蔣應(yīng)偉，侯凱，武迪，隗華榮

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003)

變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的控制策略研究

蔣應(yīng)偉，侯凱，武迪，隗華榮

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003)

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，可調(diào)電抗器作為可動態(tài)補(bǔ)償無功和穩(wěn)定電壓的新型FACTS裝置，得到了廣泛應(yīng)用。變壓器式可調(diào)電抗器響應(yīng)速度較快、易實現(xiàn)高壓應(yīng)用，成為研究熱點?；谝环N潛力較大的變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器拓?fù)洌U述了晶閘管投切和VSC閉環(huán)PWM調(diào)制的混合控制策略。針對存在繞組高短路阻抗設(shè)計誤差和各繞組互感影響難題，目前大部分研究均從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度進(jìn)行改進(jìn)。從控制角度入手，將可調(diào)電抗器的整體輸出無功引入到VSC的閉環(huán)控制中，提出了一種無功頂層閉環(huán)反饋控制方法，實現(xiàn)了可調(diào)電抗器整體輸出的精確控制。此外，研究表明，相比電流內(nèi)環(huán)PI控制器，采用電流滯環(huán)控制可提高可調(diào)電抗器輸出的暫態(tài)性能。

變壓器式可調(diào)電抗器；混合控制型；頂層閉環(huán)反饋控制；控制策略；智能電網(wǎng)

Abstract: With rapid development of electric power systems in China, controllable reactors have been used widely as a new type FACTS device which can dynamically compensate for reactive power and stable voltage. Characterized through rapid response speed and easy high-voltage applications, the controllable reactor of transformer type (CRT) has become a research hotspot. This article expounds a hybrid control strategy containing SCR switching control and VSC closed-loop PWM, based on the topology of hybrid controllable reactor of transformer type (HCRT) of a considerable potential. In view of its design errors with high short-circuit impedance of the winding and mutual inductance influence between windings, most researches focus on structure optimization at present. From the control angel, by introducing overall reactive power output of the controllable reactor into the closed-loop control of VSC, this paper proposes a top closed-loop feedback control(TCFC) to realize accurate control of overall output of the controllable reactor. Furthermore, research results show that current hysteretic control can achieve better transient performance of the controllable reactor, as compared with current inner-loop PI controller.

Keywords: controllable reactor of transformer type (CRT); hybrid type control; top closed-loop feedback control (TCFC); control strategy; smart grid

0 引 言

為應(yīng)對我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國電力系統(tǒng)已基本形成超高壓大電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)、大容量機(jī)組密集投入的格局，電網(wǎng)無功和動態(tài)電壓穩(wěn)定問題日益凸顯?？烧{(diào)電抗器作為一種新型FACTS裝置，可動態(tài)補(bǔ)償容性無功，有效抑制容升電壓、操作過電壓、潛供電流等問題，提高電網(wǎng)輸送能力和系統(tǒng)可靠性，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍廣泛[1-6]。

根據(jù)其發(fā)展歷史和技術(shù)背景，可調(diào)電抗器可分為機(jī)械式(調(diào)匝、調(diào)氣隙)、磁控式、電子式和變壓器式等。其中，變壓器式可調(diào)電抗器易實現(xiàn)高壓應(yīng)用，電力電子開關(guān)可實現(xiàn)快速控制，集成了變壓器式和電力電子開關(guān)的混合型可調(diào)電抗器是當(dāng)前研究的熱點[7-11]。

目前，變壓器式可調(diào)電抗器的技術(shù)難點包括工作繞組的高短路阻抗的精確設(shè)計、各繞組間的互感影響等。各文獻(xiàn)只是從結(jié)構(gòu)設(shè)計去解決這些問題，未從控制策略方面進(jìn)行過多研究[12-18]。

基于一種變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的基本拓?fù)?，本文在研究晶閘管分級投切和IGBT電壓源換流器(VSC)精確平滑控制的基礎(chǔ)上，提出了一種無功頂層閉環(huán)反饋策略。這種策略可以補(bǔ)償變壓器式可調(diào)電抗器各繞組之間的互感影響和本身的設(shè)計誤差，實現(xiàn)整體無功輸出的精確控制。

