配電網柔性接地裝置控制系統及其參數設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種配電網柔性接地裝置控制系統。本發明還涉及所述控制系統參數 的設計方法。
【背景技術】
[0002] 由于我國配電網慣行的接地方式、線路架設方法與線路中電壓互感器及補償電容 的不對稱分布，使得我國配電網長期存在三相對地參數不對稱的情況，容易引發三相不平 衡過電壓。三相不平衡過電壓會給電力系統及用戶帶來一系列的危害，包括：降低配電變壓 器的出力，危及變壓器的安全與壽命；增加電動機和輸電線路的損耗；影響用電設備尤其 是單相負荷的正常運行；各相電壓不對稱還會危及系統的絕緣，并給故障檢測帶來困難，容 易導致保護裝置誤動作。一旦在不平衡的情況下發生故障，還可能導致系統進入諧振狀態， 使中性點位移電壓迅速增大，導致供電設備無法正常工作，影響配電系統供電可靠性。
[0003]目前國內外已有的配電網三相不平衡治理方法包括：（1)改變系統接地方式；⑵ 手動/自動投切電容/電抗器組；（3)使用電力電子設備控制的靜止無功補償裝置；(4)使 用柔性接地裝置。改變系統接地方式常用經消弧線圈接地或消弧線圈串聯電阻接地，但該 方法在系統運行方式發生較大變化時可能導致諧振的發生，帶來更大的不平衡過電壓；使 用投切電容/電抗器組方式抑制三相不平衡時，投切時間及投切容量均由系統以往的運行 經驗推測、計算得來，難以精確快速地達到抑制要求；靜止無功補償裝置采用電力電子及現 代控制技術，動態性能優良，但這些裝置的主要功能是對負荷不平衡引起的線路無功缺額 進行補償，只能減小輸電線路上的電壓偏移，并不能對中性點位移電壓進行補償。而使用柔 性接地裝置，通過逆變電路向配電網中性點注入零序電流，調整該電流的幅值和相位來控 制系統零序電壓，從而可從根本上實現對三相不平衡過電壓的抑制，因此具有十分廣闊的 應用前景。
[0004]但現有技術中未發現有針對柔性接地裝置的控制系統及其參數設計方法。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種配電網柔性接地裝置控制系 統。
[0006]本發明所要解決的第二個技術問題，就是提供所述控制系統參數的設計方法。
[0007]采用具有本發明參數的配電網柔性接地裝置控制系統，可實現對柔性接地裝置快 速、精準的控制，有效避免因參數設計不當造成的控制系統振蕩，三相不平衡電壓抑制率偏 低，響應速度偏慢等問題。
[0008]解決上述第一個技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0009] -種配電網柔性接地裝置控制系統，所述的配電網等效為并聯的對地電阻及對地 電容&及Cs，所述的柔性接地裝置為：單相逆變器經注入變壓器與配電網中性點相連，其輸 出電流i。經LC濾波后注入配電網中性點；其特征是：所述的控制系統包括：
[0010] 依次連接的第一合并比較模塊、一SPIR控制器、第二合并比較模塊和脈沖生成模 塊，以及一比例放大模塊Hi;
[0011] 所述第一合并比較模塊采樣輸入柔性接地裝置的輸出電流％并與注入電流參考 值iraf比較后輸出差值，所述SPIR控制器由比例積分控制器（PI)與比例諧振控制器（PR) 串聯構成，所述第二合并比較模塊輸入柔性接地裝置濾波電容電流（U并經所述比例放大 模塊Hi放大后與SPIR控制器的輸出合并比較最后輸出至所述柔性接地裝置單相逆變器。
[0012] 控制系統具體運行原理為：柔性接地裝置中的單相逆變器經注入變壓器與配電網 中性點相連，其輸出電流經LC濾波后注入配電網中性點，控制系統對柔性接地裝置輸出電 流ic(即注入電流）進行采樣后，與注入電流參考值iraf比較，將其差值經SPIR控制器調節 后，與電容電流反饋環節相疊加后產生調制波，經脈寬調制后得到觸發脈沖信號，控制逆變 器IGBT的通斷，從而實現對輸出電流的反饋控制。
[0013] 解決上述第二個技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0014] 一種上述控制系統參數的設計方法，其特征是：所述的控制系統參數按以下公式 計算：
[0015]
