帶輔助控制的TCR型SVC控制策略研究

常鳳筠，景煒，俞海，陳佳永

（1.遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114044；2.遼寧榮信興業電力技術有限公司研發部，遼寧 鞍山 114000）

靜止無功補償裝置（static var compensator，SVC）作為一種柔性交流輸電設備[1?2]由于其在動態電壓支撐與無功補償方面的突出特性，在電力系統自投入運行以來已得到了廣泛的使用。而其中晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reac?tor，TCR）型SVC因具有響應速度快、可連續平滑調節無功功率、諧波含量少、成本較低等優點而應用最廣。

TCR型SVC既能提供動態電壓支撐[3?5]控制母線電壓，又能分相控制補償系統不平衡負荷[6?9]。目前應用TCR型SVC補償母線電壓時，基本的電壓控制策略是通過快速連續調節輸出維持母線電壓穩定、抑制電壓波動使母線電壓趨向目標電壓值。本文在此基本電壓控制策略中加入了電壓死區的輔助控制[10?11]策略：在設定的母線電壓允許誤差范圍內SVC輸出被鎖定，即不需要頻繁地調節抑制母線電壓的小波動，在范圍外時則釋放SVC快速調節母線電壓至范圍內；同時為了配合電壓死區控制，還設計了可根據母線電壓大小而變化的可變電壓參考值，讓SVC的輸出容量一直處于可調節的范圍內且具備較多的無功儲備。這樣既能發揮TCR型SVC快速調節電壓的優點，又能減少SVC在穩態時的運行損耗，還能更有效地利用SVC有限的額定容量。

當系統電壓含有2次諧波分量時，TCR的正負半波導通電流面積會不相等，導致電流中產生大量的直流電流分量影響裝置的正常運行[12]。針對此問題，本文在基本控制電壓策略中還加入了一種采用快速傅里葉變換（fast fourier transform，FFT）與PI調節相結合的TCR平衡控制（TCR bal?ance control，TCRBC）的輔助控制策略：通過調制觸發角使TCR反并聯的晶閘管達到在正方向和負方向的導通時間不相同，將直流電流分量減小到零，從而抑制系統2次諧波電壓對TCR的影響，保障裝置的安全運行。

1 TCR型SVC結構

TCR型SVC的結構圖如圖1所示，一般由一組晶閘管控制電抗器TCR和n組固定電容器（fixed ca?pacitor，FC）組成，通過降壓變壓器與母線相連接。

圖1 TCR型SVC結構圖Fig.1 Structure diagram of the TCR type SVC

基本的單相TCR由雙向反并聯的一對晶閘管與一個線性空心電抗器相串聯構成，反并聯的兩個晶閘管分別在電壓的正半周和負半周導通。晶閘管的觸發角α的理論可控范圍是90°～180°，但是為了避免觸發失敗而損壞設備[13]，一般會施加范圍限制（本文范圍為100°～170°）。因為TCR的等效電納BTCR與觸發角α存在如下關系：

式中：XL為電抗器的感抗。

所以TCR的控制原理是通過控制觸發角α改變TCR等效電納的大小，從而達到調節無功功率輸出的目的。

由于TCR的固有特性決定了其只能補償感性無功功率且運行時會產生大量的特征諧波，所以通常TCR需要與固定電容器FC并聯使用，在濾除TCR產生的特征諧波的同時提供容性無功功率，使得TCR型SVC具備從感性到容性范圍的無功功率調節能力。

2 TCR型SVC控制策略

2.1 基本電壓控制原理

TCR型SVC采用電壓閉環控制，主要作用是：處理被測系統變量，并產生與所需補償無功功率成比例的輸出信號，調整SVC無功輸出實現對目標母線電壓的控制。

電壓控制的被控量為220 kV母線三相電壓平均值Umeas_average（標幺值，以下使用Umeas表示）。本文的TCR型SVC電壓控制原理如圖2所示，通過測量電路得到目標電壓Umeas與補償器電流Isvc后，根據下式求出電壓誤差Uerr：

圖2 電壓控制原理圖Fig.2 The schematic of the voltage control

式中：Uref為設定的電壓參考值；KSL為電流調差率。然后將Uerr輸入PI調節器輸出一個電納基準信號Bref，再通過線性化環節得到觸發角α后再由觸發控制形成脈沖信號控制補償器動作。

