优质电力园区多DFACTS设备协调控制策略.pdf
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1、第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 S年1 2月 2 5日 电测与仪表 El e e t r i c a l M e a s ur e m e n t I n s t r u m e nt a t i o n VD 1 5 2 No 2 4 De e 2 5, 2 0 1 5 优 质 电力 园区多 D F A C T S设备协调控 制策 略 术 梁营玉 , 刘建政 , 许杏桃。 , 王一 , 杨奇逊 ( 1 华北电力大学 新能源电力 系统国家重点实验室, 北京 1 0 2 2 0 6; 2 清华大学 电力 系统及 发 电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京 1 0 0 0 8 4; 3 江苏
2、省 电力公司电力科学研 究院 , 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要: 优质电力园区利用多种 D F A C T S 设备为园区内不同等级的负荷提供相应等级的电能, 是一种解决电能质 量问题的重要手段。由于多种 D F A C T S 设备可能同时动作, 需要对它们进行协调控制。文章依托南京青奥会 优质电力园区配套工程, 提出基于电能质量监控中心的多 D F A C T S 设备协调控制策略, P S C A D E M T D C的仿真 结果验证了该方法的正确性和有效性。 关键词 : 优质 电力园区; 协调控制 ; D F A C T S ; 电能质量监控 中心 中图分类号 : T M
3、7 1 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 2 4 - 0 0 6 5 -09 Co o r d i n a t e d c o n t r o l s t r a t e g y o f mu l t i p l e DF ACTS i n p r e mi u m p o we r p a r k L i a n g Y i n g y u , L i u J i a n z h e n g , X u X i n g t a o , Wa n g Y i , Y a n g Q i x u n ( _ f S t a t e K
4、e y L a b o r a t o r y f o r A l t e r n a t e E l e c t r i c a l P o w e r S y s t e m w i t h R e n e w a b l e E n e r g y S o u r c e s 。 N o r t h C h i n a E l e c t r ic P o w e r U n iv e r s i ty , B e ij i n g 1 0 2 2 0 6 , C h i n a 2 S t a t e K e y L a b of C o n t r o l a n d S i m u
5、 l a t i o n of P o w e r S y s t e m s a n d G e n e r a t i o n E q u ip m e n t s , T s i n g h u a U n i v e r s i t y , B e i i n g 1 0 0 0 8 4, C h i n a 3 J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y R e s e a r c h I n s t i t u t e , N a n j i 矗 g 2 1 1 1 0 0, C h i n a ) Ab s t r
6、a c t :P r e mi u m p o w e r p a r k p r o v i d e s c o r r e s p o n d i n g p o we r s u p p l y f o r d i f f e r e n t l e v e l s o f l o a d u s i n g mu h i p l e D F AC T S,w h i c h i s a n i mp o r t a n t me a n s t o S O l V e p o we r q u a l i t y p r o b l e mMu l t i p l e DF AC T
7、S ma y o p e r a t e s i mu l t a n e o u s - l y , S O t h e y n e e d b e c o o r d i n a t e d D e p e n d i n g o n N a n j i n g Y o u t h O l y m p i c G a m e s P r e m i u m P o w e r P a r k e n g i n e e ri n g , C O - o r d i n a t e d c o n t r o l s t r a t e g y o f mu l t i p l e DF A
8、C T S b a s e d o n p o w e r q u a l i t y mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l l i n g c e n t r e i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n P S C AD E MT DC v e ri f y i t s v a l i d i t y a n d e f f e c t i v e n e s s Ke y wo r d s : p r e mi u m
