基于移相變壓器的靈活合環(huán)控制裝置及控制策略研究

楊用春， 唐健雄， 牛超群， 趙成勇

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)) ，河北 保定 071003)

0 引 言

碳達(dá)峰、碳中和作為當(dāng)今能源領(lǐng)域的重要研究課題，電力工業(yè)部門(mén)為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，積極部署深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，使其具有廣泛互聯(lián)、智能互動(dòng)、靈活柔性和安全可控四個(gè)主要特征[1，2]。其中配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性是新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的重要指標(biāo)?，F(xiàn)階段我國(guó)配電網(wǎng)普遍實(shí)行閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，隨著電力負(fù)荷密度增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，雙電源供電甚至多電源供電越來(lái)越多，通過(guò)合環(huán)操作實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷成為一種必然趨勢(shì)[3，4]。通過(guò)合環(huán)轉(zhuǎn)供負(fù)荷可以減少停電時(shí)間、提高供電可靠性、保證系統(tǒng)供電質(zhì)量以及提高公眾對(duì)電力服務(wù)的滿意度等特點(diǎn)[5]，是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)安全可靠的有效方式，然而對(duì)于電壓幅值相位相差較大的配電網(wǎng)系統(tǒng)，往往是不能直接滿足傳統(tǒng)的直接合環(huán)條件的，而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人為手段調(diào)節(jié)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓較為復(fù)雜，對(duì)于運(yùn)維人員的技術(shù)要求很高[6-8]，且需要大量的人力和物力，有時(shí)還不一定能最終達(dá)到合環(huán)要求，因此需要迫切研究新的合環(huán)控制裝置技術(shù)，以應(yīng)對(duì)相對(duì)復(fù)雜的合環(huán)場(chǎng)景。對(duì)于合環(huán)控制技術(shù)部分研究我國(guó)仍較多停留在理論研究層面，且較少針對(duì)合環(huán)點(diǎn)電壓幅相差較大的合環(huán)場(chǎng)景進(jìn)行研究[9-11]，合環(huán)轉(zhuǎn)供控制裝置還沒(méi)有工程實(shí)際裝置投運(yùn)，因此對(duì)合環(huán)轉(zhuǎn)供分析及控制裝置的研究具有重要的理論和工程實(shí)用價(jià)值。

移相變壓器(Phase Shifting Transformer ,PST)通過(guò)改變分接頭的方式進(jìn)行電壓相位的調(diào)節(jié)，同時(shí)移相變壓器技術(shù)相對(duì)成熟，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)容易，經(jīng)濟(jì)性顯著[12，13]，因此考慮將其應(yīng)用合環(huán)控制調(diào)節(jié)。但是PST是通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)壓抽頭進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)從而達(dá)到移相的目的，所以調(diào)節(jié)速度存在一定的限制，雖然也有針對(duì)PST快速調(diào)節(jié)的方式，即采用晶閘管可控移相變壓器(Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer，TCPST)的方案進(jìn)行電壓相位調(diào)節(jié)，常規(guī)TCPST的基礎(chǔ)理論也有一定的初步研究[14]，但是對(duì)于兼具調(diào)幅移相功能的TCPST的研究還有待進(jìn)一步完善，因此需要對(duì)于PST結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以適用于極端條件下合環(huán)控制應(yīng)用場(chǎng)景。本文提出一種基于改進(jìn)后的PST與電力電子技術(shù)相結(jié)合的靈活合環(huán)控制裝置，同時(shí)具有靈活調(diào)幅移相功能的合環(huán)控制裝置。由于提出的合環(huán)控制裝置控制維度比較多，需要對(duì)其控制策略進(jìn)行深入的分析，以適用于合環(huán)控制的應(yīng)用。

本文首先對(duì)于提出的基于移相變壓器的靈活合環(huán)控制裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，并對(duì)移相變的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適用于合環(huán)控制的應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)而提出采用幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制策略，進(jìn)行多維度調(diào)幅移相靈活控制，并討論了其實(shí)現(xiàn)方法，最后在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，對(duì)采用幅相自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制且具有調(diào)幅移相功能的TCPST進(jìn)行合環(huán)轉(zhuǎn)供仿真分析，驗(yàn)證了所提合環(huán)控制裝置和控制策略的有效性。

1 基于PST的合環(huán)控制裝置

1.1 基于PST的合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)

