变压器式混合控制型可调电抗器的控制策略研究

蒋应伟，侯凯，武迪，隗华荣

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003)

变压器式混合控制型可调电抗器的控制策略研究

蒋应伟，侯凯，武迪，隗华荣

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003)

随着我国电力系统的快速发展，可调电抗器作为可动态补偿无功和稳定电压的新型FACTS装置，得到了广泛应用。变压器式可调电抗器响应速度较快、易实现高压应用，成为研究热点。基于一种潜力较大的变压器式混合控制型可调电抗器拓扑，阐述了晶闸管投切和VSC闭环PWM调制的混合控制策略。针对存在绕组高短路阻抗设计误差和各绕组互感影响难题，目前大部分研究均从结构优化角度进行改进。从控制角度入手，将可调电抗器的整体输出无功引入到VSC的闭环控制中，提出了一种无功顶层闭环反馈控制方法，实现了可调电抗器整体输出的精确控制。此外，研究表明，相比电流内环PI控制器，采用电流滞环控制可提高可调电抗器输出的暂态性能。

变压器式可调电抗器；混合控制型；顶层闭环反馈控制；控制策略；智能电网

Abstract: With rapid development of electric power systems in China, controllable reactors have been used widely as a new type FACTS device which can dynamically compensate for reactive power and stable voltage. Characterized through rapid response speed and easy high-voltage applications, the controllable reactor of transformer type (CRT) has become a research hotspot. This article expounds a hybrid control strategy containing SCR switching control and VSC closed-loop PWM, based on the topology of hybrid controllable reactor of transformer type (HCRT) of a considerable potential. In view of its design errors with high short-circuit impedance of the winding and mutual inductance influence between windings, most researches focus on structure optimization at present. From the control angel, by introducing overall reactive power output of the controllable reactor into the closed-loop control of VSC, this paper proposes a top closed-loop feedback control(TCFC) to realize accurate control of overall output of the controllable reactor. Furthermore, research results show that current hysteretic control can achieve better transient performance of the controllable reactor, as compared with current inner-loop PI controller.

Keywords: controllable reactor of transformer type (CRT); hybrid type control; top closed-loop feedback control (TCFC); control strategy; smart grid

0 引 言

为应对我国经济的快速发展，我国电力系统已基本形成超高压大电网区域互联、大容量机组密集投入的格局，电网无功和动态电压稳定问题日益凸显。可调电抗器作为一种新型FACTS装置，可动态补偿容性无功，有效抑制容升电压、操作过电压、潜供电流等问题，提高电网输送能力和系统可靠性，在电力系统中的应用范围广泛[1-6]。

根据其发展历史和技术背景，可调电抗器可分为机械式(调匝、调气隙)、磁控式、电子式和变压器式等。其中，变压器式可调电抗器易实现高压应用，电力电子开关可实现快速控制，集成了变压器式和电力电子开关的混合型可调电抗器是当前研究的热点[7-11]。

目前，变压器式可调电抗器的技术难点包括工作绕组的高短路阻抗的精确设计、各绕组间的互感影响等。各文献只是从结构设计去解决这些问题，未从控制策略方面进行过多研究[12-18]。

基于一种变压器式混合控制型可调电抗器的基本拓扑，本文在研究晶闸管分级投切和IGBT电压源换流器(VSC)精确平滑控制的基础上，提出了一种无功顶层闭环反馈策略。这种策略可以补偿变压器式可调电抗器各绕组之间的互感影响和本身的设计误差，实现整体无功输出的精确控制。

1 变压器式混合控制型可调电抗器主拓扑

1.1 变压器式可调电抗器的特点

变压器式可调电抗器基于电力变压器设计理论和制造技术，较易实现高压领域的应用。

根据其基本结构，大致可分为副边单绕组式和副边多绕组式：副边单绕组式又可分为单绕组单支路型和单绕组多支路型；副边多绕组式又可分为多绕组并联型和多绕组串联型。

副边单绕组式一般采用外接串联电抗器，变压器设计简单，但体积大、成本高；副边多绕组一般为高短路阻抗变压器，即将串联电抗集成到变压器本体中，有利于降低体积，但变压器设计难度大。

变压器式可调电抗器的绕组一般采用晶闸管进行控制或者投切，响应速度快。晶闸管控制模式可实现连续调节，但会引入大量谐波；晶闸管投切模式不引入谐波，但阻抗分级输出，不连续。

1.2 变压器式混合控制型可调电抗器

针对变压器式可调电抗器存在的问题，一种基于副边多绕组结构，通过晶闸管投切和IGBT电压源换流器(VSC)控制的混合控制型可调电抗器得到了越来越多的关注和研究。该可调电抗器的拓扑结构如图1所示。

