FACTS装置控制器设计中的关键技术问题

FACTS 装置控制器设计中的关键技术问题Key Technologies on Design of FACTS Controller清华大学电机系 王　强　姜齐荣　梁　旭刘文华　王仲鸿　韩英铎　(北京100084)【摘要】　在归纳总结大量文献的基础上,对FACTS装置控制器设计中会遇到的一系列关键性的技术问题,诸如快速信号采集处理、控制的多目标、直流偏磁问题、不对称问题、控制与保护、控制器之间的协调等,做了较全面的综述。

【关键词】　FACTS 控制器设计　直流偏磁Abstract Based on Summation of massive reference ma 2terials ,this paper comprehensively discusses a series of critical problems encountered in design of FACTS con 2troller ,such as problems of fast signal acquisition ,multi 2target control ,DC magnetization ,unequilibrium ,control and protect ,coordination among controllers etc.K ey w ords FACTS controller design DC Magnetiza 2tion0　前言柔性交流输电技术(FACTS )是近年来出现的一项新技术,它应用电力电子技术的最新发展成就及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至网络结构的灵活快速控制,以期实现输送功率的合理分配,降低功率损耗和发电成本,大幅度提高系统稳定性、可靠性。

使电力系统中影响潮流分布的3个主要电气参数:电压、线路阻抗及功率角可按系统的需要迅速调整。

FACTS 装置包括:静止无功补偿器(SVC ),新型静止无功发生器(StatCom ),可控串补(TCSC ),晶闸管控制移相器(TCPAR ),统一潮流控制器(U P 2FC ),晶闸管控制动态掣动(TCDB ),晶闸管切换过压保护(TSOV P ),次同步振荡抑制器(N GH 2SSR )。

FACTS 技术的出现,给研究者研究新的控制器解决新的问题带来新的挑战和机遇。

而在FACTS 装置控制器的设计过程中,有一些关键技术问题具有普遍的理论意义,需要多个学科知识的综合才能解决。

1　非正常运行如何迅速、准确地获取信息合适的反馈量的选取对于FACTS 控制器的设计来说非常重要。

电力系统稳定控制一般需要的信息有δ、ω、P 、Q 、U 、I 、θ(同步信号)。

FACTS 装置的控制反应时间一般在2～3周期级,但许多电力系统参量如有效值、有功功率、无功功率等,都是以工频周期为基础而定义的。

按传统方法计算上述参量需一个工频周期的采样时间,这将使FACTS 带来的快速好处丧失,无法发挥其在电力系统稳定和振荡中的作用。

例如,清华大学与河南电力工业局联合研制的300kvar StatCom 在控制规律设计过程中用传统的无功功率、电压有效值概念时就遇到了问题。

在用PID 控制时,因为装置的时间常数为513ms ,响应时间也仅为20ms 左右,使用以工频周期为基础而定义的无功进行定无功控制时,测量计算环节至少有20ms 的延时,PID 控制的比例环节的放大倍数必须很小,否则装置容易出现振荡。

这就需要从理论上发展上述有关参量的瞬时值定义。

笔者在任意电压、电流波形的瞬时值概念的基础上,定义了三相瞬时无功,并提出了无需储能元件、由开关元件组成的新型瞬时无功补偿;利用空间矢量在α、β平面上严格地定义了瞬时负序并给出了瞬时负序的计算公式。

一些文献对瞬时有功、瞬时无功的定义也进行了探讨。

FACTS 装置将开关动作引入到以基波为主的电力系统,不可避免带来了谐波,电力系统故障也会带来负序、谐波、衰减的电磁过程(以毫秒计),干扰和延迟了采样工作,决定电力系统稳定问题的是正序基波有功功率的变化,这就要求研究快速、有效的滤波算法,而且要综合考虑数据采样和处理的精度及速度的关系,使其最大限度满足控制的需要。

应从已经证明是鲁棒、可靠的应用中选用成熟的滤波器技术。

有名的数字傅利叶变换(DF T )就是其中之—92—　第32卷中　国　电　力1999年第2期一。

根据傅利叶变换可以很方便地计算出电压或电流的基波分量的有效值,以及计算出有功、无功等电气量。

2　如何解决不对称问题在电力系统的实际运行中,各种不对称的存在是不可避免的。

许多并联的FACTS 装置是通过小阻抗直接连入系统的,比之发电机,负序电压更易导致装置不能正常工作,因此需要深入分析系统不对称对装置的影响,采取控制和保护措施使系统不对称时装置仍能够安全可靠地工作。

采取不对称控制方法目前应用分两种方式:面向负荷的,逆变器产生与负荷负序电流幅值相同、相位相反的电流,以抵消由于负荷的不对称引入的不对称;面向系统的,逆变器产生与系统电压幅值相同、相位相反的电压,以抵消系统不对称对装置的影响。

有文献提出三相PWM 电压源逆变器通过一个三相变压器与线路串联,通过抵消线间电势的负序分量而达到不平衡补偿。

此法对逆变器的容量要求小,注入的谐波低。

另有文献提出,在一相注入(串联)一校正电势足够将进线的负序电压分量消除。

得到的三相负荷端电势基本上是正序电势,从而平衡。

所说的有源线路调节器的容量很小,对于10%的不平衡来说,典型的情况只需要3%的容量。

也有人提出了利用串联补偿控制方法解决StatCom 在系统不对称条件下的运行问题,通过建立串联补偿装置的数学模型,给出了各环节的参数设计原则和一种适合于系统不对称控制的快速系统负序电压检测方法。

