区域互联下不对称交流电网运行控制系统设计

王宜立，张蓉馨，杨再鹤，单祖植，徐晓亮

（1.云南电力调度控制中心调度科，云南昆明 650011；2.文山供电局电力调度控制中心，云南文山 663099；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 210000）

电网电压不对称现象在实际配电网中普遍存在，其中故障几率出现情况最大的就是不对称交流电故障。当电网电压出现不平衡状态，或者是受到不稳电压的干扰时，电流会与低频率谐波分量相重叠，导致电流运行不对称从而出现不对称交流电，也有可能会影响到电网中的其他负载，因此有必要研究不对称交流电网运行的控制系统。

目前，文献[1]提供了一种利用MMC 的控制优化方案，该方法能够实现在交流电压失衡时对其进行抑制，但是在现实应用中不太容易实现且由于受限因素过多，导致结果容易出现较大偏差；文献[2]提出一种采用准谐振控制器的SVI 负序电压控制策略，该方案采用了SVI 单模化管理思想，方法复杂并且运行效果不稳定。针对区域互联功能强大且稳定的特性，以及不对称交流电网运行控制技术缺少的情况，该文基于区域互联针对不对称交流电网运行控制进行系统设计。

1 系统硬件设计

区域互联下不对称交流电网运行控制系统中需要及时且准确地获取电网电压的相位信息，然后利用控制器对整体系统进行控制[3-4]。区域互联下不对称交流电网运行控制系统硬件结构如图1 所示。

图1 区域互联下不对称交流电网运行控制系统硬件结构

观察图1 可知，该文主要采用三个硬件部分实现整体系统的运行，包括锁相环控制器、电流环控制器、DSP 控制器。

1.1 锁相环控制器设计

锁相环控制器负责检测电网电压的相位信息，从而实现发电系统的单位功率因数运行。锁相环控制器的性能状态良好与否对整体控制系统的运行状态是否正常有着极大影响。在环境处于不对称交流电网运行状态时，电网电压处于不平衡状态，锁相环控制器能够快速准确地检测到电压分量顺序，并且快速掌握与其对应的电网电压的相位信息[5-6]。锁相环控制器是保证整体系统稳定正常运行的前提条件。锁相环结构如图2 所示。

图2 锁相环结构

针对锁相环控制器的设计主要由相位鉴别、环路滤波和压控振荡三部分组成一个闭环[7-8]。工作原理：将输入信号和输出信号的频率和相位信息进行比较，可以得到一个表示输入信号和输出信号之间相位误差的电压信号，可以将其称为对比信号值。将对比信号值经过环路滤波进行滤波操作，可以得到一个控制信号，将控制信号输入到压控震荡，压控震荡负责对输出信号进行修改调整，根据控制信号改变输出信号的频率和相位，使之与输入信号保持相同的相位[9-10]。

1.2 电流环控制器设计

电流环控制器是整个发电系统的核心部分，负责对电流的幅值和相位进行掌握和定值。电流环控制器结构如图3 所示。

图3 电流环控制器结构

观察图3 可知，电流环控制器主要由定时器、DMA、处理器和A/D 转换器组成。区域互联下不对称交流电网运行控制系统中的电流环控制器设置根据坐标系变换实现。根据电网实际运行状态选择坐标变换类型，考虑电流的独立状态分为两相静止和多相静止，分别对应两相旋转坐标系和多相旋转坐标系。通过设置调节参数值，从而使调节器能够实时分析谐波分布情况并掌握谐波传递规律，以保证电流调节无误差[11]。

1.3 DSP控制器设计

DSP 控制器包括两个结构和功能都相对独立的DSP 核心单元线路及相对应的外围电路，通过DSP通信构成一个完整的体系。DSP 控制器结构如图4所示。

图4 DSP控制器结构

观察图4 可知，DSP 控制器主要结构包括GSC 反馈信号、GSC 触发脉冲和RSC 反馈信号及MSC 触发脉冲两条线路共同作用，从而组成一个完整的控制器结构。在信号前级进行电路处理后，在DSP 最小系统及外围扩展到各自单元时，线路一中的单元A与数字IO 广电隔离相互作用，并传到开入开出信号。而线路二中的单元B 在与数字IO 广电隔离相互作用的同时，键盘上会显示电路，并且将电路信息传导到通信端口[12-13]。