基于PST的合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于PST的合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of closed loop control device based on PST

圖1中有兩條10kV電壓等級(jí)母線即雙電源配電系統(tǒng)；CB1～CB5為安裝在設(shè)備間的合閘輔助開(kāi)關(guān)，不同開(kāi)關(guān)組合相互配合操作完成整個(gè)合環(huán)過(guò)程；PT1和PT2是電氣參數(shù)檢測(cè)裝置，為合環(huán)控制裝置提供必要的參數(shù)信息。合環(huán)控制原理是當(dāng)某個(gè)母線、開(kāi)關(guān)或饋線需要檢修或者發(fā)生故障時(shí)，該母線、開(kāi)關(guān)或饋線上的多電源供電的負(fù)荷就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過(guò)合環(huán)控制裝置進(jìn)行合環(huán)操作，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到與之相連的其他母線或饋線上，從而實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷，即合環(huán)轉(zhuǎn)供。

1.2 基于PST的合環(huán)控制裝置工作流程

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)圖分析工作原理可得，圖中Vs和Vl是主電源及備用電源，正常狀態(tài)下開(kāi)關(guān)CB1和CB2閉合，開(kāi)關(guān)CB3和CB4處于斷開(kāi)狀態(tài)，兩側(cè)電源對(duì)應(yīng)給兩側(cè)負(fù)荷供電，合環(huán)控制裝置未投入運(yùn)行，開(kāi)關(guān)CB5處于斷開(kāi)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)合環(huán)轉(zhuǎn)供的操作流程如圖2所示。

圖2 合環(huán)操作流程圖Fig. 2 Loop closing operation flow chart

根據(jù)圖2的操作流程，合環(huán)過(guò)程中合環(huán)控制裝置通過(guò)PST控制調(diào)節(jié)兩側(cè)母線相位差值，使得開(kāi)關(guān)CB3或者CB4兩側(cè)相位相同，實(shí)現(xiàn)非常小的沖擊甚至是無(wú)沖擊合閘，投入合環(huán)控制裝置后，使開(kāi)關(guān)CB1斷開(kāi)從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供，而后可以長(zhǎng)期將合環(huán)控制裝置投入運(yùn)行，也可以經(jīng)過(guò)控制調(diào)節(jié)將CB5閉合，退出合環(huán)控制裝置。

基于合環(huán)控制裝置的結(jié)構(gòu)和工作流程，進(jìn)行合環(huán)轉(zhuǎn)供需要高效可靠的合環(huán)控制裝置。傳統(tǒng)移相變壓器作為合環(huán)控制裝置針對(duì)工程實(shí)際中合環(huán)點(diǎn)開(kāi)關(guān)兩側(cè)存在較大相位差可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，但其采用傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)壓抽頭對(duì)于合環(huán)轉(zhuǎn)供應(yīng)用場(chǎng)景存在調(diào)節(jié)速度慢、主要調(diào)相不能靈活調(diào)壓等局限，因此為使PST作為合環(huán)控制裝置更安全適用，需要對(duì)傳統(tǒng)PST結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)。

2 幅相靈活調(diào)節(jié)合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)和原理

2.1 用于合環(huán)靈活調(diào)節(jié)的PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)PST在1930年就已經(jīng)提出來(lái)了，目前廣泛應(yīng)用在國(guó)外的高壓輸電網(wǎng)中，主要用于潮流調(diào)整，國(guó)內(nèi)也做了較多的理論研究[15，16]。移相變壓器的種類(lèi)較多，目前應(yīng)用最為廣泛的是雙芯對(duì)稱可控移相變壓器，其結(jié)構(gòu)和相量關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 PST結(jié)構(gòu)Fig. 3 PST structure

圖4 PST調(diào)節(jié)矢量圖Fig. 4 PST regulation vector diagram

該移相變壓器由一臺(tái)勵(lì)磁變壓器(TE)和一臺(tái)串聯(lián)變壓器(Tse)組成。Tse二次繞組為三角形接法，一次側(cè)繞組中間抽頭與TE高壓側(cè)連接，用于為高壓側(cè)提供勵(lì)磁，二次側(cè)繞組分別引接至TE的二次側(cè)繞組，在這種接線方式下，Tse以三角形連接的低壓繞組電壓變化量超前或滯后于TE的相應(yīng)高壓繞組電壓90°，并與Tse相應(yīng)的高壓繞組聯(lián)合產(chǎn)生電壓Vp，使移相變壓器的電源側(cè)電壓間產(chǎn)生一個(gè)相角的變化如圖4所示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移相功能。

