多套自動控制的電力設備平衡輸出的復合控制結構

尚 春 李海生 安萬洙 陳晏伯 張 智

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣州 510620；

2.榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051）

1 引言

隨著經濟發展和技術進步，大量的自動化控制的大功率電力設備廣泛應用于電信、能源、交通運輸、軍事裝備、材料工程、電力系統和電氣傳動領域，用于驅動電氣傳動機構、作為變頻電源、調節電網電壓潮流等。隨著自動化控制的電力設備的普及，在某些場合為了滿足大容量或者運行靈活性，在同一安裝點布置了兩套或者兩套以上的自動控制的同種設備，這就產生了多套設備之間如何平衡輸出的現實問題，特別是如何在電力系統暫態和穩態下都保持平衡輸出并同時保持各套設備的控制系統的各自獨立運行。

對于在同一地點安裝的多套具有獨立的自動控制系統的電力設備，即使運行工作特性曲線完全相同，由于傳感器、控制器、功率元件等的誤差，它們的輸出也會產生偏差，如果沒有特殊的額外手段加以修正，它們就不能保持在工作特性曲線的相同工作點上，即輸出不能平衡，并且在多套設備之間可能會產生相互干擾出現振蕩。

許多變量都會影響控制器的測量，但是其中只有一部分變量是可控的，其中一個變量必須由控制器進行控制，其余變量被定義為控制回路的擾動變量。擾動是永遠存在的，因為這些擾動將會使控制參數偏離設定點，控制器也必須對此做出反應。在傳統的PID反饋控制回路中，直到這些擾動對被控變量造成的影響在測量信號中顯示出來，控制器才開始動作，在此之前控制器根本沒意識到這些擾動也就無法對其做出相應的調節。這樣控制器只能根據控制器中計算得到的偏差來嘗試做出正確的補償，反饋回路的振蕩反應就是這種解決過程的明顯表現。

目前，在同一地點安裝多套自動控制的電力設備之間的平衡輸出問題見于報道的解決方法通常是采用同一個控制系統，通過一個控制器產生各套設備輸出單元的輸出分配的指令，這實際上從嚴格意義上仍然只能算做是一套設備，而不是各自具備自身獨立控制系統的多套設備；其應用范圍是有局限性的。

2 系統組成與工作原理

2.1 傳統控制系統

傳統控制系統的結構見圖 1，傳統控制系統的結構由PID控制環節、輸出控制環節、電力系統、測量環節、放大環節、求和環節順序構成閉環負反饋控制結構。

圖1 傳統控制系統的結構

2.2 控制系統方案1

控制系統方案1見圖2。

圖2 控制系統方案1

在傳統的如圖1所示的閉環負反饋控制結構中增加了另一套設備，在該套設備中的前饋輸入環節，即本控制系統結構為：由PID控制環節、輸出控制環節、電力系統、測量環節、本套設備的放大環節、另一套設備的前饋輸入放大環節、求和環節順序構成閉環負反饋控制結構。

假定考慮兩套自動控制的電力設備，更多套的情況可以依此類推。對于一套設備的控制系統，在原閉環負反饋控制結構上將自身的反饋通道的放大系數減少到原先的k倍（0 1k＜ ＜ ），再引入另一套設備的反饋量增加前饋環節，前饋環節放大系數設為1-k倍。

該方法需要滿足的控制條件是：

（1）各套設備需要設置成相同的自動控制結構；

（2）引入非自身信號的前饋環節的放大系數要根據各套設備的容量比例分配。

增加的前饋環節抵消了干擾信號帶來的影響，使得兩套設備前饋、反饋、參考值經過加減環節后得到的偏差變化方向相同，避免了因為兩套設備的控制回路接收到不同相位的輸入量導致兩套設備之間輸出的振蕩。

2.3 控制系統方案2

控制系統方案2見圖3。

圖3 控制系統方案2

多套自動控制的電力設備平衡輸出的復合控制結構，該控制結構通過在傳統的閉環負反饋結構（見圖 1）增加一個前饋輸入環節，將傳統的負反饋結構修改為反饋與前饋相結合的復合控制結構。

在圖3所示中，為了使控制系統結構簡單，可以取K=0.5，使得閉環負反饋與前饋輸入的放大系數均為 0.5倍，這樣反饋量和引入的另一套的前饋量可以共用放大環節。增加的前饋環節抵消了干擾信號帶來的影響，使得兩套設備前饋、反饋、參考值經過加減環節后得到的偏差變化方向相同，避免了因為兩套設備的控制回路接收到不同相位的輸入量導致兩套設備之間輸出的振蕩。

該方法需要滿足的控制條件是：

（1）各套設備需要設置成相同的自動控制結構；

（2）引入非自身信號的前饋環節的放大系數要根據各套設備的容量比例分配，對于各套容量相同的設備之間可以新增的前饋環節放大系數可以進行等分處理。

控制系統方案 1：南方電網云廣特高壓直流輸電楚雄換流站兩套SVC，單套容量120Mvar，采用傳統閉環負反饋控制時，經過多次試驗發現，兩套SVC先后起動后，無功負荷由一套 SVC承擔轉為由兩套SVC承擔的重新分配過程中，有可能出現無功功率在兩套SVC之間重新分配的來回振蕩過程。

