交流滤波器母线保护（精选五篇）
交流滤波器母线保护 篇1
在高压直流输电系统中,交流滤波器是十分重要的设备,换流站配置的交流滤波器有滤除换流器产生的谐波电流和向换流器提供无功两个任务。一般由RLC组成无源交流滤波器,通过各参数之间的配合,让其调谐于相应的谐波频率上[2]。
1 交流滤波器差动保护
交流滤波器结构简单,通常由并联电容器(SC)、双调谐滤波器(DT13/36和DT11/24等)和高通滤波器(HP3)组成。不同阻频特性的交流滤波器,其区别仅仅在于电阻、电容和电感的参数,但保护配置基本一致,差动保护作为交流滤波器的主保护,能够反映交流滤波器接地和相间短路故障。不失一般性,以SC接线的交流滤波器差动保护为例。
比率制动式差动保护是滤波器的主保护,由比率差动、差流速断和差流越限告警组成。其动作方程如下所示:
Iop差动电流,Iop.0动最小动作电流整定值,Ires为制动电流,Ires.0为最小制动电流整定值,S为比率制动系数,各侧电流的方向都以指向滤波器为正方向。其中,制动电流取接地侧电流而非常规的。此种选取的好处在于当滤波器内部发生接地或者相间故障时,制动电流很小,差动保护灵敏度极高。而当区外故障时,由于滤波器阻抗较大,流过差动回路的穿越性电流很小,差动保护可靠不误动,见下文的验证[3]。
2 差动保护整定计算
侨乡换流站SC接线滤波器一次参数,额定的容量为227Mvar,额定的电压为525kV,高压电容器容抗Z1=j1 215.5Ω,低压电抗器电Z2=j0.5Ω。
基波阻抗Z1=-j1 215.5+j0.5=-j1 215Ω。
依据文献[4],交流滤波器差动保护整定如下。
2.1 K2点单相金属性接地的短路电流计算
TA1电流:ITA1=IK3=249.4A;
TA3电流:ITA3=OA。
2.2 K3点单相金属性接地的短路电流计算
TA1电流:ITA1=IK3=249.5A;
TA3电流:由于短路支路与TA3支路平均分配电流,因此,ITA3=249.5/2=124.75A。
最小动作电流:由2.1和2.2可知,金属性短路情况下,最小短路电流为K3点发生单相接地短路,约为额定电流的0.5倍,取1.5倍的灵敏度,即为0.5/1.5=0.33Ie[5]。
最小制动电流:为了使滤波器在区内故障差动可靠动作,而区外故障不误动,最小制动电流取Ie。
比率制动系数:原则上按照区外短路故障最大穿越性短路电流作用下可靠不误动条件整定,由于交流滤波器的特殊结构,其阻抗较大且中性点直接接地,因而:①低压侧区外发生短路故障后,没有穿越性电流;②高压侧区外三相短路后,TA1和TA3流过交流滤波器的放电电流,没有穿越性电流;③高压侧区外接地短路后,,TA1和TA3流过穿越性零序电流,但由于滤波器零序阻抗较大,零序电流较小;④由于电容器电压不能突变,因而当合闸于电压相位为90°时,产生的冲击电流最大,TA1和TA3流过穿越性电流。
由上述分析可知,由于电容器结构和参数的特殊性,传统意义上的比率制动系数整定方法在此并不完全适用。滤波器差动保护的比率制动系数应按躲过合闸时最大冲击电流所产生的最大不平衡电流来整定。
目前直流输电中滤波器合闸操作都是经选相分合闸装置,由选相分合闸装置实时计算出合闸的最佳时刻,再发出合闸命令,使得冲击电流最小,因而实际中最大冲击电流不会太大,暂取4个标幺,则合闸时最大差流:Iop.max=KrelIunb.max=KrelKapKccKerIsh/na=1.5×2×1.0×0.1×4Ie=1.2Ie;最大制动电流:Ires.max=I2=Ie;则比率制动系数:S=(Iop.max-Iop.0)/(Ires.max-Ires.0)=(1.2-0.33)/(4-1)=0.29,考虑到一定的裕度,比率制动系数取值S=0.5。