1 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器主拓?fù)?/h2>

1.1 變壓器式可調(diào)電抗器的特點

變壓器式可調(diào)電抗器基于電力變壓器設(shè)計理論和制造技術(shù)，較易實現(xiàn)高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。

根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)，大致可分為副邊單繞組式和副邊多繞組式：副邊單繞組式又可分為單繞組單支路型和單繞組多支路型；副邊多繞組式又可分為多繞組并聯(lián)型和多繞組串聯(lián)型。

副邊單繞組式一般采用外接串聯(lián)電抗器，變壓器設(shè)計簡單，但體積大、成本高；副邊多繞組一般為高短路阻抗變壓器，即將串聯(lián)電抗集成到變壓器本體中，有利于降低體積，但變壓器設(shè)計難度大。

變壓器式可調(diào)電抗器的繞組一般采用晶閘管進(jìn)行控制或者投切，響應(yīng)速度快。晶閘管控制模式可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，但會引入大量諧波；晶閘管投切模式不引入諧波，但阻抗分級輸出，不連續(xù)。

1.2 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器

針對變壓器式可調(diào)電抗器存在的問題，一種基于副邊多繞組結(jié)構(gòu)，通過晶閘管投切和IGBT電壓源換流器(VSC)控制的混合控制型可調(diào)電抗器得到了越來越多的關(guān)注和研究。該可調(diào)電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器主拓?fù)?/p>

圖1所示變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)，W1為工作主繞組，連入電網(wǎng)；SW為投切繞組，根據(jù)容量分級設(shè)計，由晶閘管投切控制，對輸出電抗進(jìn)行粗調(diào)節(jié)；CW為控制繞組，連接VSC進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)輸出阻抗的精細(xì)調(diào)節(jié)。

晶閘管實行投切控制，投切繞組只在平滑投入時刻產(chǎn)生少量諧波；VSC開關(guān)頻率較高，經(jīng)控制繞組電抗濾波后諧波含量也很低?？烧{(diào)電抗器輸出由晶閘管和IGBT-VSC混合控制，可實現(xiàn)阻抗線性連續(xù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快。

該可調(diào)電抗器不外串電抗，變壓器本體有高短路阻抗的設(shè)計要求；為了實現(xiàn)較精確的連續(xù)線性控制，要求投切繞組設(shè)計精確，且各繞組之間影響盡量小。而實際制造中，在工作繞組、投切繞組和控制繞組之間都存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，投切繞組很難做到精確設(shè)計。精確的高阻抗和繞組間低耦合是此類可調(diào)電抗器的技術(shù)難點。

2 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的控制策略

變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的控制策略主要包括投切繞組晶閘管的分級投切控制和控制繞組VSC的PWM平滑調(diào)節(jié)兩個部分。

2.1 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的晶閘管分級投切控制

為了保證分級控制的層級多樣化，提高控制精度，減小VSC容量，一般對投切繞組容量以2n比例進(jìn)行差異化設(shè)計。

以3投切繞組結(jié)構(gòu)為例，SW1、SW2和SW3的容量比可設(shè)計為S1：S2：S3=20:21:22，若可調(diào)電抗器的總?cè)萘縎=1，則S1=1/8，S2=1/4，S3=1/2。VSC可實現(xiàn)功率因數(shù)[-1,1]之間全象限控制，其容量可取分級極差的1/2，即SVSC=1/16。

根據(jù)可調(diào)電抗器輸出容量QO取值范圍，晶閘管對的投切控制指令和VSC的輸出配置如表1所示。

表1 各輸出容量下晶閘管分級控制及VSC輸出配置

注：表中配置情況最大容量為15/16S，為了滿足最大容量要求，在設(shè)計時可將總?cè)萘縎適量放大。

圖2 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器主體控制圖

根據(jù)D0D1D2指令，晶閘管對可直接投切，響應(yīng)速度快，但投切前后有功率突變；也可以在投入過渡階段采用相控平滑投切，但響應(yīng)速度較慢，會引入少量諧波。

2.2 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的電壓源逆變器(VSC)控制

變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的投切繞組差異化設(shè)計降低了VSC的容量，在3投切繞組的設(shè)計中只占總?cè)萘康?/16。VSC在控制中實現(xiàn)總體指令級差剩余部分的跟隨，是可調(diào)電抗器精確輸出的保障，關(guān)系著裝置的最終性能，是混合控制型可調(diào)電抗器的控制主體部分。