圖2中，Umax，Umin分別為電壓死區的上限、下限值；加入的非線性增益環節是通過對處于不同范圍的電壓誤差信號Uerr提供不同增益系數實現對閉環電壓控制穩定性的管理，以提高在電壓發生大的擾動時SVC的響應速度[14]。

2.2 輔助控制策略

當母線電壓等級越高，其抗干擾能力越強[15]，而且根據國家電能質量標準GB/T 12325—2008，220 kV母線電壓允許偏差范圍為標稱電壓的?10%～7%，所以本文以此為依據且結合實際項目要求設計具有可變電壓參考值的電壓死區輔助控制策略。

2.2.1 電壓死區控制

電壓死區控制原理如圖3所示，其允許的母線電壓偏差范圍是±0.03（標幺值）：如果目標電壓Umeas在0.97（標幺值）～1.03（標幺值）之間且超過延時時間20 s，則電壓控制輸出被偏置，SVC被鎖定；如果Umeas<0.97或者Umeas>1.03且超過延時時間15 s則釋放SVC，調節220 kV母線電壓趨向目標電壓值Uref。但是因為15 s和20 s的時間太長，所以分別使用100 ms和300 ms進行仿真實驗。

圖3 電壓死區控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage deadband control

2.2.2 可變電壓參考值

在電壓死區控制中，SVC只需要調節母線電壓運行在允許的電壓范圍內，又考慮到SVC的額定容量有限，即能調節的電壓范圍有限，所以為了配合電壓死區控制和保證SVC輸出容量一直處于可調節的范圍內且能具備較多的無功儲備，設計了可根據母線電壓的大小而改變的電壓參考值策略，以便更有效地利用SVC有限的額定容量。

根據母線電壓大小而變化的可變電壓參考值Uref的原理如圖4所示。Uref的初始值設定Uset為0.971（標幺值）；如果220 kV母線電壓電壓Umeas≤0.97（標幺值）且超過延時時間10 s則自動設定Uref為0.971（標幺值）；如果Umeas>1.03（標幺值）且超過延時時間10 s則自動設定Uref為1.029（標幺值）。但是因為10 s的時間太長，所以使用100 ms進行仿真實驗。

圖4 電壓參考值變化原理圖Fig.4 Schematic diagram of voltage reference value change

3 TCR平衡輔助控制

3.1 二次諧波

在故障清除、電抗器或變壓器投切、過高的電壓下運行、TCR裝置鎖相不精確或者控制系統有噪聲等情況下，系統電壓中會產生大量的2次諧波分量，從而引起電壓的畸變。TCR的電流因為是TCR在導通期間其兩端電壓的積分，所以對供電電壓的畸變非常敏感。當系統電壓含有2次諧波時，TCR的正負半波導通電流面積會不相等，導致大量的直流電流分量產生。在這種情況下，2次諧波的不穩定[16?17]是SVC運行面臨的主要問題，而且對變壓器的安全運行及電力系統的可靠性會產生較大的負面影響。

3.2 TCR平衡控制

TCR平衡控制的工作原理是當檢測到TCR電流中含有直流電流分量時，通過調制觸發角使反并聯的晶閘管達到在正方向和負方向的導通時間不相同，從而將直流電流分量減小到零。TCRBC的關鍵問題是求取TCR電流中的直流分量，文獻[12]、文獻[18]提出的方法是先對TCR電流的瞬時值在每半個周期內求解積分值，然后將兩個半周期的積分值相加則能計算出一個周期的直流電流分量值。雖然通過積分的方法可以計算出電流中的直流分量，但是無法同時得到電流中的2次諧波分量。所以本文運用電力系統諧波檢測[19?20]中應用最廣泛的快速傅里葉變換FFT算法得到TCR電流中的2次諧波和直流電流分量。

TCRBC的控制原理如圖5所示。首先TCR相電流Itcr經過FFT環節得到其中的2次諧波分量I2和直流電流分量Idc，Idc與電流參考值Idcref（為0）相減得到誤差量Ierr，再經過PI環節得到調制角參考值αref，然后結合TCR的電壓極性得到調制角αD，最后與電壓控制輸出的觸發角相加得到觸發角終值。同時為了避免與SVC電壓控制的快速調節相沖突，TCRBC相較于電壓控制具有較大的時間常數。