9、p o w e r p a r k,c o o r d i n a t e d c o n t r o l , D F AC T S,p o w e r q u a l i t y mo n i t o rin g a n d c o n t r o l l i n g c e n t r e ( P Q MC C ) 0 引 言 基于微处理器和电力 电子器件的设备已成为制 造业和商业应用中不可或缺的一部分, 如银行、 数据 中心、 半导体制造、 医院等。这些敏感设备对电能质 量 的要求较高 , 发生 电能质量 问题往 往会引起设备 损坏 、 重大的经济损失甚至人身安全 。 为了满足敏感负荷对
10、良好电能质量的需求 , 过 去十几年, 先进的 D F A C T S 设备得到迅速发展, 并且 它们的性能在 中低压 配电系统 中均 已得 到验 证 , 大 部分已经商业化生产 J 。 关于单 台D F A C T S设备的控制运行策略, 已有诸 十 基金项 目: 2 0 1 2国网科技项 目( 5 2 1 0 0 1 1 3 0 4 6 5 ) 多研究成果 , 文献 36 分别 阐述 了动态 电压恢复 器 ( d y n a mi c v o h a g e r e s t o r e r , D V R) 、 固 态 切 换 开 关 ( s o l i d s t a t e t r a
11、 n s f e r s w i t c h , S S T S ) 、 配电网静止 同步补 偿 器 ( d i s t ri b u t i o n s t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r , D S T A T C O M)和 晶 闸 管 投 切 的 电 容 器 ( t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r , T S C) 的控制 运行 原理。近年来 , 许多学者针对两种不 同 D F A C T S设备 的协调控制策 略, 开展了广泛 的研究并取得 了一
12、 定的成果。文献 7 提 出基 于专 家决 策 的单 台 D S T A T C O M 与多 台 T S C的协调控制策略, 实现了离散子系统 T S C和连 续子系统 S T A T C O M 的协调控制。文献 8 提出一种 基于模糊预测 的 S V C和 S T A T C O M联合运行协调控 制策略, 该策略可以有效避免 S V C和 S T A T C O M 由于 一 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m
13、e nt& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 5 2 NO 2 4 De c 2 5。 2 01 5 动态性能上 的差异引起 的负交互影响 , 使 小容量 的 S T A T C O M抑制电压闪变 , 大容量的 S V C用于无功补 偿 , 仿真结果验证 了协调 控制策略的有效性和正确 性。然而 , 优质 电力 园区一般含有多种 D F A C T S设备 且电气距离较近 , 系统发生扰动 时, 为了满足极敏感 负荷对 电 能 质 量 的 要 求 , 往 往 需 要 园 区 内 多 种 D F A C T S同时动作。此时, 多种 D F A C T S设备
14、的协调 控制策略显得尤为重要。然而 , 关于多 D F A C T S设备 协调控制的研究成果鲜有报导。 文中依托南京青 奥会优质 电力园 区配套工 程 , 针对园区内的 D V R、 S S T S 、 D S T A T C O M 和 T S C, 提 出 了多种 D F A F C T S设备 的协调控制策略。在 P S C A D E MT D C中搭建仿真平 台, 验证文 中所提协调控制策 略的正确性和有效性 。 1 青奥会优质 电力园区 1 1 园 区拓 扑结构 南京青奥会优质电力 园区的拓扑单线视 图如图 1所示 图 1 优 质 电力 园区拓 扑 结构 Fi g 1 To p
15、o l o g y s t r u c t u r e o f p r e mi u m p o we r pa r k 电力 园区的进 线为两条 1 l O k V的线路 ; 为保证 供 电的可靠性 , 敏感负荷 由 1 0 k V I段母线 的出线 l 和 1 0 k VI I 段母线 的出线 7分别供 电, 一路为主电源 , 一 路为备用 电源。为提 高电能质量水平 , 园 区内安 一 66 一 装了 D V R、 S S T S 、 单 台 D S T A T C O M 以及多组 T S C等 D F A C T S设备。 1 2动 态电压恢 复 器( D V R) D V R是一种
16、先进 的串联补偿设备 , 能够通过耦 合变压器向系统 中注入幅值和相位均可调的三相独 立的交流电压。D V R由机械旁路开关、 电压源逆变 器 、 输出滤波器、 直流储 能单元和串联变压器五部分 组成 j , 如图 2所示 。 图 2 D V R基 本结 构及与 系统 连接 图 F i g 2 DVR b a s i c s t r u c t u r e a n d c o n n e c t e d po we r s y s t e m d i a g r a m 由于前馈控制方式控制简单 , 动态 响应速度快 , 在很多场合得到应用。前馈控 制方式原理 : 将 负载 电压的参考值与 D
17、 V R电源侧 电压相 比较 , 误 差信 号 作为 P WM逆变器的调制信号 m J 。传统 的前馈控制 方式虽然响应速度较快 , 但 D V R的补偿效果受滤波 器参数的影 响, 控 制精度低 , 且 系统阻尼较小 , 补偿 系统电压跌落时易发生振荡 。 文 中采用图 3所示 的双闭环控制策 略l , 即在 前馈控制方式的基础上进行了如下改进 : ( 1 ) 引人实 际负载电压进行 电压外环反馈控制 , 提高系统的控 制精度 ; ( 2 ) 引入 电容电流进行 电流 内环反馈控制 , 提高控制系统 的稳定裕度。图 3控制策略 中 v 2 ( s ) 对 ( s ) 的闭环传递函数的频率特性
