電壓波動和閃變分析自適應控制研究

李壯

摘要：供電系統(tǒng)在我國現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，據(jù)統(tǒng)計，國家電網(wǎng)每年因電壓波動和閃變造成幾千萬的經(jīng)濟損失。因此，針對電壓波動與閃變的檢測，以及具體問題的處理需要強化，確保電網(wǎng)在運行期間的可靠性與安全性。

關(guān)鍵詞：電壓;波動和閃變分析;STATCOM

受端電網(wǎng)的電能往往由其外部遠距離的發(fā)電廠通過高壓輸電線傳輸獲取，并且對應著密集的工商業(yè)負荷，換流站、輸電線路以及異步電動機、電弧爐、降溫壓縮電機等負荷的無功功率需求量巨大。在負荷側(cè)安裝一定數(shù)量和容量的靜止同

步補償器（staticsynchronouscompensator，STATCOM）做無功補償，不僅能在電網(wǎng)穩(wěn)定運行時維持電壓穩(wěn)定、提高供電質(zhì)量、降低電能損耗，同時在發(fā)生較為嚴重的短路故障時，能提供良好的無功支撐，快速恢復電壓至安全水平，避免超負荷。目前條件相對較好的廣東電網(wǎng)，已經(jīng)逐漸在負荷端如東莞、水鄉(xiāng)配置了STATCOM。STATCOM的規(guī)劃和控制也獲得了越來越多的關(guān)注。

一、安裝動態(tài)無功補償裝置對電網(wǎng)的作用

①抑制電壓波動和閃變。高容量、大電流的設備負荷的急劇變化，會導致負荷電流產(chǎn)生對應的劇烈波動，使系統(tǒng)電壓損耗快速變化，從而引起受電端電網(wǎng)電壓閃變。動態(tài)無功補償裝置能夠快速地提供無功電流，以補償負荷變化引起的電壓波動和閃變現(xiàn)象。②抑制三相不平衡，提高電能質(zhì)量。配電網(wǎng)中存在著大量的三相不平衡負載，同時，線路、變壓器等輸配電設備三相阻抗的不平衡，也會導致電壓不平衡問題的產(chǎn)生。動態(tài)無功補償裝置能夠快速地補償由于負載不平衡所產(chǎn)生的負序電流，始終保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，提高電能質(zhì)量。③維持用戶端電壓，加強設備電壓穩(wěn)定性。對于負荷中心而言，由于負載容量大，又沒有大型的無功電源支撐，因此容易造成電網(wǎng)電壓偏低甚至發(fā)生電壓崩潰等事故。安裝動態(tài)無功補償裝置后，具備了快速的無功功率調(diào)節(jié)能力，可以維持負荷側(cè)電壓，使用電設備在額定電壓下運行。

二、導致電壓波動和閃變的原因

光伏電站的輸出功率隨天氣的變化而變化，當輸出功率突變時，會造成配電網(wǎng)線路電壓波動和閃變;光伏電源在并入與退出配電網(wǎng)系統(tǒng)的瞬間，輸出功率的突變也容易引發(fā)配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓波動與閃變。其產(chǎn)生的影響大小與光伏電站的容量、并網(wǎng)位置密切相關(guān)。光伏電站并網(wǎng)后，線路電壓有所提高。當并網(wǎng)容量超過線路最大負載或線路低谷負荷運行時，線路末端電壓將超出規(guī)定范圍，影響電網(wǎng)安全運行。在配電網(wǎng)中，電壓隨著負荷的變化而變化。而光伏電站并網(wǎng)后，負荷潮流方向也會不斷變化，電壓高低更加不易掌控和調(diào)整。當光伏電站容量小于并入點負荷時，線路輸入端的負載率會下降，當容量大于并入點負荷時，將出現(xiàn)向電網(wǎng)送電的反向電流，導致線路負載率增大。另外，一般光伏電站都是通過逆變器并網(wǎng)，容易造成配電網(wǎng)線路三相電流不平衡，三相負荷調(diào)整不易掌控。