速断电流定值:速断是比率差动保护的补充部分,一般需躲过合闸时产生的最大差流,此处取2Ie[6](见表1)。
3 差动保护动作行为
下面分析交流滤波器在区内外故障时差动保护的动作行为。
①高压侧区外相间短路时,没有短路电流流过交流滤波器,滤波器放电,TA1和TA3上的电流由故障之前的电流慢慢衰减至0,此时差流为0,差动保护可靠不误动。
②高压侧区外接地短路时,由于滤波器中性点直接接地,有零序电流流过TA1和TA3,形成穿越性电流。以区外单相接地为例,其故障序网图如图2所示。
X*s1、X*s2和X*s0分别是系统正序、负序和零序阻抗的标幺值,是滤波器零序阻抗标幺值。则单相接地时流过滤波器零序电流:。
在高压直流输电中,交流电压等级也较高,这里取525kV进行验算,在基准容量100MVA下的基准阻抗为2 756.25Ω,滤波器的零序阻抗等于其基波阻抗j1215Ω,则滤波器零序阻抗的标幺值756.25=0.44。在525kV系统里,通常只有千分之几,所以流过TA1和TA3的穿越性零序电流很小,差动保护可靠不误动。
③低压侧区内(K2处)接地故障,见上述整定计算,此时差动电流很大,制动电流为滤波器放电电流,差动保护可靠动作。
④高压侧区内相间短路时,相当于交流母线两相短路,TA1流过很大短路电流,差动电流很大,制动电流为滤波器放电电流,差动保护可靠动作。
⑤低压侧区内(K3处)相间短路时(以AB相间短路为例),此时流过A相TA1电流,流过A相TA3电流,差动电流:,差动保护可靠动作。
⑥断路器合闸产生的冲击电流由比率制动系数确保其可靠不误动[7,8]。
4南网交流滤波器RTDS试验
南方电网于2012年5月到7月期间在许继集团进行了糯扎渡直流输电交流滤波器保护装置RTDS试验。为了验证差动保护的可靠性,对于区外故障,按照最不利于保护的情况,选取图3中K1处的三相金属性短路和合闸角度为90°时的实验项目,此时差动保护应可靠不误动。对于区内故障,按照最不利保护情况,即图3中K3点处单相金属性接地,此时差动保护应可靠动作。
以上波形分别由实验项目1.22(功率传输方向为普洱到江门,单极大地运行方式下,输送功率250MW时,K1点三相金属性接地,故障持续100ms)、项目2.01 (阀处于闭锁状态,单极大地运行方式下,输送功率0MW时,手动投切交流滤波器,合闸角度为90°)和项目1.08(功率传输方向为普洱到江门,单极金属回线运行方式下,输送功率2 500MW时,K3点A相金属性接地,故障持续100ms)得到[9]。
5结语
从差动保护的整定计算、区内外故障下及合闸冲击下的差动保护动作行为和RTDS数据波形都能看出,鉴于直流输电中交流滤波器特殊结构而采用的新型差动保护判据,既能够有效地防止区外故障和合闸冲击引起的差动保护误动,又能在交流滤波器区内故障时灵敏动作。该保护已成功应用于天广、云广、高岭、宁东和溪浙等直流输电工程,目前运行情况良好。
参考文献
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交流滤波器电容不平衡保护动作分析 篇2
电容器不平衡保护作为交流滤波器高压电容器组的主保护,采用电容器不平衡电流(校正后)与接地侧电流计算出来的比值与整定值比较的实现方式,监测电容器组单个或少数几个组件损坏时及时报警,并按照设定的紧急程度延时或者立即跳开故障交流滤波器组。