18、 曲线如 图4所 示 , 从图中看可以看出 : 在低频段 , 系统 的输 m能很 好 的跟踪输入信号 ; 在高频段 , 高频干扰信号得剑 了 很好的抑制 。文献 1 1 详细 阐述了电压反馈增益 k 和电流反馈增益 k 的选取方法 , 文章不再赘述 。 本文采用的 D V R模型具有以下特点 : ( 1 ) 拓扑结构如图 2所示 ; ( 2 ) 应用于 3 8 0 V电压等级 ; ( 3 ) 可 以分 相控 制 , 能够 补偿 电压 跌 落 、 电压 暂升 ; 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测与仪
19、表 El e e t n l e a l M e as u r e me n t& n s t r u me nt afl o n V0 I 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 0 1 5 图3 D V R控制策略框 图 Fi g 3 Bl o c k d i a g r a m o f DVR c o n t r o l s t r a t e g y w s 一 图4 D V R反馈控制策略的频率特性 曲线 Fi g 4 Fr e q ue n c y c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f DVR f e e d b a c k c
20、o n t r o l s t r a t e g y ( 4 ) 响应时间小于 5 m s ; ( 5 ) 额定补偿度为 4 0 。 1 3 固态切 换 开 关( S S ,I 1 S ) S S T S一般应用于双路 电源供 电 的场合 , 可以在 主电源发生故障时 , 以 m s 级 的速度将敏感或重要负 荷切换到备用电源侧 , 从而使敏感或重要负荷免受 电 压跌落 、 短时中断的影 响, 满足敏感或重要负荷对 电 能质量和供电可靠性的要求。 文 中采用的 S S T S模型具有如下特点 : ( 1 ) 拓扑结构如图 1中虚线部分所示 ( 单相 图) , S S T S由两个混合开关单元
21、组成 , 每个混合 开关 单元 由一对反并联晶闸管和一个 机械高速切换开关并联 连接组成 ; ( 2 ) 应用于 1 0 k V电压等级 ; ( 3 ) 采用强迫切换 ( ma k e b e f o r e b r e a k, MB B) 的 换流方式 ; ( 4 ) 切换时间小于 1 5 m s 。 1 4 配电网静止 同步补偿 器( D S T A T C O M) D S T A T C O M是 目前最 为先进 的无功补偿 装置 , 通过 向电网注入无功的方式 , 调节电网电压 、 抑制电 压闪变 、 改善系统功率 因数。文 中 D S T A T C O M模 型 采用三相桥式
22、电压源型 P WM 逆变器结构 , 通过变压 器与电网相连。文中选取 实际工程 中应用较多的控 制结构 : 矢量控制方式 , 如 图 5所示 , 控制 系统 由 外环功率控制器和内环 电流控制器构成 , 外环功率控 制器控制的物理量为电容电压和无功功率 。 D S T A T C O M控制器 采集的 电流信 号为两组 : 一 组为 D S T A T C O M发 出的三相 电流 , 用于电流 内环 的 闭环控制 ; 一组为 D S T A T C O M负荷侧三相电流 , 结合 电网三相电压采样值计算负荷侧的有功、 无功及功率 因数, 根据功率因数的指令值得到 D S T A T C O
23、M发出 无功 的指令值 Q 。 文中采用的 D S T A T C O M模型具有以下特点 : ( 1 ) 应用于 1 0 k V电压等级 ; ( 2 ) 额定容量为 1 M V A; ( 3 ) 采用图 5所示 的控制策略 ; ( 4 ) 响应时间小于 5 m s 。 1 5 晶闸管投切的电容器( T S C ) 单相 T S C拓扑如 图 6所 示 , 它 由一对反并联 晶 闸管 、 电容器和阻抗很 小的限流电抗器组成。 与 D S T A T C O M相 比, 虽然 T S C只能实现无功的 分级调节且 响应 速度 较慢 , 但 其成 本低 , 容量 相 对 较大。 文 中采用的 T
24、S C模型具有以下特点 : ( 1 ) 应用于 l O k V电压等级; ( 2 ) 额定容量为 1 5 MV A; ( 3 ) 采用晶闸管两端电压过零触发 的方式 ; ( 4 ) 最大响应时间为 2 0 ms 。 由于 T S C回路串联 了限流小电抗并且 晶闸管两 端电压过零时触发晶闸管 , T S C投入时的冲击 电流很 小 , 过渡过程较短。 2 D V R与 S S T S的协调控制策略 D V R和 S S T S均可用于解决系统 电压跌落 问题 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测与
25、仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt I n s t r u me ntat i o n V0 I 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 0 1 5 图 5 D S T A T C O M 控 制框 图 F i g 5 C o n t r o l l e r b l o c k d i a g r a m o f DS T AT C OM 图6单相 T S C的拓扑结构 F i g 6 To p o l o g y s t r u c t u r e o f s i ng l e p ha s e TS C 为敏感负荷提供 良好 的电能质量
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