基于RTDSRTDSS的靜止無功補償控制器仿真研究

唐 斌，安衛(wèi)東，張明廣，徐在德

（1.國網(wǎng)四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000；2.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來伴隨工業(yè)的迅速崛起，用電質(zhì)量也越來越受到關(guān)注，各類低壓補償裝置的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前該類裝備主要以固定式或投切式電容補償裝置（Fixed capacitor FC）為主?？紤]到配網(wǎng)運行工況十分復(fù)雜，由于產(chǎn)品滋生在控制、保護等策略方面考慮不夠全面，導(dǎo)致技術(shù)比較成熟的固定式或投切式電容FC補償裝置，在實際應(yīng)用中都存在故障率較高的問題[4]。

采用Matlab/Simulink、PSCAD/EMTDC等純軟件仿真來進行裝置的建模與分析，此類仿真結(jié)果過于理想化，只能進行理論上的驗證，并不能真實反映裝置的實際運行結(jié)果。實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real Time Digital Simulator簡稱RTDS）是國際上研制和投入商業(yè)化應(yīng)用最早的數(shù)字實時仿真裝置，被最廣泛采用的電力系統(tǒng)實時仿真裝置[5-7]。實時數(shù)字仿真系統(tǒng)具有電網(wǎng)及其各種狀態(tài)的精確模擬能力和多種輸入輸出接口，能夠在實驗室環(huán)境對電氣設(shè)備進行全面的精確的實時動態(tài)的測試[8]。

1 構(gòu)建FC靜止無功補償裝置的閉環(huán)測試模型

在RTDS實時數(shù)字仿真環(huán)境中構(gòu)建FC靜止無功補償裝置的運行軟件仿真模型，仿真測試中的物理裝置部分利用了實際裝置中的FC控制器、接觸器、RTDS輸入輸出硬件接口、電壓電流功率放大器，其余部分包括三相電網(wǎng)、無功、諧波負載及電容器組等均由RTDS軟件模擬。為了對FC控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的準確測試，將低壓電容補償裝置控制器接入RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，建立閉環(huán)仿真測試平臺；通過RTDS實時數(shù)字仿真測試平臺對固定電容投切補償裝置控制器進行閉環(huán)測試。

圖1 FC控制保護RTDS閉環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

由圖1可知，測試時RTDS實時數(shù)字仿真裝置通過GTAO（模擬輸出接口）直接向FC控制器提供必要的模擬電壓、電流信號。FC控制器接收信號后進行計算處理，輸出接觸器電壓驅(qū)動信號，驅(qū)動接觸器線圈，通過接觸器的空開端子與GTFPI（數(shù)字輸入接口）連接，傳遞給RTDS電容器模型，以此控制電容器的投切，從而逐步逼近FC控制器設(shè)定功率因數(shù)值。

2 FC實物控制器仿真測試

根據(jù)配網(wǎng)中常見的FC靜止無功補償裝置，同時此次實驗選用正泰電氣生產(chǎn)的智能型低壓無功功率自動補償控制器，輸入采樣信號為交流電壓（額定220 V）、電流（額定0.1-5 A），接觸器共12組，輸出為接觸器控制信號（額定220 V、額定電流43 A），形成了12對干接點信號。

FC實物控制器裝置通過功放采樣RTDS模型中的B、C兩相電壓信號及A相電流信號，F(xiàn)C實物控制器裝置輸出的12路干接點信號輸送到RTDS的GTFPI卡。RTDS搭建仿真模型輸出接口信號經(jīng)過功率放大器輸出電流、電壓，通過接口板電壓轉(zhuǎn)化為FC控制器額定采樣電壓。

根據(jù)配網(wǎng)系統(tǒng)315 kVA變壓器參數(shù)計算，設(shè)置感抗0.06 mH，阻抗0.05Ω。

3 FC實物控制器仿真測試

3.1 線性負荷實驗

選用阻感負荷，圖2可知，投入前網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)0.76，F(xiàn)C控制器功率因數(shù)設(shè)置0.97，由于網(wǎng)側(cè)電流因數(shù)低于控制器功率因數(shù)的設(shè)定值，控制器計算采樣電壓、電流之后，發(fā)出動作信號，控制接觸器的動作投入電容，由圖3可知，電容器投切過程中電流有瞬間沖擊，圖4為投入電容器之后的波形，功率因數(shù)達到設(shè)定值為0.97。

圖2 投入FC靜止無功補償器前網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖3 投入FC靜止無功補償器瞬間網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖4 投入FC靜止無功補償器之后網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

3.2 非線性負荷實驗

選用不可控整流負載作為負荷，由圖5可知該負荷既含有諧波、無功，補償前功率因數(shù)為0.79，諧波含有量THD=39.231%，補償電容投入后，由圖6為電容器投入之后的波形，電流有瞬間沖擊，功率因數(shù)達到設(shè)定值0.97，諧波放大，含有量高達THD=51.453%。

圖5 投入FC靜止無功補償器前網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖6 投入FC靜止無功補償器瞬間網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

3.3 電網(wǎng)故障實驗

網(wǎng)側(cè)AC相間發(fā)生故障，通過此模型設(shè)置相間短路故障1個電網(wǎng)周期的時間，B相電壓、電流均正常，由圖7可知A、C電壓拉低，電流瞬間拉高，由圖8可知電容器電流峰值接近于250A，F(xiàn)C控制器沒有發(fā)出保護信號。

圖7 AC相間故障三相電壓電流線

圖8 AC相間故障電容電流線

網(wǎng)側(cè)三相對地故障，通過此模型設(shè)置了三相對地短路故障1個電網(wǎng)周期的時間，由圖9可知三相電壓瞬間跌落，由圖10可知電容器電流峰值接近于100 A，F(xiàn)C控制器未發(fā)出保護信號。

圖9 三相對地短路故障電壓電流線

圖10 三相對地故障電容電流

基于RTDS的實物FC控制器仿真測試實驗：1）線性負荷仿真實驗。2）非線性負荷仿真實驗。3）電網(wǎng)故障仿真實驗，通過仿真實驗證明與在電容器的投切瞬間均有沖擊電流，同時對現(xiàn)場難以模擬的電網(wǎng)故障情況進行仿真實驗，通過仿真可以看出當電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，電容器的電流具有瞬間較大的沖擊，F(xiàn)C靜止無功補償裝置并未及時切除，由此分析配電臺區(qū)電容器故障率較高的原因為諧波較大或者沖擊性負荷造成電容器頻繁投切造成。

4 結(jié)語

在配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)FC固定投切電容裝置在某些低壓配電臺區(qū)故障率較高，為了查找原因，本文通過RTDS實時數(shù)字仿真及現(xiàn)場實驗驗證方法進行了深入的研究。通過多種配電臺區(qū)多種工況的仿真分析，得出來了配電臺區(qū)電容器補償裝置故障率較高的原因，同時RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)還可以對現(xiàn)場實際問題模擬重現(xiàn)。該方法在電能質(zhì)量控制及其他電力系統(tǒng)應(yīng)用中將有廣泛的前景。

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