為了實(shí)現(xiàn)幅值和相位都能靈活調(diào)節(jié)，基于傳統(tǒng)移相器結(jié)構(gòu)和原理，本文給出PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig. 5 PST improved structure

由圖5可知，PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)是基于雙芯變壓器的結(jié)構(gòu)并在勵(lì)磁變壓器二次側(cè)增加了調(diào)節(jié)部分，該結(jié)構(gòu)工作原理基于傳統(tǒng)移相器相角調(diào)節(jié)抽頭(KEp)并聯(lián)增加了幅值調(diào)節(jié)抽頭(KEm)。幅值調(diào)節(jié)部分接線方式異于相角調(diào)節(jié)部分，幅值調(diào)節(jié)部分是通過(guò)Dd接法將TE的二次側(cè)繞組和Tse二次繞組連接，進(jìn)而完成幅值控制調(diào)節(jié)。所以此改進(jìn)結(jié)構(gòu)既能起到調(diào)節(jié)相角也能起到調(diào)節(jié)幅值的作用，調(diào)節(jié)方式更加靈活，其電壓調(diào)節(jié)矢量圖如圖6所示。圖6中調(diào)節(jié)目標(biāo)Vp是體現(xiàn)在合環(huán)轉(zhuǎn)供的相角調(diào)節(jié)，而Vm是體現(xiàn)在合環(huán)轉(zhuǎn)供的幅值調(diào)節(jié)。Vs表示S端母線的電壓，Vl表示L端母線的電壓,Vo為線路側(cè)繞組中心感應(yīng)電壓。

圖6 改進(jìn)PST調(diào)節(jié)矢量圖Fig. 6 Improved PST adjustment vector diagram

圖5所示改進(jìn)結(jié)構(gòu)雖然對(duì)于傳統(tǒng)移相器的移相調(diào)節(jié)功能更加豐富，增加了調(diào)幅功能，但是對(duì)于操作調(diào)節(jié)抽頭可能產(chǎn)生的電弧問(wèn)題以及調(diào)節(jié)速度未得到改善，所以對(duì)于PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以減少調(diào)節(jié)抽頭調(diào)節(jié)產(chǎn)生電弧未及時(shí)熄滅所引發(fā)的故障的可能，并提高合環(huán)控制裝置合環(huán)轉(zhuǎn)供的調(diào)節(jié)速度。

2.2 基于TCPST的靈活合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)

基于PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具體功能關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)TE的二次側(cè)的調(diào)壓抽頭，所以進(jìn)一步改進(jìn)主要是針對(duì)于調(diào)節(jié)抽頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為達(dá)到操作過(guò)程響應(yīng)時(shí)間快、操作過(guò)程安全，本文考慮加入現(xiàn)代電力電子設(shè)備參與調(diào)節(jié)操作，因此可以得到基于PST的靈活合環(huán)控制裝置TCPST的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7中結(jié)構(gòu)連線圖是基于PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)中機(jī)械式電壓調(diào)節(jié)抽頭優(yōu)化為電力電子設(shè)備控制的電壓調(diào)節(jié)抽頭，并根據(jù)圖示連線方式連接到系統(tǒng)中。其中Tse為串聯(lián)變壓器，TE為并聯(lián)變壓器，Em和Ep分別為幅值調(diào)節(jié)繞組和相位調(diào)節(jié)繞組，Em和Ep相互之間解耦調(diào)節(jié)后，通過(guò)矢量疊加達(dá)到最后預(yù)期調(diào)節(jié)效果，調(diào)節(jié)矢量圖如圖6所示。

圖7 基于PST的靈活合環(huán)控制裝置結(jié)構(gòu)Fig. 7 Flexible loop control device structure based on PST

圖8 晶閘管控制回路Fig. 8 Thyristor control loop

調(diào)節(jié)過(guò)程中起主要控制調(diào)節(jié)作用的是晶閘管控制回路(Thyristor Control，TC)，對(duì)于TC回路實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)作用的原理需要進(jìn)一步分析。