圖5 TCR平衡控制原理圖Fig.5 The schematic of the TCR balance control

4 系統仿真

本文在PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件中根據云南省曲靖市的多樂變電站220 kV高壓輸電線路的部分參數搭建的系統仿真模型示意圖如圖6所示，LOAD1為系統原有負載；LOAD2和LOAD3分別為用于測試SVC電壓控制策略的感性和容性負載；3者均為三相對稱負載。

圖6 系統模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the system model

系統參數為：供電電源220 kV，系統阻抗集總參數值為 R=0.165 Ω，L=0.026 25 H，C=1e100 μF；諧波電源輸出幅值和相位可調的2次諧波電壓。SVC耦合變壓器容量為150 MV?A，變比為220/30 kV，阻抗電壓Uk=12%。SVC由一組三角形接線的TCR和2組星形接線的FC組成，其中TCR額定容量是220 Mvar，3次、5次濾波電容器組的額定容量均為60 Mvar。

4.1 電壓控制策略仿真

4.1.1 加入電壓死區輔助控制

系統仿真設定為6 s，0 s仿真開始，1 s時TCR和FC3投入，1.5 s時FC5投入；2 s時電壓死區控制啟動；2.5 s時投入 LOAD2，3.5 s時切除LOAD2；4 s時投入 LOAD3，5 s時切除 LOAD3；6 s時仿真結束。仿真結果的波形如圖7所示。由圖7可知，2.0 s時電壓死區控制啟動，電壓參考值Uref改變為0.971（標幺值），同時SVC控制信號hold置1，SVC輸出被鎖定（在2.0 s之前SVC投入和調節的過程中因為220 kV母線電壓Umeas的波動始終在±0.03（標幺值）范圍內且滿足大于延時0.3 s的條件，所以hold信號已經置1，但是因為死區控制未啟動，所以hold信號保持為0）。2.5 s時感性負載LOAD2投入，Umeas瞬時下降至0.965（標幺值），而此時SVC處于鎖定狀態無法調節電壓；因為0.965（標幺值）小于閾值0.97（標幺值），所以計時開始，2.6 s時滿足延時0.1 s的條件后信號hold置0即釋放SVC，隨即TCR快速改變觸發角至132°調整SVC輸出至容性無功功率41.5 Mvar，將Umeas控制在目標值0.971（標幺值）。3.1 s時滿足在死區范圍內和延時0.3 s的條件后信號hold重新置1再次鎖定SVC。3.5 s時LOAD2切除，Umeas瞬時上升至1.006（標幺值）。在LOAD2切除過程中Umeas的變化始終在死區范圍內，信號hold保持為1即持續鎖定SVC，所以LOAD2切除后Umeas保持為1.006（標幺值）。SVC的輸出對電壓的變化很敏感，即使SVC處于鎖定狀態，也會因為母線電壓的變化而變化，所以在LOAD2切除后由于母線電壓的升高SVC輸出的容性無功功率從41.5 Mvar增加至44.7 Mvar。

圖7 有電壓死區控制仿真波形圖Fig.7 Simulation waveform diagrams with voltage deadband control

4 s時容性負載LOAD3投入，Umeas瞬時升高至1.059（標幺值），而此時SVC處于鎖定狀態無法調節電壓；因為1.059（標幺值）大于閾值1.03（標幺值），所以計時開始，在4.1 s時滿足延時0.1 s的條件后，Uref改變為1.029（標幺值）同時信號hold置0釋放SVC，隨即TCR快速改變觸發角至113°，調整SVC輸出至感性無功功率45.5 Mvar，將Umeas控制在1.029（標幺值）。在4.4 s時滿足在死區范圍內和延時0.3 s的條件后信號hold置1重新鎖定SVC。在5 s時LOAD3切除，Umeas瞬時下降至0.982（標幺值）。在LOAD3切除過程中Umeas的變化始終在死區范圍內，信號hold保持為1即持續鎖定SVC，所以 LOAD3切除后 Umeas保持為 0.982（標幺值）。雖然此時SVC處于鎖定狀態，但是因為母線電壓的變化導致SVC輸出的感性無功功率從45.5 Mvar減少至41.4 Mvar。

