晶闸管控制串联电容补偿可以实现对输电线路参数的动态调节, 通过在一定范围内灵活改变装置的电抗, 可以有效缩短远距离交流输电系统的电气距离, 提高暂态稳定水平及输电能力;同时具有阻尼系统低频功率振荡、调节线路潮流等作用。所有这些, 都是以晶闸管控制串联电容补偿能够稳定的运行在命令阻抗下, 并能够快速响应阻抗阶跃命令为前提的。阻抗控制是晶闸管控制串联电容补偿的中层控制, 它接受上层下传的命令阻抗, 根据阻抗调节的误差修正命令阻抗或直接修正触发延迟时间, 从而实现闭环控制。阻抗控制是晶闸管控制串联电容补偿分层控制中承上启下的环节, 是整个晶闸管控制串联电容补偿装置成功与否的关键。本文研究了PID阻抗控制策略。该策略算法简单, 具有较好的实用性, 而且能够达到比较满意的控制效果。
1 系统模型
晶闸管控制串联电容补偿的基本原理是通过改变晶闸管触发角实现对输电线路参数的动态调节, 改变电容的容抗以补偿输电线路的感抗, 达到等值的缩短电气距离的目的, 从而提高系统运行的稳定性及输电能力。
其系统模型可以通过一个由固定电容器 (C) 和可变电抗器 (L) 相并联的电路来表示, 其中, 可变电抗可由晶闸管触发控制, 如图1所示。
该LC并联电路的等效阻抗Zeq可以表达为:
如果 (ωC-1/ωL) >0, 则表示固定电容器 (C) 的电抗值比与之并联的可变电抗器 (L) 的电抗值小, 整个并联电路呈现为可变的容性电抗。
如果 (ωC-1/ωL) =0, 会产生谐振, 导致无穷大阻抗。
如果 (ωC-1/ωL) <0, 则表示LC并联电路的等效电感值大于固定电抗器本身的值, 这种情况对应于运行方式中的感性微调模式。
2 PID阻抗控制
晶闸管控制串联电容补偿电路模型对电网输电能力的改善是以能够稳定运行在命令阻抗下, 并能快速响应阻抗阶跃命令为前提的。一个真正的晶闸管控制串联电容补偿装置, 要求其可以根据不同的控制目的 (如潮流控制、暂态稳定控制、阻尼控制等) 自动调节阻抗。
所以阻抗控制是整个装置成功与否的关键。阻抗控制, 其主要任务是根据系统控制要求的命令阻抗, 制定相关的控制策略, 使晶闸管控制串联电容补偿装置的输出阻抗迅速准确的跟踪命令阻抗。它的输出是经过反馈修正后的命令阻抗值。阻抗控制分为开环控制和闭环控制两种。若中层控制直接将上层下传的命令阻抗下传给底层控制, 然后根据查表求得命令阻抗对应的触发角去触发晶闸管, 则该控制方式为开环控制;若中层控制接收到命令阻抗后, 根据阻抗调节的误差修正命令阻抗或直接修正触发延迟时间, 则该控制方式为闭环控制。闭环控制的原理框如图2所示。
图中虚线框内为上层控制部分。每次接到新的命令阻抗时, 由上层控制给出晶闸管触发延迟时间, 底层控制通过阻抗误差反馈直接去修正延迟时间, 这样可以避免频繁查表, 有利于加快底层响应速度。实际应用的计算机控制系统都是离散系统, 数字式PID控制器的控制算式为:
其中, Kc为控制器增益, Ti为积分时间常数, Td为微分时间常数, T0为采样周期。k在本算法中就是周期的序数, 为了描述方便, 把上式改写为下式:
式中, kp, ki, kd分别为比例系数, 积分系数和微分系数, 不同于上面图中的同名参数。sum为误差累加器。在每次阻抗阶跃时, 由于前一命令阻抗下的累计误差不能作为后面阻抗调节的参照, 所以该累加器自动清零。
3 系统仿真
PID阻抗控制的结果如图3所示。晶闸管控制串联电容补偿电路初始运行状态为晶闸管全闭锁模式 (即Block, 此时电路等同于常规串联电容补偿, 其阻抗值为基本容抗值) , 0.03秒接到第一次阻抗阶跃命令, 0.2秒接到第二次阶跃命令。实线为命令阻抗曲线, 虚线为测量阻抗曲线, 纵坐标X为各种阻抗值和基本容抗值的比值。控制器的参数kp=0.0003, ki=0.000004, kd=0.00019。
从图3可以看出, 在阻抗阶跃命令下该控制器能较好的达到要求, 体现了一定的鲁棒性。
4 结语
利用在输电线路中增加晶闸管控制串联电容补偿, 在一定范围内灵活改变串联补偿装置的电抗值, 可以有效缩短输电系统的电气距离, 是提高系统传输容量和稳定性的一种经济有效的手段。本文研究利用PID方法实现对晶闸管控制串联电容补偿的阻抗控制, 具有良好的动态和静态性能, 能较好地满足实际要求。
摘要：晶闸管控制串联电容补偿通过采用串联电容补偿, 以电容的容抗补偿输电线路的感抗, 达到等值的缩短电气距离的目的, 从而提高系统运行的稳定性及输电能力。其阻抗控制是整个装置实现与否的关键。本文建立了晶闸管控制串联电容补偿电路模型, 分析了晶闸管控制串联电容补偿的不同运行模式。并采用PID控制方法实现对晶闸管控制串联电容补偿的阻抗控制。经过系统仿真验证, 结果表明, 本方法具有良好的动态和静态性能, 能满足工程实际要求。
关键词：晶闸管控制,串联电容补偿,阻抗控制,PID控制
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