李壯

摘要：供電系統(tǒng)在我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國家電網(wǎng)每年因電壓波動和閃變造成幾千萬的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)化，確保電網(wǎng)在運(yùn)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(yuǎn)距離的發(fā)電廠通過高壓輸電線傳輸獲取，并且對應(yīng)著密集的工商業(yè)負(fù)荷，換流站、輸電線路以及異步電動機(jī)、電弧爐、降溫壓縮電機(jī)等負(fù)荷的無功功率需求量巨大。在負(fù)荷側(cè)安裝一定數(shù)量和容量的靜止同

步補(bǔ)償器（staticsynchronouscompensator，STATCOM）做無功補(bǔ)償，不僅能在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(yán)重的短路故障時，能提供良好的無功支撐，快速恢復(fù)電壓至安全水平，避免超負(fù)荷。目前條件相對較好的廣東電網(wǎng)，已經(jīng)逐漸在負(fù)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(bǔ)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(shè)備負(fù)荷的急劇變化，會導(dǎo)致負(fù)荷電流產(chǎn)生對應(yīng)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(bǔ)償裝置能夠快速地提供無功電流，以補(bǔ)償負(fù)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(fù)載，同時，線路、變壓器等輸配電設(shè)備三相阻抗的不平衡，也會導(dǎo)致電壓不平衡問題的產(chǎn)生。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置能夠快速地補(bǔ)償由于負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的負(fù)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(qiáng)設(shè)備電壓穩(wěn)定性。對于負(fù)荷中心而言，由于負(fù)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(bǔ)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(fù)荷側(cè)電壓，使用電設(shè)備在額定電壓下運(yùn)行。

二、導(dǎo)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(dāng)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(dāng)并網(wǎng)容量超過線路最大負(fù)載或線路低谷負(fù)荷運(yùn)行時，線路末端電壓將超出規(guī)定范圍，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。在配電網(wǎng)中，電壓隨著負(fù)荷的變化而變化。而光伏電站并網(wǎng)后，負(fù)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(dāng)光伏電站容量小于并入點(diǎn)負(fù)荷時，線路輸入端的負(fù)載率會下降，當(dāng)容量大于并入點(diǎn)負(fù)荷時，將出現(xiàn)向電網(wǎng)送電的反向電流，導(dǎo)致線路負(fù)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(fù)荷調(diào)整不易掌控。

三、電壓波動和閃變分析自適應(yīng)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(bǔ)償設(shè)備、無功發(fā)生器等，補(bǔ)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(fù)荷集中的地點(diǎn)進(jìn)行并網(wǎng)。并網(wǎng)前，要對配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行跟蹤檢測，確保電源的相位、頻率達(dá)到特定標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行并網(wǎng)。消除孤島效應(yīng)。①在光伏電站配置防孤島保護(hù)。為防止電網(wǎng)受到?jīng)_擊，應(yīng)保證防孤島保護(hù)在線路重合閘動作之前先動作，其動作時間一般應(yīng)不大于2s。②對光伏電站增加低電壓穿越保護(hù)。

（二）自適應(yīng)PI控制器的應(yīng)用

自適應(yīng)PI控制器，在擾動存在的情況下，通過自適應(yīng)調(diào)整PI參數(shù)，優(yōu)化了系統(tǒng)響應(yīng)性能。在反步法的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)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(xiàn)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(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器和反步法結(jié)合的思路，擴(kuò)展?fàn)顟B(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(jì)值，但文中的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器設(shè)計(jì)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(luò)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(yīng)觀測器的鏈?zhǔn)絊TATCOM反步控制策略。鏈?zhǔn)絊TATCOM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(shí)時檢測通過高增益觀測器來估計(jì)，擾動量通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近來估計(jì)，同時通過高增益觀測器的估計(jì)值來實(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)。針對受端電網(wǎng)STATCOM的布點(diǎn)和容量規(guī)劃問題，采用了布點(diǎn)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(shí)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(fēng)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(dǎo)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(bǔ)償無功電流，在電網(wǎng)電壓跌落時，還要求輸出正負(fù)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(jìn)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(shè)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(yīng)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(shí)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(shí)時對變換器的功率基準(zhǔn)進(jìn)行限幅，以保證其安全工作。在此綜合考慮CHB-STATCOM的電流應(yīng)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(fù)序分量實(shí)時計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(fù)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(yīng)力以及單相鏈直流側(cè)電壓基準(zhǔn)，分別基于電流限幅和電壓限幅計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了此限幅策略的正確性。

（四）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

雙閉環(huán)電流控制方法在STATCOM控制中的應(yīng)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(yīng)控制的實(shí)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(jiān)基線系統(tǒng)電壓波動和閃變的抑制在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性問題進(jìn)行分析期間，為構(gòu)建起燈塔-堅(jiān)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(luò)-滑模控制與傳統(tǒng)PID控制，在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制方面的性能進(jìn)行優(yōu)化。該模型是根據(jù)實(shí)際的工程線路原型進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行有效調(diào)節(jié)。配電系統(tǒng)的負(fù)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(biāo)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(yùn)行下的STATCOM來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)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(luò)-滑模自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的，進(jìn)而實(shí)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(bǔ)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(luò)-滑模控制器的構(gòu)建與應(yīng)用達(dá)到效果。電壓與電流環(huán)控制期間，可以合理應(yīng)用滑?？刂破?。在對性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償系統(tǒng)可以得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-滑?？刂破鞯挠行Э刂疲瑸榇_保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提供優(yōu)質(zhì)電能，需要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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