1 电容器不平衡保护动作情况
2016年某月某日某时,某换流站直流功率4 000MW运行正常,5613并联电容器组比值不平衡三段跳闸,5611并联电容器组自动投入运行。交流滤波器高压电容不平衡保护动作报告如表1所示。高压电容器不平衡保护定值及交流滤波器装置系统定值分别如表2和表3所示。
2 高压电容器不平衡保护原理
按照交流滤波器保护设计规范,电容器组中一个电容元件的损坏会引起电容器组H桥上电流(不平衡电流)的明显变化。由于制造偏差,H桥上会存在一个初始不平衡电流,因此在首次投入使用或更换电容器元件时需要初始化该不平衡电流。该保护只对基波电流敏感,保护以入地电流为参考电流,采用比值不平衡方法。
3 保护动作原因分析
调取故障录波仪录波波形后发现,故障录波装置故障时刻B相不平衡电流值2.4A,接地电流值0.4A,比值远大于0.99,保护正确动作,如图1所示。
调取第一套保护装置内故障录波波形后发现,故障时刻B相不平衡电流值2.6A,接地电流值0.4A,比值远大于0.99,持续时间为39ms,保护启动未动作,如图2所示。
调取第二套保护装置内置故障录波波形后发现,故障时刻B相不平衡电流值2.5A,接地电流值0.4A,比值远大于0.99,保护正确动作,如图3所示。
根据故障录波仪的波形分析保护装置第二套动作时,不平衡电流已经呈下降趋势。
从第二套保护动作波形上可以看出,第二套保护动作时,不平衡电流B相基波值呈下降趋势。第二套保护动作时间为58ms,保护动作时计算不平衡比值为0.437/0.415=1.053,波形比值呈现下降趋势。
根据以上推测,第一套保护比值不平衡3段定值满足要求,在延时时间没有到的情况下,因为不平衡电流减小,比值不平衡3段定值小于定值,保护未动作。保护装置动作行为正确。
该保护动作后,经现场检查发现,5613小组滤波器T1外观正常,SF6表计压力正常;5613小组滤波器围栏内设备外观检查无异常,5613电容器下方存在1只鸟尸体。
高压电容器桥臂电容测试情况如表4所示。
经过上述排查分析,该次交流滤波器跳闸系飞鸟误触碰触发的交流滤波器高压电容器不平衡保护动作。经咨询客户,该换流站交流滤波器高压电容器不平衡保护多次因鸟禽误触碰发生跳闸事件。
4 解决措施
某换流站处于沿海地区,禽类活动比较频繁,客户在多次发生该类型保护动作后已加装驱鸟设备,以达到减少交流滤波器非正常停运时间的目的。但是,原来的驱鸟设备采用手动启动的方式,存在投入交流滤波器前遗漏触发驱鸟设备,未能有效防范鸟害的情况。
5 结论和建议
根据上述分析,建议采用投切滤波器联动投切驱鸟设备的方式来解决该现象:通过后台下发预投入交流滤波器的状态接点给相应交流滤波器组的驱鸟设备,来达到自动启动驱鸟设备,减少因鸟害误启动交流滤波器高压电容器不平衡保护发生的概率。
参考文献
交流滤波器母线保护 篇3
2009年9月以来,云广直流逆变侧双调谐交流滤波器(DT 11/24)运行中多次发生电阻基波过流保护异常动作跳闸、且两套冗余保护系统动作行为不一致的事故。这既干扰了直流系统的正常运行,严重危害了交流高压开关、高压电容器等设备的安全,也给现场维护人员带来很大困惑。
本文根据云广直流逆变侧现场运行过程中交流滤波器保护的几起异常、跳闸事故,分析了保护动作行为不一致的原因及保护装置在延时方面的问题,提出保护延时改进措施,同时在RTDS上进行了仿真试验和故障录波回放试验。
1 交流滤波器保护简介及运行实例
1.1 电阻基波过流保护的原理及配置