變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的VSC控制采用基于直接電流控制的電壓電流雙閉環(huán)的單相逆變器控制框架，如圖3所示。

圖3 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器中VSC的控制策略

通過系統(tǒng)電壓(U1或U4)采樣，由單相鎖相環(huán)SP-PLL獲取相位信號α；直流側(cè)電壓參考值Udc_ref和測量值Udc的差值經(jīng)過電壓外環(huán)PI控制器，乘以相位信息sinα，得到電流有功分量參考icp_ref，該值用以維持VSC直流電壓；根據(jù)主體控制部分算得的VSC容量輸出指令SVSC和相位信息，實時計算得到電流無功分量參考icq_ref，用來實現(xiàn)無功指令的跟隨輸出。電流內(nèi)環(huán)控制器可選擇常規(guī)的PI控制器或者滯環(huán)控制器及相應(yīng)的PWM調(diào)制策略實現(xiàn)4路PWM的調(diào)制輸出。在本控制框圖中，電流內(nèi)環(huán)的參考值是交流量，為了提高內(nèi)環(huán)跟隨的穩(wěn)定性和精確性，也可以考慮采用PR控制器。

2.3 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的整體控制

通過上述VSC的雙閉環(huán)控制，可實現(xiàn)變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器級差部分的精確輸出。由于工作繞組、各投切繞組之間和控制繞組之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，有較大的互感；且每個繞組的阻抗精確設(shè)計均存在誤差；因而混合了投切繞組晶閘管控制和控制繞組VSC雙閉環(huán)控制的可調(diào)電抗器，其整體輸出總是存在著偏差。

目前的改進(jìn)思路一般是通過合理優(yōu)化設(shè)計變壓器結(jié)構(gòu)、引入磁集成技術(shù)等手段來減少互感和精確繞組容量設(shè)計。

圖4 VSC無功頂層閉環(huán)反饋控制框圖

針對該問題，本文提出基于VSC的無功頂層閉環(huán)反饋控制策略(The Top Closed-loop Feedback Control，TCFC)，本策略的思路是：將可調(diào)電抗器的整體輸出無功量引入到VSC的閉環(huán)中，VSC除了輸出級差無功分量外，還用來補(bǔ)償由互感和投切繞組不精確等產(chǎn)生的無功偏差，從而實現(xiàn)變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器整體無功值的精確可控輸出。其控制算法如圖4所示。

本文以“遼寧號”航母為仿真對象,艦長304.5m,設(shè)飛行甲板300m作為SINS仿真長度。濾波周期選1s,仿真時長選100s,艦船在海中向東行駛,初速為10kn,緯度100°,經(jīng)度30°,翻滾角、

通過可調(diào)電抗器無功輸出實時計算值Qo跟隨總輸出指令QCMD得到VSC輸出容量補(bǔ)償值Scom，輸出容量補(bǔ)償值與原VSC級差控制值SVSC之和經(jīng)過計算得到無功電流指令值。無功頂層閉環(huán)反饋的控制可以選擇PI或P控制器。

3 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的控制策略的仿真驗證

基于圖1所示變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的主拓?fù)?，搭建其?shù)字仿真模型，驗證本文論述的控制策略。

3.1 仿真模型參數(shù)

仿真參數(shù)如表2所示，且將繞組間的互感影響和繞組本身的精度誤差設(shè)為繞組本身阻抗值的5%。

表2 變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器仿真參數(shù)

3.2 波形及分析

仿真設(shè)置可調(diào)電抗器的總無功輸出指令QCMD為2.5MVA，此時晶閘管投切指令D0D1D2=110，VSC的容量輸出指令SVSC=250 kVA。分別研究采用頂層閉環(huán)反饋控制策略前后VSC和可調(diào)電抗器輸出功率PQ曲線。

