静止无功补偿器电压调节器仿真与实验研究

摘要：为了达到调节静止无功补偿器对所连接母线电压的目的，针对静止无功补偿器(SVC)电压调节器采用线性PID控制策略的限制，设计了基于电压差值加权控制策略的电压调节器。该加权控制策略采用了三部分传递函数计算SVC装置等效电纳，并通过电路仿真模型验证算法并进行谐波分析。通过闭环的物理-数字仿真系统对所设计的电压调节器进行功能测试和研究。仿真结果表明该方法的有效性。
关键词：静止无功补偿器；加权控制策略；谐波分析；电压调节

0 引言
    随着我国经济的发展和各种新型电力设备的应用，电网负荷急剧增大，感性无功也不断增加。尤其是冲击负荷、非线性负荷容量的持续增长，加上普遍应用的电力电子和微电子技术，使得电网发生电压波形畸变，电压波动闪变和三相不平衡等，造成电能质量降低，网络损耗增加等不良影响。在输电系统安装并联动态无功补偿装置，是提高输电系统传输能力，提高电力系统暂态稳定性，改善系统动态性能，阻尼电力系统振荡的有效手段。
    为了提高现代电力系统的动态稳定极限和提供更好的潮流控制，人们引入了柔性交流输电(FACTS)技术。随着FACTS技术的广泛应用和发展，孕育了许多基于FACTS的产品，基于晶闸管控制电抗器(TCR)的静止无功补偿器(StaticVarCompensator)就是实际应用最广泛的一种。SVC的重要作用是实现平稳的电压控制、无功功率补偿、改善电网电压不平衡度、抑制电压闪变等。
    SVC电压调节器的主要作用是处理测量到的系统变量，产生一个与补偿所需无功功率成正比的输出信号。电压调节器可根据SVC的具体应用，采用不同的控制变量和传递函数来实现。现今用于实际输电系统无功补偿的SVC装置电压控制器大多采用的是线性PID控制器，但其只能对测量的电压与参考值电压的差进行控制。对调节期间的电压暂态响应无能为力，改变任何参数只能改变某一性能指标，比如响应时间、超调量等。
    本文提出一种采用闭环PI调节与其他加权控制策略的电压调节器综合控制策略，通过将三部分不同的传递函数组合起来，一部分为闭环PI调节，另外两部分传递函数类似于超前滞后调节策略。最后通过仿真和实验研究算法有效性。

1 SVC电压调节器工作原理设计
    SVC电压调节器的主要作用是处理测量到的系统变量，产生一个与补偿所需无功功率成正比的输出信号。电压调节器可根据SVC的具体应用，采用不同的控制变量和传递函数来实现。
    电压调节器的PI型调节器的传递函数如下：
   
    式中：KV为电压凋节器的稳态增益；TV为电压调节器的积分时间常数。KV和TV具体数据在对整个系统进行仿真优化后确定。
    电压调节器的作用过程可描述为：将测量所得到的控制变量与参考信号Vref相比较，然后将误差信号输入到控制器的传递函数，控制器输出一个标幺值电纳Bref相比较，这个信号的大小应可以使控制误差减小，并达到稳态误差为零，然后电纳信号Bref被传送到触发脉冲发生电路。SVC电压调节器与SVC控制系统的原理图如图1所示。

2 电压调节器综合控制策略
    一般在工程中控制器设计以闭环负反馈控制为主，控制法主要是比例积分型，本文采用文献提出的闭环PI调节与其他加权控制策略的电压调节器综合控制策略，设计SVC的电压控制器。
    当母线电压与电压参考值存在差值，调节器传递函数由三部分按不同的比例系数加权组成：
    第一部分传递函数为·0.1；第二部分为传递函数为；第三部分为PI算法传递函数为10+75／s，三部分加权系数分别为0．1，0．5，0．7。这种加权控制策略如图2所示。

    图中，Bref是BTCR的参考等效电纳值。由BTCR得到BSVC的计算结果为：
   


3 SVC主电路软件仿真结果
    本文以Matlab Version 7．0为平台，在Simulink仿真环境下，以SimPowerSystems电力系统模块库为工具，对三相TCR电路及TCR与滤波器构成的SVC电路进行仿真分析。其中电压调节采用上述PI与其他传递函数加权控制策略。触发模块的核心是同步六脉冲发生器(Synchroniz ed 6-Pulse Generator)。通过Vab，Vbc和Vca三个电压测量模块对电源的线电压进行实时测量，并将测量结果送入同步六脉冲发生器中，然后同步六脉冲发生器就可根据线电压和指定的触发角生成与电压过零时刻有固定相位差的六脉冲信号，并经Pulse Y模块分开，分别送往三相TCR去触发晶闸管。电源线电压有效值为100 V，频率为50 Hz，TCR电感值为1 mH，仿真算法采用Ode23tb变步长模式解法。给定触发角时要注意图中晶闸管触发角的有效作用范围为90°≤α≤180°。
    图3为采用示波器模块Wavel观测到的当计算得到触发角为120°时二次侧线电压、电流和TCR每相电流的波形以及一次侧电压、电流波形。

    同时，利用Simulink中的有效值测量模块(RMS)以及傅里叶分析模块(Fourier)可以测定电流的总有效值和基波及任意次谐波的幅值。下面通过powergui模块对波形进行谐波分析。图4所示是触发角为120°时变压器二次侧的线电压波形分析。可以看出因为变压器的影响，使得二次侧线电压中含有了5，7，11，13等次的谐波，线电压波形产生畸变，但谐波较小，总谐波畸变率为4．18％，因而畸变并不很明显。

    从图4可以看出，一次侧电流波形与二次侧电流波形相比发生了变化，这是因为二次侧电流中除基波外还含有奇次谐波，而变压器对基波和各谐波的影响不同，使得叠加之后的一次侧电流与二次侧电流不同。另外，一次侧电压波形是正弦，而二次侧的电压波形虽然仍近似于正弦但却有一些畸变，这是因为谐波电流在变压器上产生了畸变电压，从而影响了变压器二次侧的电压波形。从仿真结果可以看出，所设计的SVC装置电压调节器可以保证电压的实时调节，并通过无功功率调节使谐波畸变得到明显改善且谐波分量较小。

4 实验验证
    将电压调节器设置为闭环PI加其他加权控制模式，当系统35 kV电压发生变化时，观察投入SVC调节器前后系统电压的变化。试验结果如图5所示。(计算所得触发角为120°，与仿真结果作比较)

    由图5可以看出，闭环控制电压可以实时控制母线电压，补偿无功功率，根据电纳计算得的TCR晶闸管触发角计算正确，闭环控制策略有效。

5 结语
    对电力系统进行合理的无功补偿可以减少线路的电压降，稳定负载端电压，减少功率损耗和提高电压的功率因数。通过对静止无功补偿器(SVC)电压调节器控制策略的分析，设计了基于电压差值加权控制策略的电压调节器，采用闭环PI与其他加权控制策略结合的传递函数计算SVC装置等效电纳。并通过电路仿真模型验证算法并进行谐波分析。最后通过闭环的物理-数字仿真系统对所设计的电压调节器进行功能测试和研究。