云广直流逆变侧交流滤波器保护功能通过数字式多微处理器系统SDR-101A继电装置实现[1]。各种类型的交流滤波器小组保护配置相同,每一小组由两套保护系统构成冗余配置,两套系统在物理和电气上完全独立。
为了保护交流滤波器组中的电阻元件,防止交流滤波器过电流损坏,交流滤波器保护中配置有电阻基波过流保护[2]。当电阻上流过较大电流并持续达整定延时后,该保护动作出口,跳开交流滤波器。
电阻基波过流保护的判据为“I>Iset”,其中I为经全周傅里叶算法计算得到的电阻基波电流[3,4]。云广直流逆变侧电阻基波过流保护过流3段的延时整定为50 ms。
1.2 运行实例
2009年9月30日,直流系统功率由700 MW调整至1 000 MW过程中,573交流滤波器电阻基波过流3段保护动作跳闸。573交流滤波器小组保护系统仅系统1出口跳闸;系统2无动作信号,也未出口。
2009年10月13日,功率调整中投入593交流滤波器,SER显示593保护系统1电阻基波过流3段保护动作跳闸信号,但593交流滤波器实际未跳开;593保护系统2无动作信号。
2009年11月10日,直流系统运行过程中发生网侧扰动,573交流滤波器保护系统1电阻基波过流3段保护动作跳闸。573交流滤波器小组保护系统仅系统1出口跳闸;系统2无动作信号,也未出口。
2 事故分析
2.1 保护动作行为分析
SDR-101A继电保护装置采用双CPU插件[5],其硬件原理简图如图1所示。
由图1可见,装置有两个完全冗余的CPU,保护判据由两个CPU独立计算、判断,两个CPU采用“与”门的出口方式。
上述异常、事故发生后,读取保护装置内故障录波。保护装置内各CPU动作情况如表1。
由表1可以看出,9月30日及11月10日573交流滤波器的两次跳闸中,保护系统1两个CPU均动作,系统1出口跳闸;保护系统2只有CPU2动作,不满足“与”门出口条件,故系统2不会出口跳闸。10月13日593交流滤波器因两套系统各只有一个CPU动作,故均未出口。
2.2 故障录波分析
根据以上分析,可以确定保护动作行为的不同是由于CPU动作的差异所致。导致CPU出现动作差异的原因分析如下。
由于交流滤波器中大量电容器件的充放电过程,在直流系统和交流系统的各种特殊工况下,如投切滤波器、直流功率调整、电网扰动等,会导致交流滤波器上流过较大的冲击电流[6,7]。图2和图3是9月30日功率调整期间573交流滤波器跳闸时,573交流滤波器保护系统1内CPU1和CPU2所记录的电阻电流波形。
对比图2和图3可见,功率调整时滤波器流过较大的瞬时性冲击电流,而同一套保护系统的两个CPU对冲击电流的录波波形相差较大。
由图1可知,SDR-101A装置的两个CPU各自有独立的采样、A/D转换模块。由于两个CPU之间没有采样同步信号,因而采样的时刻并不完全一致;在有冲击电流的暂态过程中,由于冲击电流的变化率很大,CPU之间微小的采样时差会引起较大的数据偏差,出现图2和图3之间波形上的差异。采样数据的差异直接导致全周傅氏算法的计算结果不同。
由于暂态冲击电流的作用,同一保护系统内的两个CPU感受到不同的采样值,导致计算结果存在偏差。若其中一个CPU计算结果未达到动作值,则该CPU不会动作。可以断定,这就是表1所示CPU动作不一致的原因所在。
3 存在问题及措施
3.1 存在问题
通过以上分析可知,冲击电流是导致保护动作特性不一致的根本原因。而滤波器在正常运行期间,对于如功率调整、滤波器投切等正常操作造成的瞬时性冲击应能可靠躲过,不应出现保护动作。那么为什么在实际系统中会出现保护动作出口的情况呢?