2.3 基于TCPST的靈活合環(huán)控制裝置控制回路工作原理

根據(jù)圖7和TC回路具體結(jié)構(gòu)如圖8所示分析可知，節(jié)點(diǎn)a、b為并聯(lián)變壓器晶閘管控制回路TC輸入側(cè)繞組的兩端節(jié)點(diǎn)，E1、E2、E3串聯(lián)在一起構(gòu)成TC感應(yīng)二次側(cè)，其二次側(cè)感應(yīng)出的電壓經(jīng)過(guò)晶閘管的控制后由節(jié)點(diǎn)c、d輸出到串聯(lián)變壓器繞組，以實(shí)現(xiàn)合環(huán)轉(zhuǎn)供操作。E1、E2、E3對(duì)應(yīng)每個(gè)晶閘管控制單元都是由4組電子開(kāi)關(guān)組成，每組電子開(kāi)關(guān)均由反并聯(lián)的晶閘管組成,通過(guò)控制12組電子開(kāi)關(guān)的通斷組合來(lái)調(diào)節(jié)二次側(cè)的輸出電壓[17]。根據(jù)圖7所示的接線方式，反并聯(lián)的晶閘管開(kāi)關(guān)組合不同，輸出電壓亦有所不同。以E1晶閘管控制單元為例，控制導(dǎo)通1和4電子開(kāi)關(guān)組并關(guān)斷2和3電子開(kāi)關(guān)組，E1繞組感應(yīng)的電壓UE1會(huì)正向完全輸出即UE1；當(dāng)控制導(dǎo)通2和3電子開(kāi)關(guān)組并關(guān)斷1和4電子開(kāi)關(guān)組時(shí)，E1繞組感應(yīng)的電壓UE1會(huì)反向完全輸出即-UE1；當(dāng)控制導(dǎo)通1和2電子開(kāi)關(guān)組并關(guān)斷3和4電子開(kāi)關(guān)組時(shí)，或者控制導(dǎo)通3和4電子開(kāi)關(guān)組并關(guān)斷1和2電子開(kāi)關(guān)組時(shí),此時(shí)E1對(duì)應(yīng)的一個(gè)晶閘管控制單元將其開(kāi)路，所以E1繞組感應(yīng)的電壓UE1不會(huì)輸出即輸出0[18]。TE最終輸出電壓是將三個(gè)控制單元輸出電壓疊加輸出，特別的是當(dāng)TE輸出0時(shí)三個(gè)繞組二次側(cè)同時(shí)開(kāi)路。

為了能夠通過(guò)晶閘管控制單元輸出的三個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多擋位的連續(xù)調(diào)節(jié)，則需要將TC感應(yīng)二次側(cè)的變比結(jié)合電壓基準(zhǔn)UE作組合分析，經(jīng)過(guò)一定的分析，當(dāng)二次側(cè)繞組E1:E2:E3=1∶3:9時(shí)，能夠整體輸出-13UE～13UE共27個(gè)電壓擋位即可實(shí)現(xiàn)27級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)電壓。

根據(jù)電力電子設(shè)備的特點(diǎn)，具有調(diào)幅調(diào)相功能的TCPST的結(jié)構(gòu)相對(duì)于PST改進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)電壓的范圍更廣，調(diào)節(jié)方式更加靈活。TCPST能根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)不同的繞組E1:E2:E3的比值，最后通過(guò)相對(duì)應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)預(yù)期的調(diào)節(jié)目標(biāo)。雖然基于TCPST的幅相合環(huán)控制裝置提高了電壓調(diào)節(jié)的靈活性、快速性，但是由于提出的合環(huán)控制裝置控制維度比較多，制定合理的控制策略是體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在，基于此提出了一種幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制策略。

3 靈活合環(huán)調(diào)節(jié)控制策略

3.1 幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制

對(duì)于基于TCPST的幅相合環(huán)控制裝置控制策略主要是對(duì)于并聯(lián)變壓器部分的電力電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行觸發(fā)控制。目前應(yīng)用于可控移相變壓器比較常見(jiàn)的控制策略有功率控制和移相角控制[19，20]。功率控制是以線路上的功率為控制目標(biāo)，移相角控制是以移相角為控制目標(biāo)進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓。相對(duì)于功率控制，移相角控制需要考慮的影響因素更加的少，但是移相角控制對(duì)于觸發(fā)角合理性有一定的要求，不合理給定觸發(fā)角對(duì)于合環(huán)操作會(huì)有很大的沖擊電流?；诜治龉β士刂坪鸵葡嘟强刂疲疚慕o出一種新的適用于合環(huán)應(yīng)用的控制策略——幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制。其控制原理流程圖如圖9所示。