[0016] 其中，私表示電容電流反饋系數；表示PI控制器比例、積分系數；kp_PR& k彥示PR控制器比例、諧振系數；LQ、C。為逆變器濾波電感及電容；CS、RS為配電網等效電容 及電阻；kPWM為逆變器增益，f#為IGBT開關頻率；ω。為控制系統剪切頻率，PM為控制系統 相角裕度，Ei為穩態誤差，ωi為諧振截止頻率。
[0017] 控制系統性能指標參數包括：控制系統剪切頻率ω。，控制系統相角裕度PM，穩態 誤差Ei。
[0018] 上述方法根據控制系統性能指標要求，明確了SPIR控制器參數及LC濾波電容電 流反饋系數的設計原則和約束條件。
[0019] 本發明的有益效果是：
[0020] 1)所述控制方法可有效抑制中性點對地電壓，從而實現三相不平衡過電壓的抑 制；
[0021] 2)由注入電流反饋及濾波電容電流反饋共同構成的控制系統可實現對參考電流 的實時跟蹤，具有十分優良的動穩態性能；其中SPIR控制器可在維持較大帶寬的同時，保 證系統良好的穩定性及穩態性能；濾波電容電流反饋使控制系統具有對配電網參數的高魯 棒性。
[0022] 3)控制器參數設計方法，針對控制系統性能指標要求，明確了控制系統參數設計 原則和約束條件；相較于傳統的試湊法或經驗法，設計效率大大提高。
[0023] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
【附圖說明】
[0024] 圖1是配電系統柔性接地裝置拓撲圖；
[0025] 圖2是柔性接地裝置控制系統電路圖；
[0026] 圖3為控制系統的閉環控制框圖；
[0027] 圖4為只含電容電流反饋的系統開環傳遞函數波特圖；
[0028] 圖5為采用PR控制器及串聯PIR控制器的系統開環傳遞函數波特圖；
[0029] 圖6為控制器參數表；
[0030] 圖7為改進前后系統波特圖對比；
[0031] 圖8為采用PI控制器的實驗波形；
[0032] 圖9為采用SPIR控制器的實驗波形。
【具體實施方式】
[0033] 圖1為柔性接地裝置的拓撲圖，EA、EB、Ec是系統三相電源，RA、RB、Rc、CA、CB、(^分別 表示三相對地電阻及電容，單相逆變器經一升壓變壓器連接在配電網中性點，其輸出電流 i。經LC濾波后注入配電網中性點，其中L。、C。分別為逆變器輸出濾波電路電感、電容。
[0034] 圖2所示為柔性接地裝置以及本發明的柔性接地裝置控制系統電路圖，配電網等 效為并聯的對地電阻及對地電容&及Cs。
[0035] 本發明的配電網柔性接地裝置控制系統實施例，包括依次連接的第一合并比較模 ±夬、一SPIR控制器、第二合并比較模塊和脈沖生成模塊，以及一比例放大模塊Hi。
[0036] 其中的第一合并比較模塊采樣輸入柔性接地裝置的輸出電流i。并與注入電流參 考值iraf比較后輸出差值，SPIR控制器由比例積分控制器（PI)與比例諧振控制器（PR)串 聯構成，第二合并比較模塊輸入柔性接地裝置濾波電容電流（〇并經所述比例放大模塊Hi 放大后與SPIR控制器的輸出合并比較、再經脈沖生成模塊最后輸出至柔性接地裝置單相 逆變器。
[0037] SPIR控制器控制逆變器IGBT的通斷，調控逆變器輸出電壓u。從而實現對輸出電 流的反饋控制；在此過程中，為保證系統對配電網參數的魯棒性，加入濾波電容電流（〇反 饋，與輸出電流反饋相結合，共同實現單相逆變器的控制。
[0038] 圖3所示為系統的閉環控制框圖，分析可知注入電流i。與逆變器載波電壓幅值Vni 之間的傳遞函數為：
[0039] (1)；
[0040] 由于濾波電感與L。與濾波電容C。及等效對地電容Cs之間在特定頻率下會發生諧 振，容易降低系統的穩定性，故設計濾波電容電流反饋回路，反饋系數為嘸。
[0041] 圖4所示為加入濾波電容電流反饋前后的系統傳遞函數波特圖，可明顯地看到， 電容電流反饋可有效地抑制諧振峰，同時增大系統的相角裕度，故可以有效地提高系統穩 定性。此時系統傳遞函數為：
[0042]
[0043] 為了實現注入電流在基波頻率處的無靜差調節，本發明使用比例諧振控制器（PR) 來維持基頻處較高的開環增益，但PR控制器會同時帶來-180°的相移，使得相角裕度降 低，降低系統穩定性。因此，本發明在使用PR控制器的同時，串接比例積分控制器（PI)，PI 控制器在頻率為零處增益為無窮大，高頻處增益為恒定值，因此串接PI控制器可提高低頻 段的增益，且不影響系統穿越