由图2可见,电阻电流Ic在达到动作定值0.24A后,仅延时19.17 ms便置动作标志位,而电阻基波过流3段延时整定值为50 ms。实际的动作标志置位时间与延时整定值不一致。
造成动作标志置位时间与延时整定值不同的原因是:保护装置从判断故障发生到继电器动作出口,其中包括了数据窗计算时间、保护逻辑判断时间、延时整定时间和继电器固有动作时间。考虑到以上几点,若按定值单的延时整定时间来置位动作标志,保护装置的实际动作时间总会大于保护的延时整定时间。特别对于短延时保护,时间偏差的相对值将会较大。
为降低时间偏差,保护装置生产厂家在延时整定值中减去一个固定时间作为延时补偿,使保护的动作时间与延时整定值相一致。
云广直流逆变侧SDR-101A系列小组滤波器保护针对延时整定值为50 ms的电阻基波过流3段保护进行了30 ms的延时补偿,因此保护动作标志置位时间为50-30=20 ms。这与图2所示19.17 ms的动作时间基本一致。
由此可见,造成交流滤波器保护多次跳闸的原因是:调整功率、滤波器组投切时,滤波器上流过的冲击电流超过电阻基波3段定值,而由于保护内部设置延时补偿,导致实际延时置位较短未躲过冲击,保护出口跳闸。
3.2 解决措施
从图2、图3可知,冲击电流为瞬时性,持续时间仅为20~30 ms。若保护延时能按照延时整定值50ms执行,则完全可以可靠躲过冲击电流,避免冲击所致的误动。针对以上情况对软件进行修改。其保护范围、动作定值均未改变,与原有保护的区别在于:取消电阻基波过流3段保护内原有的30 ms延时补偿,使实际动作标志置位时间等于延时整定值50 ms。
4 RTDS实时仿真试验分析
为了验证改进后的电阻基波过流3段保护能有效避免功率调整、滤波器组投切时的误动,在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心进行了多项RTDS仿真试验。
4.1 RTDS数据回放仿真结果
将几次异常、事故的数据波形通过RTDS进行回放,试验结果如表2所示。
4.2 RTDS数字仿真结果
利用RTDS实时仿真系统模拟升降直流功率试验。试验结果显示,在直流功率上升过程中,其他交流滤波器的投入会使被保护对象流过较大的冲击电流,且达到电阻基波过流3段动作定值。此时原保护程序有误动现象,新保护程序可靠不动。RTDS仿真波形如图4所示。
RTDS模拟投切滤波器组试验的结果同样显示,在交流滤波器投入时产生的冲击电流会导致原保护程序误动,而新保护程序可靠不动。RTDS仿真波形如图5所示。
4.3 仿真结果分析
由以上RTDS仿真试验结果可知,直流功率升降、滤波器组投切过程中,的确会产生冲击电流。该电流的特点是数值较大、持续时间较短,在设计及整定保护装置时,应充分考虑设定合理的延时以躲过瞬时性冲击。波形数据回放和数字仿真的实验结果均表明,修改后的保护能够可靠避免冲击电流导致的保护误动。
5 结论
保护生产厂家依据《继电保护和安全自动装置基本试验方法》检测保护动作时间,而保护装置本身存在固有动作时间。对于短延时保护,装置的固有动作时间会导致保护动作时间与整定时间之间相对偏差较大。考虑到延时整定的精度,保护厂家在延时整定值中减去固定时间作为延时补偿。云广直流逆变侧功率调整、滤波器投切时保护多次异常跳闸,原因在于设置延时补偿后,短延时保护置位时间较短,未能有效躲过冲击电流所致。
本文在分析保护的动作行为的基础上,指出延时时间与保护装置动作时间存在差异,并提出延时改进措施,进而利用RTDS数字仿真系统进行了数据回放,并模拟再现直流功率升降、滤波器组投切的过程。试验结果表明,修改后的保护可有效避免冲击电流造成的误动。
参考文献
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交流滤波器母线保护 篇4
关键词：交流滤波器,末端穿越电流,采集板卡
