自冷式静止无功补偿发生器的控制策略

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随着时代的发展，用电设备的丰富化导致电网中无功含量超标，进而大量无功补偿装置被投入。在无功补偿装置的应用中经常会出现高温损坏元件、爆炸等问题，为了解决这些问题，华能青海发电有限公司新能源分公司、辽宁荣信兴业电力技术有限公司的研究人员焦绪强、朱耿峰、陈啸旭、息鹏，在2021年第6期《电气技术》上撰文，研发出一种自冷式静止无功补偿发生器。

这种静止无功补偿发生器是一种基于柜体、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电抗器温度参数进行自动限容的补偿装置，此装置的控制策略是根据装置温度变化改变静止无功补偿发生器的无功电流输出，进而实现装置的自动限容控制。由于可以对静止无功补偿发生器容量进行自动调节，不仅提高了装置的可靠性，而且延长了装置的使用寿命。

在配电网中，由于负载分布的随机性和多样性，导致配电网出现功率因数低、供电电压不稳定、配电网损耗大等一系列问题。因此，无功补偿对配电网有着重要的意义。对配电网进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高装置利用率，减小网络有功功率损耗，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，最终提高电网运行的安全性及稳定性。

1  自冷式静止无功补偿发生器

电网中最常用的补偿装置是静止无功补偿发生器（static var generator, SVG）。随着静止无功补偿发生器的发展，市场对静止无功补偿发生器的要求越来越高，不但要适应各种恶劣的环境，还要保证补偿装置稳定运行的寿命。

影响补偿装置寿命最重要的因素是温度，高温不但会损坏元件还有可能造成爆炸，因此为了更好地提高装置的寿命和稳定性，提出一种自冷式静止无功补偿发生器，这是一种基于测量柜体、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、电抗器温度参数的新型装置，其使用自动限容控制策略，通过控制器上的传感器实时采集静止无功补偿发生器柜体、IGBT、电抗器的温度。当检测到静止无功补偿发生器装置的某一处超温时，则会暂时减小装置的输出容量进而降低装置的温度。当温度降低到限容给定值以下时，装置又会恢复正常的补偿容量。

本文所提补偿装置具有结构简单、设计合理、使用方便、科学实用等特点，其优势在于可以对静止无功补偿发生器主要部分的温度进行快速准确的控制，既保证装置可以长期稳定地运行又可以避免由高温引发的爆炸风险。

2  控制策略

整个系统如图1所示，主要包括电网、负载和补偿装置三个部分。其中补偿部分就是本文所提自冷式静止无功补偿发生器，如图1（a）所示。静止无功补偿发生器装置主要由控制部分和显示部分两部分组成，如图1（b）所示。

控制部分采集网侧电压、电流及其他参数传递给控制器，控制器进行分析计算后输出控制信号来决定装置的运行状态；显示部分主要以上位机的形式直观地显示系统中各个参数，以供调试人员观察调试。

图1  整个系统

控制策略决定了装置性能的好坏，静止无功补偿发生器的控制策略如图2所示，主要包括相间电压平衡控制、锁相环（phase locked loop, PLL）控制、电流内环控制、相内平衡控制等。

图2  静止无功补偿发生器控制策略

相间电压平衡控制是通过控制器计算每相电压的平均值并与系统的设定值进行比较，得到相间平衡的偏差值传递给电流环的有功值，与电流环上的网侧有功分量相结合，计算出当前状态下所需的有功分量，通过调节有功值来平衡每相之间的电压差值，进而稳定相间电压。

锁相环控制是为了使补偿部分的相位与电网侧的相位保持一致，来使补偿装置输出的电流可以在电网侧同步，进而达到补偿效果的高精度。

电流内环控制是通过分解电网侧电流的有功、无功分量进行计算，通过处理得到的当前状态下装置所需要发出的有功、无功分量，达到补偿电网侧无功功率目的，同时电流内环控制也是实现相间和相内电压平衡的关键。此项控制的精确程度决定装置的补偿效果，通过不同的算法来决定装置的不同补偿模式，从而解决不同现场的不同问题。