图1 变压器式混合控制型可调电抗器主拓扑

图1所示变压器式混合控制型可调电抗器结构，W1为工作主绕组，连入电网；SW为投切绕组，根据容量分级设计，由晶闸管投切控制，对输出电抗进行粗调节；CW为控制绕组，连接VSC进行PWM调节控制，实现输出阻抗的精细调节。

晶闸管实行投切控制，投切绕组只在平滑投入时刻产生少量谐波；VSC开关频率较高，经控制绕组电抗滤波后谐波含量也很低。可调电抗器输出由晶闸管和IGBT-VSC混合控制，可实现阻抗线性连续调节，响应速度快。

该可调电抗器不外串电抗，变压器本体有高短路阻抗的设计要求；为了实现较精确的连续线性控制，要求投切绕组设计精确，且各绕组之间影响尽量小。而实际制造中，在工作绕组、投切绕组和控制绕组之间都存在着复杂的耦合关系，投切绕组很难做到精确设计。精确的高阻抗和绕组间低耦合是此类可调电抗器的技术难点。

2 变压器式混合控制型可调电抗器的控制策略

变压器式混合控制型可调电抗器的控制策略主要包括投切绕组晶闸管的分级投切控制和控制绕组VSC的PWM平滑调节两个部分。

2.1 变压器式混合控制型可调电抗器的晶闸管分级投切控制

为了保证分级控制的层级多样化，提高控制精度，减小VSC容量，一般对投切绕组容量以2n比例进行差异化设计。

以3投切绕组结构为例，SW1、SW2和SW3的容量比可设计为S1：S2：S3=20:21:22，若可调电抗器的总容量S=1，则S1=1/8，S2=1/4，S3=1/2。VSC可实现功率因数[-1,1]之间全象限控制，其容量可取分级极差的1/2，即SVSC=1/16。

根据可调电抗器输出容量QO取值范围，晶闸管对的投切控制指令和VSC的输出配置如表1所示。

表1 各输出容量下晶闸管分级控制及VSC输出配置

注：表中配置情况最大容量为15/16S，为了满足最大容量要求，在设计时可将总容量S适量放大。

图2 变压器式混合控制型可调电抗器主体控制图

根据D0D1D2指令，晶闸管对可直接投切，响应速度快，但投切前后有功率突变；也可以在投入过渡阶段采用相控平滑投切，但响应速度较慢，会引入少量谐波。

2.2 变压器式混合控制型可调电抗器的电压源逆变器(VSC)控制

变压器式混合控制型可调电抗器的投切绕组差异化设计降低了VSC的容量，在3投切绕组的设计中只占总容量的1/16。VSC在控制中实现总体指令级差剩余部分的跟随，是可调电抗器精确输出的保障，关系着装置的最终性能，是混合控制型可调电抗器的控制主体部分。

变压器式混合控制型可调电抗器的VSC控制采用基于直接电流控制的电压电流双闭环的单相逆变器控制框架，如图3所示。

图3 变压器式混合控制型可调电抗器中VSC的控制策略

通过系统电压(U1或U4)采样，由单相锁相环SP-PLL获取相位信号α；直流侧电压参考值Udc_ref和测量值Udc的差值经过电压外环PI控制器，乘以相位信息sinα，得到电流有功分量参考icp_ref，该值用以维持VSC直流电压；根据主体控制部分算得的VSC容量输出指令SVSC和相位信息，实时计算得到电流无功分量参考icq_ref，用来实现无功指令的跟随输出。电流内环控制器可选择常规的PI控制器或者滞环控制器及相应的PWM调制策略实现4路PWM的调制输出。在本控制框图中，电流内环的参考值是交流量，为了提高内环跟随的稳定性和精确性，也可以考虑采用PR控制器。

2.3 变压器式混合控制型可调电抗器的整体控制

通过上述VSC的双闭环控制，可实现变压器式混合控制型可调电抗器级差部分的精确输出。由于工作绕组、各投切绕组之间和控制绕组之间存在复杂的耦合关系，有较大的互感；且每个绕组的阻抗精确设计均存在误差；因而混合了投切绕组晶闸管控制和控制绕组VSC双闭环控制的可调电抗器，其整体输出总是存在着偏差。

目前的改进思路一般是通过合理优化设计变压器结构、引入磁集成技术等手段来减少互感和精确绕组容量设计。

图4 VSC无功顶层闭环反馈控制框图

针对该问题，本文提出基于VSC的无功顶层闭环反馈控制策略(The Top Closed-loop Feedback Control，TCFC)，本策略的思路是：将可调电抗器的整体输出无功量引入到VSC的闭环中，VSC除了输出级差无功分量外，还用来补偿由互感和投切绕组不精确等产生的无功偏差，从而实现变压器式混合控制型可调电抗器整体无功值的精确可控输出。其控制算法如图4所示。

