°即释放SVC所有的120 Mvar容性无功功率，但还是不能满足负载需求，只能抬升Umeas至0.99（标幺值），即不能实现控制Umeas至目标电压1.0（标幺值）。3.5 s时LOAD2切除，TCR快速调节触发恢复至126°，调整SVC输出恢复至容性无功功率20 Mvar，将Umeas重新控制在1.0（标幺值）。4 s时LOAD3投入，Umeas瞬时上升至1.047（标幺值），TCR调节三相晶闸管触发角至100°，即释放SVC所有的220 Mvar感性无功功率，但还是不能满足负载需求，只能控制Umeas至1.01（标幺值）即不能实现控制Umeas至目标电压1.0（标幺值）。5 s时LOAD3切除，TCR快速调节触发角恢复至126°，调整SVC输出恢复至容性无功功率20 Mvar，将Umeas重新控制在1.0（标幺值）。

图8 无电压死区控制仿真波形图Fig.8 Simulation waveform diagrams without voltage deadband control

由图7和图8可知，在相同的感性和容性大负载投切情况下，通过在基本电压控制策略中加入具有可变电压参考值的电压死区辅助控制策略，可以在保证调节母线电压至目标电压值的同时使得SVC的输出一直处于可调节范围内且相对较少即可具备较多的无功储备。

4.2 TCR平衡控制仿真

系统仿真设置：TCR的角度固定在120°，1 s时谐波电源输出幅值为基波线电压的30%且与基波线电压同相位的2次谐波电压叠加在一次侧基波上。以TCR的AB相为例。

图9为2次谐波电压加入前后的A相与B相之间的电压UAB波形图。

图10为无TCRBC情况下的相电流iAB、直流电流分量idc和2次谐波幅值i2的波形图。

由图9和图10可知，在无TCRBC即等间隔触发的情况下，当系统基波电压中含有基波线电压幅值30%且与基波线电压同相位的2次谐波分量时，TCR相电压的幅值和波形会出现明显的畸变，导致TCR相电流波形出现正半波面积小于负半波面积的不对称畸变，产生了一个大小为631.2 A的负的直流电流分量和一个幅值为596.64 A的2次谐波电流分量。

图9 2次谐波加入前后AB相电压波形图Fig.9 AB phase voltage waveform before and after the second harmonic input

图10 无TCRBC仿真波形Fig.10 Simulation waveforms without TCR balance control

图11为有TCRBC情况下的对应波形。

图11 有TCRBC仿真波形Fig.11 Simulation waveforms with TCR balance control

图12为TCRBC输出的调制角和调制晶闸管触发角的波形。

图12 TCRBC调制过程Fig.12 TCRBC modulation process

由图11和图12可知，在有TCRBC的情况下，当TCR相电流中出现因系统电压中的2次谐波分量而引起的直流分量时，TCRBC会按如图12所示的形式通过每半个周期交变一次的调制角信号对TCR的晶闸管触发角进行调制，达到在正负半波的不等间隔触发。经过大约0.4 s的调制，TCR相电流的正半波面积等于负半波面积，直流分量减小至0，同时2次谐波的幅值也降低至201.52 A。由此可知：TCRBC在消除TCR相电流中直流分量的同时，也能起到抑制电流中2次谐波分量的作用；并且TCRBC设定的时间常数较大，因此不会与电压控制的快速调节相冲突。