相内平衡控制是把每相单元的直流侧电压与设定的参考值进行比较，得出偏差值进行闭环控制，来矫正相内直流侧电压以保证装置的稳定输出。

传统的系统控制策略为：首先采集电网侧电压，进行锁相，提取计算出电网的实时相位并传递给控制器，控制器把补偿电流与其相位进行同步，再经过电流环进行计算输出所需要的补偿电流，与此同时实时监测单元内部的直流电压和相间的电压值，通过比例积分（proportional integral, PI）调节进行电压控制以保证装置稳定输出。

随着设备长时间运行或者设备处在温度较高的工况下，会出现损坏元件的现象，严重时会发生爆炸事件，危及装置及人身的安全。

为了解决上述问题，本文将控制策略升级，在电流环部分加入温度控制，不仅不消耗额外的有功功率，而且针对不同用户的需求，装置还提供了三种控制模式，包括电压控制、功率因数控制及无功控制，可根据不同的现场和不同的需求进行调整，以达到最好的补偿效果。

控制策略设计流程如图3所示，通过采集补偿装置柜体、IGBT、电抗器的温度参数传递给控制器，计算处理后与设定的限容温度给定值进行无差调节，其输出的结果改变静止无功补偿发生器的无功电流环输出，进而改变装置的容量，达到控制温度的目的。

图3  控制策略设计流程

控制策略实现流程如图4所示，首先通过采集模块采集各个通道下柜体的温度，利用通信协议传递给控制器进行分析比较，得到最大值，与用户在系统中设定的柜体温度限容值进行比较，得到柜体温度PI闭环控制的输入信号，闭环控制结束后，当输出值大于0时，输出值取0，当输出值小于-1时，输出值取-1，然后把柜体温度PI闭环输出值进行处理，得到柜体温度控制限容系数；其次检测多个通道的IGBT温度，进行同样处理得到IGBT温度控制限容系数；继续检测多个通道的电抗器的温度，得到电抗器温度控制限容系数。

最后将补偿装置柜体、IGBT、电抗器的三组温度控制限容系数相乘，得到总的温度控制限容系数；在将总温度控制限容系数与静止无功补偿发生器负载侧无功电流检测值相乘，得到静止无功补偿发生器无功电流PI环的指令值，传递给控制器进行输出，通过自动改变补偿装置的输出电流，来改变装置的容量，进而降低装置的各个元件的温度。

图4  控制策略实现流程

通过此设计方法可以解决静止无功补偿发生器超温所引发的一系列问题，同时延长了装置的寿命，提高了装置的稳定性，此技术已经成功应用在实际设备中并稳定运行。

3  实验验证

为了验证本文设计的控制策略，在75A/220V的实验样机上进行测试，如图5所示。当装置正常工作时，补偿装置柜体、IGBT的温度都在限定值范围内（见表1），此时通过上位机可以观察到装置满载工作并输出75A的补偿电流（见表2）。

图5  实验样机

表1  正常工作时温度

表2  正常工作时的装置补偿电流

为了模拟超温时的状态，把装置放在老化室中使其温度达到限定值以上（见表3），装置开始进行自动限容，通过实时观察发现，此时补偿电流已经降低到51A（见表4），观察温度也降到规定温度以下（见表5），同时截取示波器中的电流变化波形如图6所示，图6更直观地显示了补偿电流的变化，既证明了实时性又验证了控制算法的可行性。

表3  超温下的装置温度

表4  降容后的的补偿电流

表5  降容后的温度

图6  示波器中的电流波形

4  结论

本文所提自动限容控制策略是当检测到静止无功补偿发生器装置柜体、IGBT、电抗器的某处超温时，通过降低装置的无功补偿输出电流，进而降低装置的温度。当温度下降到限容温度给定值以下时，装置又会恢复正常的补偿电流。为了延长装置的寿命，此控制策略只是起到保护装置软件的作用，不会对装置容量产生严重影响。

此外，如遇到特殊的工况需要静止无功补偿发生器具备短时过载能力时，可以在出厂前进行特殊设置。此技术可在高压设备需要时加入，具有很好的适应性。本文通过实验证明了该控制策略的有效性和正确性，具有一定的工程意义。

本文编自2021年第6期《电气技术》，论文标题为“自冷式静止无功补偿发生器的控制策略”，作者为焦绪强、朱耿峰、陈啸旭、息鹏。