多套自动控制的电力设备平衡输出的复合控制结构

尚 春 李海生 安万洙 陈晏伯 张 智

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广州 510620；

2.荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051）

1 引言

随着经济发展和技术进步，大量的自动化控制的大功率电力设备广泛应用于电信、能源、交通运输、军事装备、材料工程、电力系统和电气传动领域，用于驱动电气传动机构、作为变频电源、调节电网电压潮流等。随着自动化控制的电力设备的普及，在某些场合为了满足大容量或者运行灵活性，在同一安装点布置了两套或者两套以上的自动控制的同种设备，这就产生了多套设备之间如何平衡输出的现实问题，特别是如何在电力系统暂态和稳态下都保持平衡输出并同时保持各套设备的控制系统的各自独立运行。

对于在同一地点安装的多套具有独立的自动控制系统的电力设备，即使运行工作特性曲线完全相同，由于传感器、控制器、功率元件等的误差，它们的输出也会产生偏差，如果没有特殊的额外手段加以修正，它们就不能保持在工作特性曲线的相同工作点上，即输出不能平衡，并且在多套设备之间可能会产生相互干扰出现振荡。

许多变量都会影响控制器的测量，但是其中只有一部分变量是可控的，其中一个变量必须由控制器进行控制，其余变量被定义为控制回路的扰动变量。扰动是永远存在的，因为这些扰动将会使控制参数偏离设定点，控制器也必须对此做出反应。在传统的PID反馈控制回路中，直到这些扰动对被控变量造成的影响在测量信号中显示出来，控制器才开始动作，在此之前控制器根本没意识到这些扰动也就无法对其做出相应的调节。这样控制器只能根据控制器中计算得到的偏差来尝试做出正确的补偿，反馈回路的振荡反应就是这种解决过程的明显表现。

目前，在同一地点安装多套自动控制的电力设备之间的平衡输出问题见于报道的解决方法通常是采用同一个控制系统，通过一个控制器产生各套设备输出单元的输出分配的指令，这实际上从严格意义上仍然只能算做是一套设备，而不是各自具备自身独立控制系统的多套设备；其应用范围是有局限性的。

2 系统组成与工作原理

2.1 传统控制系统

传统控制系统的结构见图 1，传统控制系统的结构由PID控制环节、输出控制环节、电力系统、测量环节、放大环节、求和环节顺序构成闭环负反馈控制结构。

图1 传统控制系统的结构

2.2 控制系统方案1

控制系统方案1见图2。

图2 控制系统方案1

在传统的如图1所示的闭环负反馈控制结构中增加了另一套设备，在该套设备中的前馈输入环节，即本控制系统结构为：由PID控制环节、输出控制环节、电力系统、测量环节、本套设备的放大环节、另一套设备的前馈输入放大环节、求和环节顺序构成闭环负反馈控制结构。

假定考虑两套自动控制的电力设备，更多套的情况可以依此类推。对于一套设备的控制系统，在原闭环负反馈控制结构上将自身的反馈通道的放大系数减少到原先的k倍（0 1k＜ ＜ ），再引入另一套设备的反馈量增加前馈环节，前馈环节放大系数设为1-k倍。

该方法需要满足的控制条件是：

（1）各套设备需要设置成相同的自动控制结构；

（2）引入非自身信号的前馈环节的放大系数要根据各套设备的容量比例分配。

增加的前馈环节抵消了干扰信号带来的影响，使得两套设备前馈、反馈、参考值经过加减环节后得到的偏差变化方向相同，避免了因为两套设备的控制回路接收到不同相位的输入量导致两套设备之间输出的振荡。

2.3 控制系统方案2

控制系统方案2见图3。

图3 控制系统方案2

多套自动控制的电力设备平衡输出的复合控制结构，该控制结构通过在传统的闭环负反馈结构（见图 1）增加一个前馈输入环节，将传统的负反馈结构修改为反馈与前馈相结合的复合控制结构。

