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(bǔ)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(bǔ)償裝置（Fixed capacitor FC）為主?？紤]到配網(wǎng)運(yùn)行工況十分復(fù)雜，由于產(chǎn)品滋生在控制、保護(hù)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(bǔ)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(jìn)行裝置的建模與分析，此類仿真結(jié)果過于理想化，只能進(jìn)行理論上的驗證，并不能真實反映裝置的實際運(yùn)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償裝置的運(yùn)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(fù)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(zhǔn)確測試，將低壓電容補(bǔ)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(bǔ)償裝置控制器進(jìn)行閉環(huán)測試。

圖1 FC控制保護(hù)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(fù)荷實驗

選用阻感負(fù)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(dá)到設(shè)定值為0.97。

圖2 投入FC靜止無功補(bǔ)償器前網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖3 投入FC靜止無功補(bǔ)償器瞬間網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖4 投入FC靜止無功補(bǔ)償器之后網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

3.2 非線性負(fù)荷實驗

選用不可控整流負(fù)載作為負(fù)荷，由圖5可知該負(fù)荷既含有諧波、無功，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.79，諧波含有量THD=39.231%，補(bǔ)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(dá)到設(shè)定值0.97，諧波放大，含有量高達(dá)THD=51.453%。

圖5 投入FC靜止無功補(bǔ)償器前網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖6 投入FC靜止無功補(bǔ)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(hù)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(hù)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(fù)荷仿真實驗。2）非線性負(fù)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(jìn)行仿真實驗，通過仿真可以看出當(dāng)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(bǔ)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(fù)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(jìn)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(bǔ)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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