圖9 幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制原理流程圖Fig. 9 Flowchart of principle of amplitude and phase adaptive adjustment control

基于TCPST的靈活合環(huán)控制裝置既能實(shí)現(xiàn)電壓相角調(diào)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)電壓幅值調(diào)節(jié)，所以幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制的控制對(duì)象是線路電壓幅值和電壓相角，由于通過(guò)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)二次繞組，可以分別用于調(diào)幅和移相，從而為實(shí)現(xiàn)靈活的幅相解耦控制創(chuàng)造了條件。由圖9可知，幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制策略主要涉及到兩個(gè)模塊，檢測(cè)計(jì)算模塊和控制使能模塊。

3.2 檢測(cè)計(jì)算模塊

檢測(cè)計(jì)算模塊根據(jù)線路參數(shù)的輸入，檢測(cè)兩母線間存在的電壓差，從而進(jìn)一步對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行幅相解耦作差計(jì)算即電壓幅值相角計(jì)算，此環(huán)節(jié)是針對(duì)于調(diào)節(jié)對(duì)象所需要的調(diào)節(jié)量進(jìn)行數(shù)值規(guī)范化處理，并判斷是否超出調(diào)節(jié)范圍，只有在合理調(diào)節(jié)范圍內(nèi)TCPST才能夠安全工作。完成參數(shù)解耦計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果的正負(fù)性確定調(diào)節(jié)方向后，進(jìn)行下一步電壓參數(shù)差值基準(zhǔn)倍數(shù)化，差值基準(zhǔn)倍數(shù)化是對(duì)于TC感應(yīng)二次側(cè)變比所對(duì)應(yīng)的參數(shù)基準(zhǔn)值而言的，因?yàn)門(mén)C感應(yīng)二次側(cè)變比是確定的且只能按檔對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)，所以電壓參數(shù)差值基準(zhǔn)倍數(shù)化后就能確定電壓相角和幅值需要調(diào)節(jié)的擋位。此環(huán)節(jié)關(guān)鍵在于基準(zhǔn)值的給定，調(diào)幅基準(zhǔn)值可直接根據(jù)所調(diào)節(jié)的擋位數(shù)和調(diào)節(jié)范圍確定。

調(diào)相基準(zhǔn)值可經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算確定調(diào)節(jié)的相角和調(diào)節(jié)擋位即變比的關(guān)系。當(dāng)單獨(dú)考慮調(diào)相作用時(shí)，基于圖6所示調(diào)節(jié)原理圖，調(diào)相變比基準(zhǔn)值kp確定關(guān)系如下：

當(dāng)考慮Vo?Vs時(shí)

(1)

根據(jù)圖7所示的連線關(guān)系圖可得：

(2)

式中：n表示單向調(diào)節(jié)擋位。聯(lián)立式(1)和式(2)：

(3)

當(dāng)不考慮Vo?Vs時(shí)

(4)

聯(lián)立式(1)和式(4)可得變比關(guān)系：

(5)

當(dāng)確定一檔調(diào)節(jié)具體相角值時(shí)，根據(jù)式(3)或式(5)確定調(diào)相變比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值kp。

調(diào)幅基準(zhǔn)值設(shè)計(jì)相對(duì)于調(diào)相要簡(jiǎn)單許多。當(dāng)單獨(dú)考慮調(diào)幅作用時(shí)，基于圖6所示調(diào)節(jié)原理圖，調(diào)幅變比基準(zhǔn)值km確定關(guān)系如下

Vm=Vsnkm=|Vs-Vl|

(6)

由式(6)可得

(7)

根據(jù)預(yù)設(shè)基準(zhǔn)值可先確定km和kp，然后自適應(yīng)確定調(diào)節(jié)擋位即調(diào)節(jié)擋位依據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象自動(dòng)生成相應(yīng)的擋位級(jí)別，并將調(diào)節(jié)擋位信息傳送給控制使能模塊。

