區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宜立，張蓉馨，楊再鶴，單祖植，徐曉亮

（1.云南電力調(diào)度控制中心調(diào)度科，云南昆明 650011；2.文山供電局電力調(diào)度控制中心，云南文山 663099；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 210000）

電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象在實(shí)際配電網(wǎng)中普遍存在，其中故障幾率出現(xiàn)情況最大的就是不對(duì)稱(chēng)交流電故障。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，或者是受到不穩(wěn)電壓的干擾時(shí)，電流會(huì)與低頻率諧波分量相重疊，導(dǎo)致電流運(yùn)行不對(duì)稱(chēng)從而出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)交流電，也有可能會(huì)影響到電網(wǎng)中的其他負(fù)載，因此有必要研究不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)。

目前，文獻(xiàn)[1]提供了一種利用MMC 的控制優(yōu)化方案，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在交流電壓失衡時(shí)對(duì)其進(jìn)行抑制，但是在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中不太容易實(shí)現(xiàn)且由于受限因素過(guò)多，導(dǎo)致結(jié)果容易出現(xiàn)較大偏差；文獻(xiàn)[2]提出一種采用準(zhǔn)諧振控制器的SVI 負(fù)序電壓控制策略，該方案采用了SVI 單模化管理思想，方法復(fù)雜并且運(yùn)行效果不穩(wěn)定。針對(duì)區(qū)域互聯(lián)功能強(qiáng)大且穩(wěn)定的特性，以及不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)缺少的情況，該文基于區(qū)域互聯(lián)針對(duì)不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)中需要及時(shí)且準(zhǔn)確地獲取電網(wǎng)電壓的相位信息，然后利用控制器對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行控制[3-4]。區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

觀察圖1 可知，該文主要采用三個(gè)硬件部分實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的運(yùn)行，包括鎖相環(huán)控制器、電流環(huán)控制器、DSP 控制器。

1.1 鎖相環(huán)控制器設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)控制器負(fù)責(zé)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位信息，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。鎖相環(huán)控制器的性能狀態(tài)良好與否對(duì)整體控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常有著極大影響。在環(huán)境處于不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)電壓處于不平衡狀態(tài)，鎖相環(huán)控制器能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到電壓分量順序，并且快速掌握與其對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)電壓的相位信息[5-6]。鎖相環(huán)控制器是保證整體系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行的前提條件。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

針對(duì)鎖相環(huán)控制器的設(shè)計(jì)主要由相位鑒別、環(huán)路濾波和壓控振蕩三部分組成一個(gè)閉環(huán)[7-8]。工作原理：將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率和相位信息進(jìn)行比較，可以得到一個(gè)表示輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間相位誤差的電壓信號(hào)，可以將其稱(chēng)為對(duì)比信號(hào)值。將對(duì)比信號(hào)值經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波進(jìn)行濾波操作，可以得到一個(gè)控制信號(hào)，將控制信號(hào)輸入到壓控震蕩，壓控震蕩負(fù)責(zé)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行修改調(diào)整，根據(jù)控制信號(hào)改變輸出信號(hào)的頻率和相位，使之與輸入信號(hào)保持相同的相位[9-10]。

1.2 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)

電流環(huán)控制器是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)對(duì)電流的幅值和相位進(jìn)行掌握和定值。電流環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電流環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

觀察圖3 可知，電流環(huán)控制器主要由定時(shí)器、DMA、處理器和A/D 轉(zhuǎn)換器組成。區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)中的電流環(huán)控制器設(shè)置根據(jù)坐標(biāo)系變換實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)選擇坐標(biāo)變換類(lèi)型，考慮電流的獨(dú)立狀態(tài)分為兩相靜止和多相靜止，分別對(duì)應(yīng)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和多相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)參數(shù)值，從而使調(diào)節(jié)器能夠?qū)崟r(shí)分析諧波分布情況并掌握諧波傳遞規(guī)律，以保證電流調(diào)節(jié)無(wú)誤差[11]。

1.3 DSP控制器設(shè)計(jì)

DSP 控制器包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)獨(dú)立的DSP 核心單元線路及相對(duì)應(yīng)的外圍電路，通過(guò)DSP通信構(gòu)成一個(gè)完整的體系。DSP 控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DSP控制器結(jié)構(gòu)

觀察圖4 可知，DSP 控制器主要結(jié)構(gòu)包括GSC 反饋信號(hào)、GSC 觸發(fā)脈沖和RSC 反饋信號(hào)及MSC 觸發(fā)脈沖兩條線路共同作用，從而組成一個(gè)完整的控制器結(jié)構(gòu)。在信號(hào)前級(jí)進(jìn)行電路處理后，在DSP 最小系統(tǒng)及外圍擴(kuò)展到各自單元時(shí)，線路一中的單元A與數(shù)字IO 廣電隔離相互作用，并傳到開(kāi)入開(kāi)出信號(hào)。而線路二中的單元B 在與數(shù)字IO 廣電隔離相互作用的同時(shí)，鍵盤(pán)上會(huì)顯示電路，并且將電路信息傳導(dǎo)到通信端口[12-13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 諧波分析程序