2 系统软件设计

2.1 谐波分析程序

当交流系统发生不对称故障时，由于正序谐波和负序谐波通过换流变压器的改变，会导致直流的谐波分布情况发生改变并且排列情况复杂。通过对该状况下的系统谐波形成机制进行解析，就能够了解到交流侧谐波的传导规律，以及交流侧功率的高低波动状况，由此可以得出不对称交流状态对系统可能造成的影响，其产生的影响体现在电流及电压的数值改变[14]。电流函数可由式（1）表示：

式中，lK表示在产生K次谐波时的电流函数；EK表示在产生K次谐波时的系统电压；PK表示此时的系统功率。

通过式（1）在换流器的正序负序谐波状态下对系统的电压影响进行求解。通过对区域互联下的交流电网系统进行谐波分析，可以实现通过对电压电流进行监控，从而确定不对称交流状态对系统的影响[15]。

2.2 控制程序

区域互联模式对不对称交流供电运行采用双电流监测与控制方式，通过将正序分量和负序分量作用到不同旋转坐标系下，分别对两种情况进行监控和控制，因为能够通过单独选择坐标系实现双电流利用，所以可以直接对不同旋转坐标系情况下的电流进行控制，通过直接控制电流，可以提高控制效果的准确性，并且由于电流的可控性，也提高了控制效果的稳定性。在电网电压不平衡出现不对称交流电时，在正旋转坐标系下网侧换流器输出电压为正序分量，如式（2）所示：

当电网电压不平衡时，在负a、b轴旋转坐标系下网侧换流器输出电压为负序分量，如式（3）所示：

该矢量则作为空间矢量开入开出信号输入，控制开关的开通和关闭，最终达到对不对称交流电网电流的运行控制[16]。

3 实验研究

为了验证该文提出的区域互联下不对称交流电网运行控制系统的实际应用效果，设定实验。选用交流配电网系统作为实验对象，交流配电网结构如图5 所示。

图5 交流配电网结构

系统之间的短路比为2.5，系统内部产生的额定容量为500 MVA，换流变压器容量为530 MVA，系统直流侧的额定电压为300 kV，系统直流侧的额定电流为1 kA。

选用该文设计的控制系统进行控制，分别得到控制前和控制后的电网电流和电压运行状况，根据实验结果对系统的运行能力进行分析。控制前的交流系统电压值如图6 所示。

图6 控制前交流系统电压值

控制后的交流系统电压值如图7 所示。

图7 控制后交流系统电压值

根据图7 可知，在未进行运行控制之前，系统的母线出现跌落状况，进而导致电网三相电压不对称，系统由于在运行过程中出现负序和零序分量，因此会出现谐波。引入该文提出的运行控制系统后，直流电压和交流电压都得到了有效控制，电压波动幅值降为0，该文提出的控制系统通过分析区域互联不对称性，均衡电网内部的输入能量和输出能量，防止电网内部直流侧电压升高，从而有效控制电网运行。控制前的交流系统电流值如图8所示。

控制后的交流系统电流值如图9 所示。

图9 控制后交流系统电流值

根据图9 可知，在出现不对称现象后，电网的负序分量会受到开关函数的影响，所设计系统将负序分量转化成偶数次谐波，电流运行为0，确保电网正常运行。

4 结束语

该文分析了传统不对称交流电网运行控制策略中存在的问题，通过区域互联的方式，对电网运行控制系统进行硬件设计，软件方面利用谐波分析程序和控制程序对系统进行数据支撑，实现对区域互联下不对称交流电网运行控制系统的设计，实验结果表明，该系统具有较好的性能。