圖7的仿真結果表明加入的電壓死區控制策略有效，可以在發揮TCR型SVC快速調節電壓優點的同時減少SVC穩態時的運行損耗。

4.1.2 未加入電壓死區輔助控制

系統仿真設定同4.1.1小節，仿真結果的波形如圖8所示。由圖8可知，2.5 s時LOAD2投入，Umeas瞬時下降至0.972（標幺值），TCR調節三相晶閘管觸發角至170°即釋放SVC所有的120 Mvar容性無功功率，但還是不能滿足負載需求，只能抬升Umeas至0.99（標幺值），即不能實現控制Umeas至目標電壓1.0（標幺值）。3.5 s時LOAD2切除，TCR快速調節觸發恢復至126°，調整SVC輸出恢復至容性無功功率20 Mvar，將Umeas重新控制在1.0（標幺值）。4 s時LOAD3投入，Umeas瞬時上升至1.047（標幺值），TCR調節三相晶閘管觸發角至100°，即釋放SVC所有的220 Mvar感性無功功率，但還是不能滿足負載需求，只能控制Umeas至1.01（標幺值）即不能實現控制Umeas至目標電壓1.0（標幺值）。5 s時LOAD3切除，TCR快速調節觸發角恢復至126°，調整SVC輸出恢復至容性無功功率20 Mvar，將Umeas重新控制在1.0（標幺值）。

圖8 無電壓死區控制仿真波形圖Fig.8 Simulation waveform diagrams without voltage deadband control

由圖7和圖8可知，在相同的感性和容性大負載投切情況下，通過在基本電壓控制策略中加入具有可變電壓參考值的電壓死區輔助控制策略，可以在保證調節母線電壓至目標電壓值的同時使得SVC的輸出一直處于可調節范圍內且相對較少即可具備較多的無功儲備。

4.2 TCR平衡控制仿真

系統仿真設置：TCR的角度固定在120°，1 s時諧波電源輸出幅值為基波線電壓的30%且與基波線電壓同相位的2次諧波電壓疊加在一次側基波上。以TCR的AB相為例。

圖9為2次諧波電壓加入前后的A相與B相之間的電壓UAB波形圖。

圖10為無TCRBC情況下的相電流iAB、直流電流分量idc和2次諧波幅值i2的波形圖。

由圖9和圖10可知，在無TCRBC即等間隔觸發的情況下，當系統基波電壓中含有基波線電壓幅值30%且與基波線電壓同相位的2次諧波分量時，TCR相電壓的幅值和波形會出現明顯的畸變，導致TCR相電流波形出現正半波面積小于負半波面積的不對稱畸變，產生了一個大小為631.2 A的負的直流電流分量和一個幅值為596.64 A的2次諧波電流分量。

圖9 2次諧波加入前后AB相電壓波形圖Fig.9 AB phase voltage waveform before and after the second harmonic input

圖10 無TCRBC仿真波形Fig.10 Simulation waveforms without TCR balance control

圖11為有TCRBC情況下的對應波形。

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

圖12為TCRBC輸出的調制角和調制晶閘管觸發角的波形。

圖12 TCRBC調制過程Fig.12 TCRBC modulation process

由圖11和圖12可知，在有TCRBC的情況下，當TCR相電流中出現因系統電壓中的2次諧波分量而引起的直流分量時，TCRBC會按如圖12所示的形式通過每半個周期交變一次的調制角信號對TCR的晶閘管觸發角進行調制，達到在正負半波的不等間隔觸發。經過大約0.4 s的調制，TCR相電流的正半波面積等于負半波面積，直流分量減小至0，同時2次諧波的幅值也降低至201.52 A。由此可知：TCRBC在消除TCR相電流中直流分量的同時，也能起到抑制電流中2次諧波分量的作用；并且TCRBC設定的時間常數較大，因此不會與電壓控制的快速調節相沖突。

5 結論

在PSCAD上的仿真結果表明在TCR型SVC基本的電壓控制策略中加入具有特殊的控制和保護功能的輔助控制策略具有可行性和有效性：

1）可變電壓參考值的電壓死區輔助控制在發揮TCR型SVC快速調節電壓優點的同時，還能減少SVC穩態時的運行損耗和更有效地利用SVC有限的額定容量；

2）由快速傅里葉變換FFT和PI調節相結合的TCR平衡輔助控制可以將TCR電流中出現的因系統電壓中的2次諧波分量而引起的大量直流電流分量減少至0，從而抑制系統2次諧波電壓對TCR的影響，保障裝置的安全運行。