3.3 控制使能模塊

控制使能模塊由兩個(gè)部分組成：指令數(shù)據(jù)化和使能控制調(diào)節(jié)。指令數(shù)據(jù)化是調(diào)用使能數(shù)據(jù)表信號(hào)和調(diào)用調(diào)節(jié)模型。

由于TCPST由晶閘管控制單元和TC二次繞組按照一定規(guī)則組合配合調(diào)節(jié)，所以其中的晶閘管控制單元就要一定的控制策略對(duì)其進(jìn)行開(kāi)斷組合。常規(guī)晶閘管的使能是對(duì)于特定的觸發(fā)角和特定的時(shí)刻給予脈沖，即移相角控制方式的使能方法，此方法相關(guān)文獻(xiàn)已有研究。本文對(duì)于晶閘管的使能采取的策略是幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制方式，這種方式需要提前建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，其中的信息是提前給定與TC二次側(cè)繞組變比配合所需要晶閘管組合的通斷數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是根據(jù)檢測(cè)計(jì)算模塊給出的調(diào)節(jié)擋位指令所需要調(diào)用的，該數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1各數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是正向基準(zhǔn)值UE=1001(1表示反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通，0表示反并聯(lián)晶閘管關(guān)斷,排列順序?qū)?yīng)圖7晶閘管標(biāo)號(hào)順序)和反向基準(zhǔn)值-UE=0110，以及晶閘管組合短路數(shù)據(jù)1100排列組合而成。由于晶閘管組合排列形式不唯一，實(shí)現(xiàn)27擋位調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)形式亦不唯一。

表1 使能數(shù)據(jù)表Tab.1 Enable database

根據(jù)調(diào)節(jié)擋位指令所調(diào)用數(shù)據(jù)表信息，結(jié)合調(diào)用調(diào)節(jié)模型給定調(diào)節(jié)所需要的使能脈沖指令，進(jìn)而給晶閘管組合產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通脈沖，完成控制調(diào)節(jié)，最后為合環(huán)操作做好準(zhǔn)備。

4 仿真結(jié)果分析

基于10kV電壓等級(jí)配網(wǎng)雙電源系統(tǒng)合環(huán)轉(zhuǎn)供應(yīng)用場(chǎng)景，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建仿真模型，該仿真模型投入的合環(huán)設(shè)備是具有調(diào)幅調(diào)相功能并采用電壓控制的TCPST。

4.1 工況1仿真結(jié)果

根據(jù)圖1和圖7的結(jié)構(gòu)圖建立仿真模型，參照表2中預(yù)設(shè)設(shè)定對(duì)應(yīng)參數(shù)和對(duì)應(yīng)時(shí)間仿真操作。

表2 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Simulation parameter design

整個(gè)仿真時(shí)間設(shè)定為4.2 s，初始狀態(tài)下開(kāi)關(guān)CB1和CB2閉合，開(kāi)關(guān)CB3和CB4處于斷開(kāi)狀態(tài)，合環(huán)控制裝置未投入運(yùn)行，開(kāi)關(guān)CB5處于斷開(kāi)狀態(tài)。整個(gè)仿真操作開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖10所示。

圖10 功率變化圖Fig. 10 Power change graph

Ps1和Qs1為1#電源的有功和無(wú)功，Ps2和Qs2為2#電源的有功和無(wú)功，1 s前初始狀態(tài)1#母線電壓為9∠0° kV，2#母線電壓為11∠-30° kV。在0.5 s時(shí)開(kāi)關(guān)CB3閉合,使合環(huán)裝置帶電，1 s時(shí)合環(huán)開(kāi)關(guān)CB4合，使TCPST處于待工作狀態(tài)，此時(shí)已感應(yīng)出具體電壓差。2 s時(shí)開(kāi)關(guān)CB1分，完成使1#母線和1#負(fù)荷斷聯(lián)，3 s時(shí)TCPST開(kāi)始進(jìn)行電壓幅相自適應(yīng)調(diào)節(jié)，由于TCPST中的繞組有一定的內(nèi)阻，所以兩側(cè)母線只能盡可能調(diào)節(jié)到最小電壓差值，電壓調(diào)節(jié)完成并穩(wěn)定一段時(shí)間后，再將開(kāi)關(guān)CB5閉合，開(kāi)關(guān)CB3和CB4斷開(kāi)，退出TCPST完成合環(huán)轉(zhuǎn)供。1#母線電壓變化情況如圖11所示。