交流滤波器是换流站十分重要的组成部分, 主要用于补偿换流器消耗的无功, 同时对交流母线电压的稳定具有十分重要的意义。以某换流站曾出现的一起因交流滤波器保护装置内部交流采集板卡故障导致保护误动事件为例, 对故障原因进行了深入分析, 提出了针对类似问题的改进措施。
1 事故过程概述
某换流站5613交流滤波器投入运行40ms后, 5613滤波器保护Ⅰ比例差动动作, 后台收到5613交流滤波器保护1装置跳闸信号。现场检查一次设备无异常, 5613交流滤波器保护1装置跳闸灯亮, 装置显示比率差动动作, 5613交流滤波器保护2装置无保护启动信号。
2 故障原因分析
5613滤波器类型为并联电容器, 采用两套保护装置型号及配置完全一样的双重化保护方式, 即保护1和保护2, 保护装置比例差动动作特性如图1所示, 动作方程如下:
其中Ie为交流滤波器额定穿越电流, Id为差动电流, Ir为制动电流。
对于比率差动的两个拐点电流, 装置分别取为0.2Ie和1Ie。故障时, 首端调整B相电流:1.01Ie, 末端调整B相穿越电流:0.00Ie, 制动电流Ir=max{1.01, 0}Ie=1.01Ie, 启动电流Icdqd=0.3Ie, 三段比例系数依次为0.2、0.4、0.75, 第一个拐点对应的差动电流值Id1=0.34Ie, 第二个拐点对应的差动电流值Id2=0.66Ie, 故障时, 制动电流在第二个拐点1Ie之后, 比例系数为固定值0.75, 差动电流Id=1.01Ie, (1.01-0.66) / (1.01-1) =35>0.75, 差动电流落在动作区, 保护装置比例差动动作跳闸。
查看小室故障录波装置故障时刻波形, 故障时5613交流滤波器首端电流、末端穿越电流均无异常, 故障录波装置5613末端穿越电流采样是从5613交流滤波器保护装置1中串联, 因此本次故障跳闸初步判断是由于5613交流滤波器保护装置1未采集到B相末端穿越电流引起, 5613交流滤波器两套保护电流回路如图2所示, 其中T33、T34分别为末端穿越CT T3的两个绕组。
从本次事件可以看出, 保护装置1比例差动动作, 保护装置2未动作, 并且从保护装置1串入录波装置的首端CT电流和末端穿越CT电流均正常, 未发现明显差值, 通过继保仪直接在屏柜内二次端子注入试验电流, 加入电流后, 保护装置1仍然采集不到末端穿越CT B相电流, 至此最终确定故障点在保护装置1采样回路, 保护装置1采样回路如图3所示。
末端穿越二次电流从装置内部采集板卡上CT一次绕组首端流入, 从一次绕组末端流出然后进入录波装置。故障时, 录波装置采集到的末端穿越电流无异常, 而保护装置1采集的B相末端穿越电流为0, 至此基本可以确定故障范围为装置内部采集板卡及之后的采集回路, 更换了采集板卡后, 故障消除。采集板卡小CT由一次绕组、二次绕组、铁心组成, 二次绕组紧密绕在塑料骨架上, 二次绕组外包绝缘层、屏蔽层后绕一次绕组, 一次绕组外包绝缘层。一次、二次绕组引出线为漆包线, 引焊到底部针脚位置, 由PCB出线。通过对更换下的采集板卡进行检测, 发现板卡上连接末端穿越CT B相电流小CT二次绕组引出线在焊接处断开, 导致二次侧无信号输出, 这是导致本次故障的根本原因。
3 故障暴露的问题及改进措施
交流滤波器母线保护 篇5