在图3所示中，为了使控制系统结构简单，可以取K=0.5，使得闭环负反馈与前馈输入的放大系数均为 0.5倍，这样反馈量和引入的另一套的前馈量可以共用放大环节。增加的前馈环节抵消了干扰信号带来的影响，使得两套设备前馈、反馈、参考值经过加减环节后得到的偏差变化方向相同，避免了因为两套设备的控制回路接收到不同相位的输入量导致两套设备之间输出的振荡。

该方法需要满足的控制条件是：

（1）各套设备需要设置成相同的自动控制结构；

（2）引入非自身信号的前馈环节的放大系数要根据各套设备的容量比例分配，对于各套容量相同的设备之间可以新增的前馈环节放大系数可以进行等分处理。

控制系统方案 1：南方电网云广特高压直流输电楚雄换流站两套SVC，单套容量120Mvar，采用传统闭环负反馈控制时，经过多次试验发现，两套SVC先后起动后，无功负荷由一套 SVC承担转为由两套SVC承担的重新分配过程中，有可能出现无功功率在两套SVC之间重新分配的来回振荡过程。

后修改控制结构，引入非自身输出信号前馈环节，为了使控制结构简单，将另一套SVC的电流引入，与自身的电流求和平均后一同经原先控制结构中自身反馈电流的通道输入，即前馈环节与电流反馈环节共用同一个输入通道。将两套SVC的电流进行平均后作为前馈环节的输入量，以电压稳定方式作为主闭环控制，控制回路输出的无功电压则相对趋于平缓。根据负载无功功率（无功电流）的大小，间接控制SVC的电压和输出电流。由于两套SVC的前馈环节输入量相同，并且这两套SVC的电压闭环主控制输入量都是500kV侧电压采样值。前馈环节抵消了干扰信号带来的影响，使得两套SVC前馈环节的输入量变化方向相同，避免了因为两套控制回路接收到不同相位的输入量导致无功功率在两套SVC之间的来回振荡。

3 两套SVC采用复合控制结构后的输出曲线

两套 SVC采用复合控制结构后的输出曲线见图4。

图4 两套SVC采用复合控制结构后的输出曲线图

图 4记录了电网 500kV交流母线出现持续100ms对地电阻100Ω的单相接地故障时的SVC输出，SVC的电压控制输入死区 200V。图中，最上方曲线为电网500kV交流母线电压，下方两条曲线分别为两套SVC的输出无功电流。由图4中可见，两套 SVC在遭受电压波动瞬间的调节过程中实现了无功输出平衡，没有出现两套SVC之间的无功功率振荡；然后，在趋于最后稳定的过程中，两套SVC也实现了无功输出平衡。

4 结论

两套自动控制的电力设备平衡输出的复合控制系统，在南方电网云广特高压直流输电楚雄换流站两套SVC，采用后，经过多次试验发现，两套SVC（容量120Mvar）先后起动后，无功负荷由一套SVC承担转为由两套SVC承担的重新分配过程中，有可能出现无功功率在两套 SVC之间重新分配的来回振荡过程。

后修改控制结构，引入非自身输出信号前馈环节，为了使控制结构简单，将另一套SVC的电流引入，与自身的电流求和平均后一同经原先控制结构中自身反馈电流的通道输入，即前馈环节与电流反馈环节共用同一个输入通道。将两套SVC的电流进行平均后作为前馈环节的输入量，以电压稳定方式作为主闭环控制，控制回路输出的无功电压则相对趋于平缓。根据负载无功功率（无功电流）的大小，间接控制 SVC的电压和输出电流。由于两套SVC的前馈环节输入量相同，并且这两套SVC的电压闭环主控制输入量都是500kV侧电压采样值。前馈环节抵消了干扰信号带来的影响，使得两套SVC前馈环节的输入量变化方向相同，避免了因为两套控制回路接收到不同相位的输入量导致无功功率在两套SVC之间的来回振荡。此项技术，经过现场实用，达到了设计要求，且有推广价值。

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