圖11 1#母線電壓變化情況Fig. 11 Voltage change of No. 1 busbar

由圖11分析可得，2 s時(shí)操作1#電源與1#母線的負(fù)荷斷聯(lián)，此時(shí)由于合環(huán)控制裝置存在一定內(nèi)阻會(huì)有一個(gè)電壓差，之后由于2#母線電壓高于1#母線電壓，所以3 s后電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中2#母線功率呈逐漸上升變化，此過(guò)程為T(mén)CPST參與調(diào)節(jié)過(guò)程。調(diào)節(jié)過(guò)程兩側(cè)母線電壓變化情況如圖12所示。

圖12 兩側(cè)母線電壓變化情況Fig. 12 Variation of bus voltage on both sides

工況1條件下，設(shè)定調(diào)節(jié)幅相基準(zhǔn)分別為0.2 kV和3°，兩側(cè)母線電壓幅值差和相位差均需要調(diào)節(jié)10檔，每檔調(diào)節(jié)時(shí)間設(shè)定為0.1 s。由圖11可知1#母線電壓在第3 s時(shí)開(kāi)始逐漸變化，一直到第4 s時(shí)穩(wěn)定與2#母線電壓相近的電壓值，正好調(diào)節(jié)10擋。由圖12可知兩側(cè)母線電壓變化具體情況，最后相位調(diào)至一致幅值由于TCPST內(nèi)阻會(huì)有一定壓降，符合預(yù)期。而對(duì)于3 s后合環(huán)控制裝置TCPST電壓調(diào)節(jié)具體過(guò)程可分為T(mén)E調(diào)節(jié)過(guò)程和Tse調(diào)節(jié)過(guò)程，圖13為T(mén)E的A相調(diào)節(jié)過(guò)程。

圖13 TE的A相調(diào)節(jié)過(guò)程Fig. 13 A Phase regulation process of TE

圖13中曲線易得到并聯(lián)變壓器通過(guò)TC電壓控制實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)按檔調(diào)節(jié)，Vma和Vpa分別表示TE的A相電壓幅值變化曲線和相角變化曲線。Vm和Vp矢量和是TE調(diào)節(jié)輸出到Tse二次側(cè)的輸入值Vo1，進(jìn)而在線路繞組中感應(yīng)出系統(tǒng)合環(huán)調(diào)節(jié)需要的電壓Vo2，可以得到Tse的A相調(diào)節(jié)過(guò)程如圖14所示。

圖14 Tse的A相調(diào)節(jié)過(guò)程Fig. 14 A Phase regulation process of Tse

圖14表示了通過(guò)幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制的TCPST電壓調(diào)節(jié)達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)期，但是TCPST會(huì)有一定內(nèi)阻壓降，圖示Vo2曲線在4 s時(shí)開(kāi)始穩(wěn)定在一個(gè)不為0的電壓值，但此壓降非常小，對(duì)于進(jìn)行合環(huán)操作是符合安全規(guī)范的。

合環(huán)轉(zhuǎn)供操作調(diào)節(jié)電壓是采取的調(diào)節(jié)手段，分析合環(huán)電流情況能夠進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)節(jié)效果。所以根據(jù)圖15可以進(jìn)一步分析TCPST工作時(shí)合環(huán)電流。

圖15 合環(huán)電流變化圖Fig. 15 Loop current change graph

1 s開(kāi)關(guān)CB4合時(shí)產(chǎn)生了大小為25 A的沖擊電流，相對(duì)于正常工作電流220 A可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊合閘。2 s開(kāi)關(guān)CB1分時(shí)有一個(gè)階躍變化后保持穩(wěn)定，3 s時(shí)TCPST開(kāi)始自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)，此時(shí)合環(huán)電流同功率般呈上升變化并在4 s穩(wěn)定下來(lái)。根據(jù)配電網(wǎng)合環(huán)電流分析實(shí)驗(yàn)[21]，圖15所示合環(huán)電流變化屬于安全范圍，說(shuō)明整個(gè)合環(huán)轉(zhuǎn)供過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊合環(huán)，達(dá)到合環(huán)轉(zhuǎn)供預(yù)期效果。