并联型有源滤波器(shunt active power filter)补偿有功分量的能量由直流母线电容提供,而它本身并不能产生能量来维持电容电压,所以必须采取一定的措施与电网交换能量来稳定直流母线电压,目前控制直流母线电压的主要方法是采取一定的控制策略在指令电流中叠加一个基波分量来完成[1,2,3]。针对直流母线电压控制这一问题,有不少文献采用各种方法来实现直流母线电压控制:有简单的PI调节,即将直流母线实际电压与给定电压的偏差经PI控制器运算得到补偿直流电压的有功分量实现直流母线电压控制[4];有结合模糊控制算法实现控制,有用滑模变结构实现控制[5],但这里都有一个问题,那就是没有弄清指令电流和叠加的有功分量比例关系,把母线电压单独控制,忽略电流内环的影响[6,7,8,9]。虽然文献[1]提出要设计限幅器,但也没有能够设计出合理的限幅器,建立传递函数模型分析时还特意忽略其影响,而其他文献基本未提及此问题,实际上若无合理幅值的限幅器,不仅直流母线电压不能快速提升或者快速上升而超调过大,从而影响补偿能力;也有可能叠加的基波分量过大超过指令电流的幅值导致开关次序混乱使系统崩溃,直流母线电压骤升造成破坏。针对直流母线电压控制快速性与稳定性要求之间的矛盾,本文在研究了各种不同控制方法和不同幅值的限幅器控制电压的仿真结果后,提出一种基于PI控制和模糊变限幅相结合的直流母线电压控制策略[10],仿真和样机试验结果验证了该算法的有效性。
1 并联型APF直流母线电压控制原理
并联型APF直流母线电压控制原理整体框图如图1所示。
图1中,Udc是直流母线电压的给定值,udc是直流母线电压的实际值,两者之差经PI控制器、限幅后得到的调节信号Δip被叠加到实际电流i′p经霍耳电流传感器测量值i″p上,这就使得有源滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量,然后再和指令电流ip叠加来控制开关元件的通断,从而能够交换能量,使直流母线电压在给定值附近允许范围内波动。当udc比Udc小时,经PI控制器的作用,使得Δip为正,在这个指令电流的作用下,补偿器在对谐波电流进行补偿的同时,从电网吸取相应的有功功率,使得母线电压上升直至给定值。反之,当udc比Udc大时,经PI控制器的作用,使得Δip为负,在这个指令电流的作用下,补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时,将向电网释放相应的有功功率,使得变流器的直流侧电容电压下降直至给定值。限幅器幅值是由模糊器根据电压偏差ΔUdc和电压偏差变化率ΔU′dc制定模糊规则来改变的。为了保证直流母线电压范围在APF容量之内不至于过大而引起系统振荡,需合理设置参数来控制直流母线电压。
2 限幅器的非线性分析
对图1所示的直流母线电压控制系统,限幅器的非线性对系统的性能影响是关键,因此需要重点研究限幅器这个非线性环节对系统的稳定性、控制效果的影响,建立图1所示的系统的传递函数模型,经简化合并后得到图2所示的模型。
图2中,M是限幅器的幅值,a是非线性转折点,T1是霍耳电压传感器等效时间,T2是霍耳电流传感器等效时间,Ti是电流控制器内环等效时间,R+sL为电感及电阻等效传递函数,1/sc为母线电容传递函数,Aω2c/s2+ωcs/Q+ω2c为二阶低通滤波器传递函数,K1为直流母线电压增益。其中因为电流内环PWM开关频率比较高,电流内环用一个小惯性环节替换并不影响直流母线电压控制效果。将APF实验样机参数代入得到传递函数模型如图3所示。
对图3所示带入参数的直流母线电压控制模型,取限幅器的谐波线性化函数为
令u=a/A,对N(u)求导得
当A>a时,u<1,dN(u)/du,N(u)为u的增函数,N(A)为A的增函数,-1/N(A)也为A的增函数,做出线性部分的Nyquist曲线和-1/N(A)曲线如图4所示。
图4表明PI控制器的参数Kp,Ki增大时不利于系统的稳定,要合理选取PI参数来避免系统的不稳定和改善系统的动态性能。当-1/N(A)曲线沿A增大方向,由不稳定区域进入稳定区域时,系统有稳定的周期运动,为使系统稳定运行,应避免使两条曲线有交点而出现自振荡。
做出系统线性部分增加PI调节器的Bode图如图5所示,其中系统参数参考图3所示。图5表明PI调节器能够显著改善系统性能。