(1)不采用無功頂層閉環(huán)反饋控制策略波形分析

常規(guī)控制情況下，VSC實現(xiàn)的是級差無功分量閉環(huán)控制，其輸出嚴(yán)格跟隨主體分級控制給出的無功指令SVSC，如圖5所示。

由于投切繞組精度設(shè)計誤差和各繞組之間的互感影響，可調(diào)電抗器的總輸出與指令值(2.5 MVA)存在較大誤差，且存在較大波動，如圖6所示。

圖5 未采取頂層閉環(huán)控制的VSC輸出功率PQ曲線

圖6 頂層閉環(huán)前可調(diào)電抗器總輸出功率PQ曲線

(2)采用無功頂層閉環(huán)反饋控制策略波形分析

圖7 采用頂層閉環(huán)后VSC輸出功率PQ曲線(PI控制器)

在VSC的控制中引入整體無功分量Qo，采用無功頂層閉環(huán)反饋策略之后，VSC除了輸出級差無功分量SVSC外，還需補(bǔ)償繞組誤差和互感導(dǎo)致的整體輸出誤差Scom，其輸出值要大于SVSC(250 kVA)，達(dá)到了380 kVA，如圖7所示。

此時，可調(diào)電抗器的整體無功輸出嚴(yán)格跟隨輸出指令值QCMD，實現(xiàn)了整體無功的精確輸出，如圖8所示。

此外，采用了無功頂層閉環(huán)控制后，無論是VSC的輸出曲線和可調(diào)電抗器的整體輸出曲線，波動更小，穩(wěn)態(tài)性能更好。

圖7、8中的電流內(nèi)環(huán)控制器為PI控制器，其在獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能的同時，暫態(tài)過程振蕩較大、調(diào)節(jié)時間長。

在開關(guān)頻率允許的情況下，電流內(nèi)環(huán)可采用滯環(huán)控制，VSC的輸出和可調(diào)電抗器的總輸出效果如圖9、10所示。相比電流內(nèi)環(huán)PI控制器，采用電流滯環(huán)控制的可調(diào)電抗器的輸出曲線的暫態(tài)性能得到了較大提升。

圖9 頂層閉環(huán)后VSC輸出功率PQ曲線(電流滯環(huán)控制器)

圖10 頂層閉環(huán)后可調(diào)電抗器總輸出功率PQ曲線(電流滯環(huán)控制器)

4 結(jié)束語

基于變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器的基本拓?fù)洌刹捎镁чl管投切和VSC雙閉環(huán)混合控制策略。本文提出的一種VSC的無功頂層閉環(huán)反饋控制策略，可有效補(bǔ)償其存在的繞組電抗設(shè)計誤差和繞組間互感影響，實現(xiàn)可調(diào)電抗器整體輸出的精確控制。相比電流內(nèi)環(huán)PI控制器，滯環(huán)控制器可提升可調(diào)電抗器整體輸出的暫態(tài)性能。

當(dāng)前，變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器得到了越來越多的關(guān)注。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度從發(fā)，無論如何優(yōu)化，其阻抗設(shè)計誤差和互感問題總是無法避免的。本文將可調(diào)電抗器整體輸出引入到VSC的閉環(huán)控制中，通過VSC輸出來補(bǔ)償無功誤差影響，從控制角度提出了一種解決問題的新思路，可供在變壓器式混合控制型可調(diào)電抗器研究領(lǐng)域的專家、學(xué)者參考。

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Research on Control Strategy for Hybrid Controllable Reactor of Transformer Type (HCRT)

Jiang Yingwei, Hou Kai, Wu Di, Kui Huarong

(State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing NARI Group Co., Nanjing Jiangsu 210003, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.018

TM41/47

A

1000-3886(2017)03-0057-04

定稿日期: 2016-10-22

國家科技部轉(zhuǎn)制科研院所創(chuàng)新能力專項資金項目：2014EG221211《配電網(wǎng)機(jī)械式連續(xù)可調(diào)電抗器研制》國家電網(wǎng)公司科技項目《基于磁路控制的超高壓故障電流限制技術(shù)基礎(chǔ)理論及可行性研究》南瑞集團(tuán)公司科技項目《基于導(dǎo)磁材料各向異性的可調(diào)電抗器技術(shù)研究》

蔣應(yīng)偉(1986-)，男，浙江金華人，碩士，工程師，主要研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 侯凱(1981-)，男，江蘇徐州人，博士，高級工程師，主要研究方向：電力電子技術(shù)。