三、電壓波動和閃變分析自適應控制措施研究

（一）采取靈活多樣的調(diào)壓方式。

光伏發(fā)電系統(tǒng)引入靜止無功補償設備、無功發(fā)生器等，補償系統(tǒng)無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)和改善電壓質(zhì)量;選擇有載調(diào)壓變壓器，安裝自動調(diào)壓監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)電壓自動調(diào)節(jié)變壓器變壓比;調(diào)整光伏電源并網(wǎng)位置，盡量選擇在線路末端、負荷集中的地點進行并網(wǎng)。并網(wǎng)前，要對配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓進行跟蹤檢測，確保電源的相位、頻率達到特定標準再進行并網(wǎng)。消除孤島效應。①在光伏電站配置防孤島保護。為防止電網(wǎng)受到?jīng)_擊，應保證防孤島保護在線路重合閘動作之前先動作，其動作時間一般應不大于2s。②對光伏電站增加低電壓穿越保護。

（二）自適應PI控制器的應用

自適應PI控制器，在擾動存在的情況下，通過自適應調(diào)整PI參數(shù)，優(yōu)化了系統(tǒng)響應性能。在反步法的基礎(chǔ)上，通過自適應來解決魯棒性問題，考慮魯棒問題，但在檢測方面，尤其是裝置輸出電流的檢測，仍然采用硬件檢測的方式，從目前文獻上看，STATCOM很少采用無傳感器技術(shù)，但在電力電子裝置中已廣泛采用無傳感器技術(shù)。為了節(jié)約成本和解決魯棒性問題，在液壓系統(tǒng)中，給出擴展狀態(tài)觀測器和反步法結(jié)合的思路，擴展狀態(tài)觀測器不僅能夠提供穩(wěn)定的狀態(tài)觀測值而且能夠?qū)崟r提供未建模擾動估計值，但文中的擴展狀態(tài)觀測器設計是基于單輸入-單輸出系統(tǒng)，不適合本文的物理模型。因此，本文考慮高增益觀測器和神經(jīng)網(wǎng)絡逼近能力相結(jié)合，來觀測狀態(tài)觀測值和未建模擾動，并基于反步法提出了基于自適應觀測器的鏈式STATCOM反步控制策略。鏈式STATCOM由兩個子系統(tǒng)構(gòu)成，第一個系統(tǒng)具有級聯(lián)性質(zhì)，通過反步法控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，第二個系統(tǒng)通過李雅普諾夫穩(wěn)定性來控制裝置無功電流的輸出。裝置輸出無功電流的實時檢測通過高增益觀測器來估計，擾動量通過神經(jīng)網(wǎng)絡逼近來估計，同時通過高增益觀測器的估計值來實現(xiàn)高增益觀測器的線性化，并且滿足了反步法所需要的級聯(lián)性質(zhì)，最后通過系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析來確定設計參數(shù)。針對受端電網(wǎng)STATCOM的布點和容量規(guī)劃問題，采用了布點和容量統(tǒng)一規(guī)劃的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并提出了一種針對混合整數(shù)規(guī)劃的凸松弛算法。該方法首先關(guān)于整數(shù)變量整體凸化混合整數(shù)規(guī)劃模型，然后對凸模型實施一種緊松弛，避免直接求解混合整數(shù)規(guī)劃。