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，由于正序諧波和負(fù)序諧波通過(guò)換流變壓器的改變，會(huì)導(dǎo)致直流的諧波分布情況發(fā)生改變并且排列情況復(fù)雜。通過(guò)對(duì)該狀況下的系統(tǒng)諧波形成機(jī)制進(jìn)行解析，就能夠了解到交流側(cè)諧波的傳導(dǎo)規(guī)律，以及交流側(cè)功率的高低波動(dòng)狀況，由此可以得出不對(duì)稱(chēng)交流狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)可能造成的影響，其產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在電流及電壓的數(shù)值改變[14]。電流函數(shù)可由式（1）表示：

式中，lK表示在產(chǎn)生K次諧波時(shí)的電流函數(shù)；EK表示在產(chǎn)生K次諧波時(shí)的系統(tǒng)電壓；PK表示此時(shí)的系統(tǒng)功率。

通過(guò)式（1）在換流器的正序負(fù)序諧波狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)的電壓影響進(jìn)行求解。通過(guò)對(duì)區(qū)域互聯(lián)下的交流電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)電壓電流進(jìn)行監(jiān)控，從而確定不對(duì)稱(chēng)交流狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響[15]。

2.2 控制程序

區(qū)域互聯(lián)模式對(duì)不對(duì)稱(chēng)交流供電運(yùn)行采用雙電流監(jiān)測(cè)與控制方式，通過(guò)將正序分量和負(fù)序分量作用到不同旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分別對(duì)兩種情況進(jìn)行監(jiān)控和控制，因?yàn)槟軌蛲ㄟ^(guò)單獨(dú)選擇坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)雙電流利用，所以可以直接對(duì)不同旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系情況下的電流進(jìn)行控制，通過(guò)直接控制電流，可以提高控制效果的準(zhǔn)確性，并且由于電流的可控性，也提高了控制效果的穩(wěn)定性。在電網(wǎng)電壓不平衡出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)交流電時(shí)，在正旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)換流器輸出電壓為正序分量，如式（2）所示：

當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，在負(fù)a、b軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)換流器輸出電壓為負(fù)序分量，如式（3）所示：

該矢量則作為空間矢量開(kāi)入開(kāi)出信號(hào)輸入，控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)閉，最終達(dá)到對(duì)不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)電流的運(yùn)行控制[16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)定實(shí)驗(yàn)。選用交流配電網(wǎng)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，交流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 交流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)之間的短路比為2.5，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的額定容量為500 MVA，換流變壓器容量為530 MVA，系統(tǒng)直流側(cè)的額定電壓為300 kV，系統(tǒng)直流側(cè)的額定電流為1 kA。

選用該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，分別得到控制前和控制后的電網(wǎng)電流和電壓運(yùn)行狀況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行能力進(jìn)行分析。控制前的交流系統(tǒng)電壓值如圖6 所示。

圖6 控制前交流系統(tǒng)電壓值

控制后的交流系統(tǒng)電壓值如圖7 所示。

圖7 控制后交流系統(tǒng)電壓值

根據(jù)圖7 可知，在未進(jìn)行運(yùn)行控制之前，系統(tǒng)的母線出現(xiàn)跌落狀況，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)三相電壓不對(duì)稱(chēng)，系統(tǒng)由于在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)序和零序分量，因此會(huì)出現(xiàn)諧波。引入該文提出的運(yùn)行控制系統(tǒng)后，直流電壓和交流電壓都得到了有效控制，電壓波動(dòng)幅值降為0，該文提出的控制系統(tǒng)通過(guò)分析區(qū)域互聯(lián)不對(duì)稱(chēng)性，均衡電網(wǎng)內(nèi)部的輸入能量和輸出能量，防止電網(wǎng)內(nèi)部直流側(cè)電壓升高，從而有效控制電網(wǎng)運(yùn)行。控制前的交流系統(tǒng)電流值如圖8所示。

控制后的交流系統(tǒng)電流值如圖9 所示。

圖9 控制后交流系統(tǒng)電流值

根據(jù)圖9 可知，在出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象后，電網(wǎng)的負(fù)序分量會(huì)受到開(kāi)關(guān)函數(shù)的影響，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)將負(fù)序分量轉(zhuǎn)化成偶數(shù)次諧波，電流運(yùn)行為0，確保電網(wǎng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文分析了傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制策略中存在的問(wèn)題，通過(guò)區(qū)域互聯(lián)的方式，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，軟件方面利用諧波分析程序和控制程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域互聯(lián)下不對(duì)稱(chēng)交流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的性能。