笔者提出了通过控制StatCom 触发脉冲使其产生与系统电压负序分量大小和相角完全相同的负序电压以抵消系统电压负序分量,从而抑制StatCom 负序电流的方法;以及利用开关函数建立了典型电力电子装置输入、输出特性的开关传递函数矩阵,以此为基础分析了典型电力电子装置在系统不对称条件下输入、输出中的非特征谐波分量。

3　变压器直流偏磁导致装置过电流问题电压型自换向逆变器的输出中含有的直流分量会导致变压器直流偏磁,最坏情况下会由于饱和而过流。

日本的新信浓变电站的50MVA StatCom 在系统发生扰动时,StatCom 的变压器受相邻的一个大变压器激励发生直流偏磁。

东京电力公司开发了一新型防直流偏磁控制系统,根据在逆变器输出检测到的电势直流分量,进行快速磁通矫正。

但在头两年运行中仍因直流偏磁导致装置退出运行。

对其退出原因分析如下:过压退出原因———80MVA 的电容器投入66kV 母线造成母线电压波形畸变,StatCom 受其影响进入“封锁状态”进而重启,直流电压过电压继电器发现直流电压超过设定值将装置跳掉。

对付措施是将过压整定值由120%调为135%。

重启失败引起退出原因———1000MVA 变压器投入运行导致500kV 母线电压畸变,并涉及到50Mvar StatCom 相连的66kV 母线,引起StatCom 的输出变压器直流偏磁(DC Magnetization ),防止直流偏磁控制起作用,但却无法完全抑制直流偏磁。

过流导致门极封锁,StatCom 在500ms 后重新开启触发脉冲。

然而波形畸变尚未消除,再次过流使装置退出。

为此增加了一套波形畸变检测电路,只有在系统波形不畸变的情况下,重启动功能才能起作用。

第2年的过流引起退出原因———相邻的1000MVA 大变压器投入系统引起过流,通过检测逆变器的变压器原边、副边电流差来抑制直流偏磁的功能不足以对付附近大变压器投入引起的直流偏磁,原有的抑制直流偏磁的功能只能对付由于脉冲发生器长期偏差引起的正负不平衡、投入大变压器引起的直流分量,而对投入变压器引起的谐波分量无能为力。

现在日本人称,可以采用一种新的方法解决这个问题,但具体做法言之不详。

最近,我们对封锁脉冲后出现的过压原因进行详细分析并给出了解决办法。

其主要结论是:不考虑变压器磁饱和时封锁脉冲,电容器电压只与系统电压、封锁初始时的电容电压和电感电流有关。

考虑变压器磁路饱和时封锁脉冲,与变压器的连接方式有关。

激磁电流感应出的主磁通为平顶波,可分解为基波和一系列奇次谐波磁通。

如果n 次谐波电流不能流通,而磁路中n 次谐波磁通可以流通,变压器的空载输出电压中将含有n 次谐波电压,其幅值与磁通的含量有关;如果变压器n 次谐波磁通、电流都可以流通,那么n 次谐波电流感应的磁通可以抵消原来的n 次谐波磁通,从而变压器的输出电压中的谐波含量降低;如果变压器中n 次谐波磁通不能流通,变压器空载输出电压中将不含n 次谐波电压。

当StatCom 变压器和系统变压器采用三相三线的Y/Y 接法时,StatCom 线电压中17次以下谐波电压互相抵消,激磁回路中没有17次以下的谐波电流,所以相电压中每个绕组的空载电压可能含有17—3—　1999年第2期中　国　电　力第32卷次以下的谐波分量。

对300kvar StatCom的实测结果证明了这点,副边电压出现高次谐波(3、5、7、9等次),3次谐波电压幅值达到基波幅值的163%,5次达基波的45%,7次达基波的17%,与基波电压叠加出现基波电压3倍以上的电压峰值,实测电容电压达到1680V(基波时为520V);当StatCom与系统连接采用三相四线制时,相电压的3次谐波电压经中线和系统构成回路,产生3次谐波电流,抵消原有谐波磁通,使StatCom变压器副边输出电压中基本不含3次谐波,峰值从1680V降为840V。

最终,我们在300kvar StatCom上采用了直流侧并联电阻的方法,为谐波激磁电流提供通路,通过激磁电流的畸变来纠正磁通和电压的畸变,使谐波电压大大下降,封锁脉冲后实测电容电压为590V,GTO 可以承受。

电弧炉的电流含有快速、不规则变化的无功功率和高次谐波,从而引起电压闪变。

日本东芝公司开发了容量为5MVA的闪变抑制装置,可与SVC 相结合,构成混合系统。

大容量SVC补偿大部分无功功率和高次谐波。

它含有抑制变压器直流侧偏磁回路。

该回路可通过检测变换器各桥输出电流的直流量,调节GTO的关断时间来消除变压器的直流偏磁。

4　控制如何与保护相结合按设计,StatCom只能运行在系统三相对称的情况下或轻微不对称的情况下。

一旦系统的负序电压超过一定水平,StatCom就会因GTO过电流而无法正常工作。

原保护方式设定为:如果发现某桥臂有故障,封锁所有桥臂GTO的触发脉冲后装置跳闸,同时给出故障桥臂的故障信息。

因此,如果在StatCom一定电距离内系统发生不对称故障,Stat2 Com中的GTO将出现过电流,装置保护使StatCom 退出运行。