（三）電網(wǎng)電壓跌落時CHB-STATCOM的限幅策略

電網(wǎng)電壓跌落是電力系統(tǒng)中常見的故障之一，隨著風電、光伏等新能源發(fā)電裝置的大規(guī)模并網(wǎng)，越來越多的國家在相關(guān)并網(wǎng)導則中要求并網(wǎng)逆變器具備LVRT能力。大型新能源發(fā)電站往往配備STATCOM以補償無功電流，在電網(wǎng)電壓跌落時，還要求輸出正負序無功電流提供電網(wǎng)支撐，以期提高新能源并網(wǎng)的LVRT能力。在進行LVRT時，STATCOM輸出電流會出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，為了保證其安全工作，需要確保三相電流幅值均小于設備所允許的最大電流;此外，三相輸出電壓的基波幅值，也不能大于對應相的直流側(cè)電壓，以防止過調(diào)制的發(fā)生。不同于一般的電路，CHB-STATCOM還需注入額外的零序電壓以實現(xiàn)相間電壓均衡，從而影響輸出電壓的幅值，因此要根據(jù)不同的跌落深度，實時對變換器的功率基準進行限幅，以保證其安全工作。在此綜合考慮CHB-STATCOM的電流應力以及零序電壓注入對于三相輸出電壓的影響，根據(jù)電網(wǎng)電壓的正負序分量實時計算出所能輸出的最大輸出功率，從而保證變換器不過流。最后，搭建20kVA的實驗平臺進行實驗，驗證該功率限幅策略的正確性。在此針對電網(wǎng)電壓跌落時系統(tǒng)對于正負序無功電流的需求，首先了解一下不平衡電網(wǎng)下基于零序電壓注入的相間直流側(cè)電壓均壓方法，然后根據(jù)電網(wǎng)電壓、變換器電流應力以及單相鏈直流側(cè)電壓基準，分別基于電流限幅和電壓限幅計算出不平衡電網(wǎng)下變換器能安全工作的最大輸出功率，保證三相均不發(fā)生過流以及過調(diào)制的現(xiàn)象。最后通過實驗平臺驗證了此限幅策略的正確性。

（四）神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂破髟O計

雙閉環(huán)電流控制方法在STATCOM控制中的應用比較廣泛，內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)是所選擇的方法。外環(huán)指直流電壓環(huán)，反饋PI控制是較常使用的方法，在對外環(huán)電壓指令的自適應控制的實現(xiàn)過程中，文章所選擇的方法為滑模控制。內(nèi)環(huán)指的是無功電流環(huán)和有功電流環(huán)，有功電流控制的參考輸入為直流電壓外環(huán)。燈塔-堅基線系統(tǒng)電壓波動和閃變的抑制在實際工程中應用的可行性問題進行分析期間，為構(gòu)建起燈塔-堅基線系統(tǒng)電壓波動和閃變抑制模型，需要在STATCOM基礎(chǔ)上合理使用MATLAB軟件，然后對神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制，在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制方面的性能進行優(yōu)化。該模型是根據(jù)實際的工程線路原型進行設計與建模的。模型主要由220kV電源、220kV/110kV變壓器、35km線路、STATCOM本體以及STATCOM控制器等模塊組成。STATCOM是由GTO構(gòu)造而成，容量為3Mvar，這樣就可以對10千伏配電系統(tǒng)進行有效調(diào)節(jié)。配電系統(tǒng)的負載容量一個是3MVA，另一個是1MVA。電源母線電壓恒定，STATCOM裝置參數(shù)（標幺值）R、L、C、Vs、ω的值分別為0.1、0.15、0.8、1.0、314。在上述分析下，可以得知在維持直流側(cè)電壓恒定時，通過穩(wěn)定運行下的STATCOM來進行調(diào)節(jié)。當電源產(chǎn)生電壓之后，高于或者低于系統(tǒng)電壓、STATCOM生成（或吸收）無功功率。電源電壓大小、變壓器漏電抗會對無功功率的數(shù)量產(chǎn)生影響。系統(tǒng)性能仿真的開展是建立在神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模自適應控制基礎(chǔ)之上的，進而實現(xiàn)對電流的有效控制。

四、結(jié)束語

非線性控制是STATCOM無功補償系統(tǒng)的一個主要表現(xiàn)，且相比于傳統(tǒng)的控制器效果更好。為確保系統(tǒng)控制性能，需要通過神經(jīng)網(wǎng)絡-滑?？刂破鞯臉?gòu)建與應用達到效果。電壓與電流環(huán)控制期間，可以合理應用滑?？刂破鳌Ｔ趯π阅苓M行實驗期間，是通過MATLAB仿真平臺完成的，并在研究后可以得出，STATCOM無功補償系統(tǒng)可以得到神經(jīng)網(wǎng)絡-滑模控制器的有效控制，為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提供優(yōu)質(zhì)電能，需要實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

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