后修改控制結構，引入非自身輸出信號前饋環節，為了使控制結構簡單，將另一套SVC的電流引入，與自身的電流求和平均后一同經原先控制結構中自身反饋電流的通道輸入，即前饋環節與電流反饋環節共用同一個輸入通道。將兩套SVC的電流進行平均后作為前饋環節的輸入量，以電壓穩定方式作為主閉環控制，控制回路輸出的無功電壓則相對趨于平緩。根據負載無功功率（無功電流）的大小，間接控制SVC的電壓和輸出電流。由于兩套SVC的前饋環節輸入量相同，并且這兩套SVC的電壓閉環主控制輸入量都是500kV側電壓采樣值。前饋環節抵消了干擾信號帶來的影響，使得兩套SVC前饋環節的輸入量變化方向相同，避免了因為兩套控制回路接收到不同相位的輸入量導致無功功率在兩套SVC之間的來回振蕩。

3 兩套SVC采用復合控制結構后的輸出曲線

兩套 SVC采用復合控制結構后的輸出曲線見圖4。

圖4 兩套SVC采用復合控制結構后的輸出曲線圖

圖 4記錄了電網 500kV交流母線出現持續100ms對地電阻100?的單相接地故障時的SVC輸出，SVC的電壓控制輸入死區 200V。圖中，最上方曲線為電網500kV交流母線電壓，下方兩條曲線分別為兩套SVC的輸出無功電流。由圖4中可見，兩套 SVC在遭受電壓波動瞬間的調節過程中實現了無功輸出平衡，沒有出現兩套SVC之間的無功功率振蕩；然后，在趨于最后穩定的過程中，兩套SVC也實現了無功輸出平衡。

4 結論

兩套自動控制的電力設備平衡輸出的復合控制系統，在南方電網云廣特高壓直流輸電楚雄換流站兩套SVC，采用后，經過多次試驗發現，兩套SVC（容量120Mvar）先后起動后，無功負荷由一套SVC承擔轉為由兩套SVC承擔的重新分配過程中，有可能出現無功功率在兩套 SVC之間重新分配的來回振蕩過程。

后修改控制結構，引入非自身輸出信號前饋環節，為了使控制結構簡單，將另一套SVC的電流引入，與自身的電流求和平均后一同經原先控制結構中自身反饋電流的通道輸入，即前饋環節與電流反饋環節共用同一個輸入通道。將兩套SVC的電流進行平均后作為前饋環節的輸入量，以電壓穩定方式作為主閉環控制，控制回路輸出的無功電壓則相對趨于平緩。根據負載無功功率（無功電流）的大小，間接控制 SVC的電壓和輸出電流。由于兩套SVC的前饋環節輸入量相同，并且這兩套SVC的電壓閉環主控制輸入量都是500kV側電壓采樣值。前饋環節抵消了干擾信號帶來的影響，使得兩套SVC前饋環節的輸入量變化方向相同，避免了因為兩套控制回路接收到不同相位的輸入量導致無功功率在兩套SVC之間的來回振蕩。此項技術，經過現場實用，達到了設計要求，且有推廣價值。

[1] 蔣凱,唐寅生.500kV變電站TCR-Based SVC技術改進方向探討[J].中國電力,2004,37(12):27.28.

[2] 孫元章,王志芳,盧強.靜止無功補償器對電壓穩定性的影響[J].中國電機工程學報,1997,17(6):373-376.

[3] 黃燕艷，高亞棟，杜賓，施圍．SVC對限制超高壓輸電系統工頻過電壓的影響[J].高壓電器,2003,39(5):l-6

[4] 臧宏志,俞曉東,王博.應用SVC提高山東電網輸送能力的研究[J].山東電力技術,2006(4).

[5] 衛寧.SVC安裝地點的選擇對電力系統電壓穩定的影響[D]. 廣西:廣西大學,2007.

[6] 陳紅翔.SVC電壓控制原理分析及在 500kV歐海變采用SVC進行無功電壓控制的可行性研究[D].浙江大學碩士論文,2005.7.

[7] 黃燕艷,高亞棟,杜賓,施圍．SVC對限制超高壓輸電系統工頻過電壓的影響[J].高壓電器,2003,39(5):l-6.

[8] 張勇軍,任震,李邦峰.電力系統無功優化調度研究綜述[J].電網技術,2005,29(2):50-55.

[9] 唐寅生,周全仁,周鐵強,湖南 500kV電網自動電壓控制方法研究, 2001,34(8):31-34.

[10] 唐寅生,盛萬興,蔣凱. 特高壓電網無功補償設計和運行方式研究[J].中國電力, 2006, 39(6):22-25.