3 PI控制器设计
根据图4、图5分析方法和结论,可以设计出合理的PI控制器。不考虑限幅器的饱和非线性作用时,控制器输出量ΔIp与直流母线电压偏差ΔUdc的关系为
根据APF系统性能要求,合理选择PI参数。按照100 kV·A的APF直流母线电压需求,令Udc=800 V,设电流环所需跟踪指令电流为ip=160sin(100πt)+20sin(500πt)+7sin(700πt),设计不同幅值的限幅器,利用Matlab软件仿真出的直流母线控制效果如图6所示。
4 模糊变限幅控制器设计
由图6可见,不同幅值的限幅器直流母线电压控制效果不同,限幅器幅值越大,上升时间越快,但超调与稳态误差越大;限幅器幅值越小,上升时间越长,但超调与稳态误差越小,限幅器的幅值取M=30效果稳态误差与超调量最理想,取M=45时上升时间最短,因此为了获取更好的动态性能,有必要设计出根据性能指标要求来改变限幅器幅值的控制器,将多种不同的限幅器的优点结合起来,获取最佳的动态性能。考虑到PI控制器在工程上实现简单可靠,而限幅器变幅值能够获取更好的控制效果和动态特性,特设计出根据电压偏差ΔUdc和电压偏差变化率ΔU′dc制定模糊规则的变限幅的模糊控制器,在不同条件下切换。选择电压偏差ΔUdc和电压偏差变化率ΔU′dc作为输入变化量,按照直流母线电压快速上升,快速稳定在一定范围之内的要求,选择合适的限幅器幅值。对应的模糊规则设置为
If ΔUdc is U1 and ΔU′dc is U2,then M is m其中,U1为电压偏差ΔUdc对应的语言变量;U2为电压偏差变化率ΔU′dc对应的语言变量;m为限幅器幅值M对应的语言变量。因电压偏差、限幅器幅值、电压偏差变化率都是对称的,取绝对值即可。为了证明变限幅的限幅控制器的优点,同时使数字控制器上编程实现简单,将语言变量个数取少一点,设语言变量U1取:B,N,S,Z;语言变量U2取:B,S,Z;语言变量m取B=40,NB=30,N=25,S=20。其中,B为大,N为中,NB为中大,Z为零,S为小。建立模糊规则如表1所示。
相应的直流母线变限幅的模糊控制原理框图如图2所示。
5 仿真及试验
根据以上研究结论,利用Matlab建立仿真模型进行分析。按照技术手册提供的参数取T1=200 μs,T2=1 μs,R=0.1 Ω,L=3 mH,C=5 000 μF,A=2,Q=1,因系统采样频率为12.8 kHz,取Ti=90 μs,截止频率取ωc=5 Hz,图7中变限幅控制器的幅值取M=45,1,35,28,固定的限幅器幅值取M=35。
从图7可以看出不同的控制器动态性能差别较大:无限幅控制超调σ=18.20%,上升时间tr=0.135 s,稳态误差e=2.5%;固定限幅控制超调σ=17.13%,上升时间tr=0.132 s,稳态误差e=1%;变限幅控制超调σ=6.25%,上升时间tr=0.13 s,稳态误差e=0.5%,总体上讲,模糊变限幅控制器控制效果要优于固定限幅器和无限幅控制器的控制效果。
根据仿真结果及相应的参数,搭建APF样机模型,验证算法。因为直流母线电压上升快,无法获取上升时间信息,所以利用DSP仿真软件CCS3.3采集数据后,再用Matlab画出的直流母线电压传感器传回的一个周波20 ms、增益为10的电压曲线。
由图8中电压传感器传回的电压曲线可见直流母线电压在稳定时波动不大(11.93～12.10 V),较好地稳定在一个允许的范围内(稳态误差e<0.99%,控制电压期望值转换成传感器上测量值等于12.16 V),验证了控制算法的有效性。
6 结论
从仿真及试验效果来看,模糊变限幅控制能够比固定限幅控制、无限幅控制获取更好的动态性能;另外变限幅控制器数字实现也很容易,适合工程应用。
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