本文以“辽宁号”航母为仿真对象,舰长304.5m,设飞行甲板300m作为SINS仿真长度。滤波周期选1s,仿真时长选100s,舰船在海中向东行驶,初速为10kn,纬度100°,经度30°,翻滚角、

通过可调电抗器无功输出实时计算值Qo跟随总输出指令QCMD得到VSC输出容量补偿值Scom，输出容量补偿值与原VSC级差控制值SVSC之和经过计算得到无功电流指令值。无功顶层闭环反馈的控制可以选择PI或P控制器。

3 变压器式混合控制型可调电抗器的控制策略的仿真验证

基于图1所示变压器式混合控制型可调电抗器的主拓扑，搭建其数字仿真模型，验证本文论述的控制策略。

3.1 仿真模型参数

仿真参数如表2所示，且将绕组间的互感影响和绕组本身的精度误差设为绕组本身阻抗值的5%。

表2 变压器式混合控制型可调电抗器仿真参数

3.2 波形及分析

仿真设置可调电抗器的总无功输出指令QCMD为2.5MVA，此时晶闸管投切指令D0D1D2=110，VSC的容量输出指令SVSC=250 kVA。分别研究采用顶层闭环反馈控制策略前后VSC和可调电抗器输出功率PQ曲线。

(1)不采用无功顶层闭环反馈控制策略波形分析

常规控制情况下，VSC实现的是级差无功分量闭环控制，其输出严格跟随主体分级控制给出的无功指令SVSC，如图5所示。

由于投切绕组精度设计误差和各绕组之间的互感影响，可调电抗器的总输出与指令值(2.5 MVA)存在较大误差，且存在较大波动，如图6所示。

图5 未采取顶层闭环控制的VSC输出功率PQ曲线

图6 顶层闭环前可调电抗器总输出功率PQ曲线

(2)采用无功顶层闭环反馈控制策略波形分析

图7 采用顶层闭环后VSC输出功率PQ曲线(PI控制器)

在VSC的控制中引入整体无功分量Qo，采用无功顶层闭环反馈策略之后，VSC除了输出级差无功分量SVSC外，还需补偿绕组误差和互感导致的整体输出误差Scom，其输出值要大于SVSC(250 kVA)，达到了380 kVA，如图7所示。

此时，可调电抗器的整体无功输出严格跟随输出指令值QCMD，实现了整体无功的精确输出，如图8所示。

此外，采用了无功顶层闭环控制后，无论是VSC的输出曲线和可调电抗器的整体输出曲线，波动更小，稳态性能更好。

图7、8中的电流内环控制器为PI控制器，其在获得较好的稳态性能的同时，暂态过程振荡较大、调节时间长。

在开关频率允许的情况下，电流内环可采用滞环控制，VSC的输出和可调电抗器的总输出效果如图9、10所示。相比电流内环PI控制器，采用电流滞环控制的可调电抗器的输出曲线的暂态性能得到了较大提升。

图9 顶层闭环后VSC输出功率PQ曲线(电流滞环控制器)

图10 顶层闭环后可调电抗器总输出功率PQ曲线(电流滞环控制器)

4 结束语

基于变压器式混合控制型可调电抗器的基本拓扑，可采用晶闸管投切和VSC双闭环混合控制策略。本文提出的一种VSC的无功顶层闭环反馈控制策略，可有效补偿其存在的绕组电抗设计误差和绕组间互感影响，实现可调电抗器整体输出的精确控制。相比电流内环PI控制器，滞环控制器可提升可调电抗器整体输出的暂态性能。

当前，变压器式混合控制型可调电抗器得到了越来越多的关注。从结构设计角度从发，无论如何优化，其阻抗设计误差和互感问题总是无法避免的。本文将可调电抗器整体输出引入到VSC的闭环控制中，通过VSC输出来补偿无功误差影响，从控制角度提出了一种解决问题的新思路，可供在变压器式混合控制型可调电抗器研究领域的专家、学者参考。

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Research on Control Strategy for Hybrid Controllable Reactor of Transformer Type (HCRT)

Jiang Yingwei, Hou Kai, Wu Di, Kui Huarong

(State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing NARI Group Co., Nanjing Jiangsu 210003, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.018

TM41/47

A

1000-3886(2017)03-0057-04

定稿日期: 2016-10-22

国家科技部转制科研院所创新能力专项资金项目：2014EG221211《配电网机械式连续可调电抗器研制》国家电网公司科技项目《基于磁路控制的超高压故障电流限制技术基础理论及可行性研究》南瑞集团公司科技项目《基于导磁材料各向异性的可调电抗器技术研究》

蒋应伟(1986-)，男，浙江金华人，硕士，工程师，主要研究方向：电力电子在电力系统中的应用。 侯凯(1981-)，男，江苏徐州人，博士，高级工程师，主要研究方向：电力电子技术。