静止无功补偿器控制策略综合研究

静止无功补偿器简称SVC,晶闸管控制电抗器(TCR)型的动态无功补偿装置是SVC的主要形式之一。SVC具有稳定电压、提高功率因数、抑制三相不平衡、消除谐波的功能。配电系统中大量工业用户,其负载如电弧炉、轧机等都具有无功冲击、三相不平衡、谐波较大的问题,安装SVC对于改善配电系统供电电能质量,提高设备运行效率会起到较大的作用。目前SVC在改善功率因数和谐波等方面能够达到要求,但在稳定电压,特别是减小由电压波动引起的闪变方面效果并不理想,甚至从国外引进的SVC在我国配电系统中运行后,其闪变指标也不能达到IEC标准的要求。该现象的主要原因是其控制系统对于剧烈变化的无功负载动态响应时间不够,不能快速跟踪补偿。研究表明,SVC动态响应时间如果大于40ms,其对闪变的抑制作用就基本消失,如果动态响应时间更长,对闪变甚至具有放大作用。因此,研究并制定快速、有效的SVC控制策略,会大大提高其动态响应时间,对于配电系统静止无功补偿器具有十分重要的意义。

1 配电系统SVC控制策略的选择

配电系统的电压波动主要是由于快速变化的无功负载引起的,因此传统的SVC控制策略多以无功负载为控制对象,一方面提高了系统功率因数,另一方面抑制了电压波动。SVC的另一种控制策略是以母线电压为控制对象,通过改变SVC输出的无功功率直接稳定电压。

1.1 开环无功控制策略

通过改变晶闸管触发角控制电抗器发出的感性无功电流,配合SVC滤波器的容性无功电流,直接对感性无功负载进行跟踪补偿,这种无功补偿的控制策略具有直接、快速的作用,属于开环控制。负载无功功率的计算周期可以是整周波也可以是半周波。无功功率的补偿可以是三相对称的,也可以是分相的。

整周波的三相对称无功控制策略就是通过一个完整周波(20ms)内的三相电压uab、ubc、uca,负载电流ia、ib、ic,计算三相需补偿的总无功功率Q,进而进行三相平均对称补偿。无功负载的计算周期也可以缩短到半周波(10ms)以提高其动态响应时间。该控制策略不能补偿掉负序电流,只适合于三相平衡的负载,对于电弧炉等负序电流较大的负载不太适宜。分相无功控制策略则是应用Steinmetz阻抗补偿原理,由三相电压uab、ubc、uca和三相负载电流ia、ib、ic计算负载导纳Gl+jBl,通过Steinmetz原理(见式1)计算出补偿电纳值,进而进行三相不对称补偿。这种控制策略功率因数可补偿到1,负载的负序电流理论上也可完全被补偿掉。

1.2 闭环电压控制策略

以被控母线三相电压为控制对象，以三相电压和电压参考值(理想值)的差值为输入量，通过PID反馈方式输出SVC补偿电纳以稳定系统电压,这种电压控制策略属于闭环控制。通常采用比例环节和积分环节就可以达到控制目的，即PI控制方式。

闭环电压控制策略相比开环无功控制,无需通过补偿无功功率抑制电压波动,而是直接稳定被控母线电压,具有很好的鲁棒性和稳定性,不易于产生振荡。并且闭环控制不受负载电流测量环节漂移、老化的影响,能够将母线电压控制在要求的范围内,但动态响应时间一般长于开环无功控制。

1.3 瞬时无功功率补偿控制策略

针对冶金行业无功剧烈变化的电弧炉负载,SVC必须具有极快的补偿速度,才能对电弧炉在母线上的电压波动和闪变有所抑制。国外将瞬时无功功率理论应用到SVC的动态无功补偿控制策略上来,在提高SVC控制系统的动态响应时间上取得了一定进步,动态响应时间达到15ms。其动态响应特性如图2所示。

2 配电系统SVC控制策略的改进

在各种配电系统SVC控制策略的基础上,本文对控制策略及控制触发方式进行了改进,大大提高了SVC的动态响应特性。

2.1 瞬时无功开环控制和闭环电压控制的综合加

权控制策略

配电系统内工业负载的无功冲击往往是随机、非线性的,其变化过程常小于半个工频周期。通过整周波电压、电流计算无功负载,或者计算负载工频阻抗,都将影响控制器对负载的跟踪速度。电压、电流矢量变换及三相瞬时无功功率理论已应用于有源滤波器和STATCOM中,如将其应用于SVC的控制策略,对于以整周波或半周波进行补偿计算的控制方法,将具有明显的优势。

将三相电压、三相电流矢量变换后,可以得到三相瞬时有功、无功功率。以此为依据可以得到包括基波无功电流、负序电流和谐波电流的三相补偿电流。虽然SVC不同于有源滤波器使用IGBT或IGCT等可关断器件,而是采用半控型的晶闸管器件,必须以半周波为单位进行调节,但同样可以结合三相瞬时无功功率理论进行动态无功补偿。其方法为:

(1)三相负载电流和三相滤波器线电流相加,形成三相被补偿电流。

(2)对被控母线线电压、被补偿电流进行αβ矢量变换,形成电压、电流矢量。

(3)按下式计算三相瞬时无功功率。

(4)通过Steinmtz原理,计算三相线电压的方均根值。三相瞬时无功功率在测量周期内进行积分,除以三相线电压的方均根值的平方后获得三相补偿电纳值。

(5)根据三相补偿电纳值,通过查表计算,获得三相触发角。

该计算方法中除积分过程和电压方均根的计算过程是需要测量周期外,其余计算都是通过瞬时值计算完成的。电压方均根的计算可以通过滑动窗计算瞬时获得,滑动窗周期可以是20ms,也可以是10ms,甚至是5ms。三相瞬时无功功率的积分过程同样可以是20ms、10ms,甚至是5ms。因此计算速度大大提高,同时具有三相平衡化功能,可以补偿负载电流中的负序电流。SVC控制系统的控制策略也可采用矢量控制的三相动态无功补偿开环控制策略和电压闭环PID控制策略的综合控制方式。既大大提高无功动态补偿响应时间,又增加母线电压稳定性。将开环无功控制和闭环电压控制相互综合,以加权的形式,对各自计算获得的补偿电纳乘以加权系数,获得综合的补偿电纳,得出晶闸管触发角(见图3)。这种控制策略集中了开环无功和闭环电压控制的综合效果,响应速度快且稳定性好。

2.2 晶闸管阀组控制触发方式的改进

SVC通过三相晶闸管阀组来控制电抗器,晶闸管电流为零时才能自然关断,这就决定了SVC的控制模式最短也必须以半周波(10ms)触发晶闸管一次的周期进行。可关断器件如IGBT、GTO等则采用全控的方式,触发控制周期可以缩短到控制器的一个采样周期(不到1ms),这也是SVC较STATCOM等装置动态响应速度慢的主要原因。另外,目前SVC控制器往往利用前一周波电网电压、电流的采样结果计算三相触发角,在下一周波电压过零点开始计数,达到触发角度后对晶闸管进行触发,晶闸管控制电抗器的触发角范围最大为90°～180°,从各相的0°开始计数,90°以后触发,前90°的等待时间也使SVC响应时间延迟了5ms。以电压波形来描述:

SVC控制器以20ms为周期进行晶闸管触发角计算(见图4),在AB相第二个电压正向过零点(即uAB的0°),对前20ms三相电压、电流信号的AD采样结果进行计算,获得AB、BC、CA三相触发角,并分别赋予三相触发计数器。三相触发计数器在随后各相的0°、180°开始计数,并在各相的90°、270°以后开始触发。根据此周波的计算结果,最快开始计数的触发角度在AB相的0°,最慢开始触发计数角度在AB相的300°(uCA的180°)。最快触发时刻在AB相的90°,最慢触发计数角度在AB相的390°(即uCA的180°,uAB下一周波的30°),这样才能完成一个完整的触发过程。因此,触发时刻距计算时刻的最短时间是AB相,5ms,最长触发时间是CA相,21.666ms。计算时间的延时按计算周期的一半计算,即20/2=10ms。则该控制方法的最短响应时间为10+5=15ms,最长响应时间为10+21.666=31.666ms。在此期间电网的状态变化,SVC控制器无法进行反应。其平均动态响应时间可以推出:T=(15+31.666)/2=23.33(ms),以一次三相负载阶跃突变为例,如发生在AB相前一周波的180°处,则到三相都开始响应,正反向开始补偿到位为止,时间最短15ms,最长21.666ms。其最快动态响应时间就是21.666ms。

SVC进行无功补偿是通过AB+、AB-、BC+、BC-、CA+、CA-6个相触发晶闸管电流来实现的,如果模仿STATCOM等可关断器件的触发控制方式,对SVC触发控制方法进行改进,采用分时计算、分相触发的方法,就能够大大提高SVC的动态响应时间。SVC在AB+、AB-、BC+、BC-、CA+、CA-6个相触发晶闸管,触发计算和触发值赋予计数器的时刻定在AB相的0°,触发开始计数时刻分别在AB、BC、CA相的0°和180°,统一归算到AB相,就是在AB相的0°、60°、120°、180°、240°、300°。而真正触发开始的时刻出现在AB、BC、CA相的90°和270°之后,统一归算到AB相就是在AB相的30°、90°、150°、210°、270°、330°。仅此最快触发延时就是90°(5ms),最慢触发延时是390°(21.666ms),如图5所示。

改变这种触发方法, 将触发开始计数时刻仍定在每相的0°、180°,即AB相的0°、60°、120°、180°、240°、300°。但触发计算和触发值赋予计数器的时刻定在每相的90°和270°,即将要触发的AB相的30°、90°、150°、210°、270°、330°。这样就将一个完整的20ms触发方式分解成6个触发计算、赋触发值、计数、触发过程,且计算时刻分别后推了90°,使最快触发延时变为0ms,这将大大提高动态响应时间。

2.3 SVC新控制策略的补偿效果

将这种新的SVC控制策略和TCR触发控制方法应用于实际工程,在抑制电压波动和闪变方面获得了很好的控制效果,其控制电流波形如图6所示。从此图可以看出,当滤波器容性电流投入后,TCR感性电流立刻增大,对其进行补偿,其动态响应时间约10ms。

3 结束语

静止无功补偿器(SVC)作为一种基于晶闸管控制的成熟动态无功补偿装置,已广泛推广应用于冶金、化工、电铁等多个配电领域,其控制策略的不断改进可以大大提高其控制性能和控制效果。提高SVC的动态控制响应速度能够大大改善SVC在抑制电弧炉、轧机负载引起的电压波动和闪变,对于SVC装置在配电领域的不断深入应用,提高配电系统的电能质量都是大有好处的。

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