圖16是采用直接合環(huán)產(chǎn)生的沖擊電流情況，0.5 s時(shí)開(kāi)關(guān)CB3合使系統(tǒng)處于待合環(huán)狀態(tài)，1 s時(shí)CB4合即進(jìn)行直接合環(huán)操作。2 s時(shí)開(kāi)關(guān)CB1分即負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

圖16 工況1直接合環(huán)沖擊電流Fig. 16 Case 1 direct closing loop inrush current

對(duì)比分析圖15和圖16可以明顯看出相同工況下，采用合環(huán)裝置的合環(huán)操作所產(chǎn)生的合環(huán)沖擊電流明顯小于傳統(tǒng)直接合環(huán)所產(chǎn)生的合環(huán)沖擊電流，且效果明顯。但是由于合環(huán)裝置的內(nèi)阻壓降的存在導(dǎo)致合環(huán)轉(zhuǎn)供后的電流會(huì)有一定的升高。

4.2 工況2仿真結(jié)果

基于工況1搭建的仿真模型，將模型中參數(shù)按照表2中工況2的參數(shù)設(shè)計(jì)?？梢缘玫秸{(diào)節(jié)功率變化圖和合環(huán)電流變化圖分別如圖17和圖18所示。

圖17 工況2功率變化圖Fig. 17 Case 2 power change graph

工況2的2#母線電壓設(shè)定是9∠12°kV，基于設(shè)定的基準(zhǔn)值，自適應(yīng)擋位調(diào)節(jié)需要進(jìn)行5檔調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程需要0.5 s。

圖18 工況2合環(huán)電流變化圖Fig. 18 Case 2 closed loop current change graph

由圖17可知TCPST成功進(jìn)行了自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)，由于2#母線電壓幅值小于1#母線電壓，所以功率呈下降變化。除此之外圖18所示合環(huán)電流變化情況也是滿足合環(huán)轉(zhuǎn)供的相關(guān)要求。

結(jié)合工況1和工況2的仿真結(jié)果可知，采用幅相自適應(yīng)解耦調(diào)節(jié)控制的TCPST可以實(shí)現(xiàn)幅相正反靈活調(diào)壓，相比于PST調(diào)節(jié)功能更加豐富，調(diào)節(jié)速度更快。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)10 kV配電網(wǎng)通過(guò)合環(huán)不停電轉(zhuǎn)供負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一種基于TCPST的能夠兼具調(diào)幅和移相功能的靈活合環(huán)控制裝置，設(shè)計(jì)了電壓幅相自適應(yīng)解耦的調(diào)節(jié)控制策略，并在PSCAD/EMTDC環(huán)境下仿真分析了所提基于TCPST的合環(huán)控制裝置及控制策略對(duì)于10 kV配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供負(fù)荷的調(diào)節(jié)效果，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)在PST的并聯(lián)側(cè)增加調(diào)幅繞組的方法實(shí)現(xiàn)幅相正反靈活調(diào)節(jié)，并進(jìn)而采用電力電子開(kāi)關(guān)的方法進(jìn)行快速化改進(jìn)，使采用的移相變壓器適合合環(huán)轉(zhuǎn)供的應(yīng)用場(chǎng)景。

(2)針對(duì)三相系統(tǒng)的幅值相位多維度及組合電子電力開(kāi)關(guān)的多控制量，設(shè)計(jì)了解耦檢測(cè)計(jì)算組合電子開(kāi)關(guān)的自適應(yīng)使能觸發(fā)的幅相電壓調(diào)節(jié)控制策略，從而實(shí)現(xiàn)靈活的合環(huán)控制調(diào)節(jié)。

(3)所提基于移相變壓器結(jié)構(gòu)的合環(huán)控制裝置和調(diào)節(jié)功能相比于傳統(tǒng)PST更加豐富，調(diào)節(jié)的速度和靈活性也有較大的提升，并且相對(duì)電力電子變換器調(diào)節(jié)電壓具有突出的經(jīng)濟(jì)性以及可維護(hù)性優(yōu)勢(shì)。

(4)基于TCPST的合環(huán)控制裝置由于晶閘管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，因此在穩(wěn)態(tài)情況下有著良好的電能質(zhì)量，不存在穩(wěn)態(tài)諧波，但是對(duì)于晶閘管開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的諧波，是否對(duì)晶閘管及變壓器造成一定的影響，還有待進(jìn)一步分析，論文后續(xù)將開(kāi)展相關(guān)的研究。