静止无功补偿器SVC控制策略优化方案

根据电力系统的运行要求，静止无功补偿SVC有三种基本控制要求或控制目标：维持负荷节点母线电压不变或维持节点母线电压为指令值、输出指令要求的无功功率和改善电力系统的动态性能。

1.维持负荷节点母线电压V_L为指令值（V_L=V_ref）

在图5-15a中，在系统电压V_S和线路电抗X_S一定时，若负荷无功电流I_F改变，可通过调控静止无功补偿器SVC向电网输出的感性无功电流I_SVC（矢量I·_SVC=-I·_C-I·_L，数值I_SVC=I_C^-IL），改变线路无功电流I_Q（I_Q=I_F-I_SVC），从而改变I_Q在电抗X_S上的电压降X_SI_Q的大小（X_sI_Q=X_s（I_Q-I_SVC）），维持母线节点电压V_L为指令值V_ref。

图5-15b是一种通过相控TCR使SVC维持节点电压V_L的闭环控制系统结构框图，图中实时检测负荷电压V·_L和电流I·，通过负荷无功电流计算环节求出负荷电流中的感性无功电流I_F。实时检测负荷节点电压V_L并与负荷节点电压指令值V_ref相比较，将其差值ΔV=V_L-V_ref送入比例积分（PI）型自动电压调节器AVR。AVR的输出作为使电网节点电压V_L跟踪指令值V_ref所需的电网线路无功电流的指令值I_Qref，即

式中，ΔV=V_L-V_ref；K_p、K_i分别为比例系数和积分系数。

将负荷无功电流I_F与线路无功电流指令I_Qref相减，得到SVC应输出的无功电流指令值，即

图5-15b中的TSC电流计算环节的功能是根据检测到的负载无功电流I_F的大小，确定多少组TSC投入和可能提供的容性补偿电流I_C。再将I_SVCref与I_C相减得到TCR的指令电流I_Lref。再由图5-15b中的TCR晶闸管触发延迟角α的计算环节，根据TCR的指令电流I_Lref算出I_L=I_Lref时必须的触发延迟角α，同时锁相电路检测出节点电压V_L瞬时值的相位，再根据要求的触发延迟角α值，发出晶闸管触发信号，开通TCR的晶闸管，产生所需的电感电流I_L。

图5-15 调控维持节点电压V_L的控制系统框图

由图5-15a可知，SVC（TSC、TCR组合）向电网输出的感性补偿电流I_SVC与线路传输的感性电流I_Q之和供给负载感性无功电流即：

I_SVC+I_Q=I_FI_SVC=IF-I_Q （5-39）

在图5-15a中，各电容器输入的容性电流之和为I·_C，等效于电容向电网输出感性电流I_C，电容输出的感性电流的数值|I_C|应于等|I_L|（感性）与I_SVC（感性）之和：|I_C|=I_L+I_SVC

因此，有

I_L（感性）=|I_C|-I_SVC=|I_C|-（I_F-I_Q）=|I_C|+I_Q-I_F （5-40）

式中，I_F为图5-15a中负荷感性无功电流；I_Q为电网线路感性无功电流。(www.xing528.com)

如果图5-15b中电网无功电流I_Q的指令值为I_Qref，由式（5-37）和式（5-40）可得，TCR电流I_L的指令值I_Lref为

I_Lref=|I_C|-I_SVCref=|I_C|+I_Qref-I_F=|I_C|+K_p（V_L-Vref）+K_i∫（V_L-Vref）dt-I_F （5-41）

图5-15b中自动电压调节器AVR的功用是：当出现ΔV=V_L-V_ref≠0，即V_L≠V_ref时，AVR输出的I_Qref改变，从而按式（5-41）改变I_Lref，使TCR输出的实际电流I_L跟踪指令值I_Lref，改变路线无功I_Q，改变线路电压降X_sI_Q，直到V_L改变到V_L=V_ref，ΔV=0达到新的稳态。

1）当V_L<V_ref时，这时应减小电网线路电流中的感性滞后无功电流I_Q，以减小线路电压降，提升V_L→V_ref。具体调节过程是：当V_L<V_ref时，ΔV=V_L-V_ref为负值，图5-15b中线路无功电流指令值I_Qref持续减小，I_SVCref按式（5-38）持续增大，因而TCR的电流指令值I_Lref持续减小，TCR的晶闸管触发延迟角α持续增大，使TCR的感性无功电流I_L持续减小。随着I_L的减小，图5-15a中的SVC输出的感性补偿电流I_SVC（感性）增大，补偿了更多的负荷感性无功电流，因而使电网线路中的感性无功电流I_Q减少，减少了线路电压降。于是，节点电压V_L逐渐上升恢复到V_L=V_ref，这时ΔV=0，指令值I_Qref不再增大，I_Lref也不再增大，TCR中晶闸管触发延迟角α不再增大，I_L不再减小，系统稳定在V_L=V_ref稳定工作。

2）当V_L>V_ref时，ΔV=V_L-V_ref为正值，I_Qref持续增大，I_Lref持续增大，TCR的晶闸管触发延迟角α持续减小，TCR从电网吸收的感性电流I_L不断增大，使电网线路感性无功电流I_Q不断加大，线路电抗电压降XI_Q不断增大，从而使节点电压V_L不断下降到V_L=V_ref后，ΔV=0，I_sqref、I_Lref、α及IL都不再变化，系统在V_L=V_ref下稳态工作。

如果图5-15b中的自动电压调节器采用PI型控制策略，则最终的稳态工况总是V_L=V_ref，但有时SVC受设计容量所限不足以输出足够大的无功补偿功率使V_L=V_ref。这时应对指令值V_ref加以限制，仅使节点电压达到一个可以允许的稍低的电压水平。此外，为改善调控过程中实际运行特性，调节器除采用PI型控制外，还可采用其他控制规律，如较复杂的非线性控制等。

2.SVC输出指令要求的无功功率

仅要求SVC实现输出指令所要求的无功功率时，控制系统比较简单。这时如图5-16b所示，将指令要求SVC输出的无功功率指令值Q_SVCref与实时检测的SVC输出的无功功率Q_SVC相减，将其差值ΔQ_SVC送入自动无功功率调节器AQR。AQR也可是PI型调节器，其输出作为SVC的输出无功电流指令值I_SVCref，再根据要求输出的无功指令值Q_ref的大小和性质，由TSC电流计算环节给出SVC中TSC应输入的容性电流或应输出的感性电流|I_C|。|I_C|与I_SVC之差就是SVC中TCR的感性电流指令值I_Lref，再由TCR的电流指令值I_Lref计算出TCR晶闸管触发延迟角α，形成TCR晶闸管触发脉冲信号对晶闸管进行相控，产生相应的I_L，使SVC输出的无功Q_SVC跟踪指令值Q_ref。

3.改善电力系统的动态（暂态）性能

图5-16 输出指令无功功率控制系统框图

调控SVC输出的无功功率的大小和性质，可以改变节点电压、发电机的输出功率，调控电力系统暂态中节点电压和发电机的电磁功率，能抑制电压振荡和功率振荡，改善电力系统的运行稳定性。图5-17示出了一种能维持电力系统节点电压和改善同步发电机暂态稳定性的控制系统框图。其基本思路是在维持节点电压闭环控制系统（参见图5-15b）中的自动电压调节器AVR按电压偏差输出控制量的基础上，再增加一个控制量V_pss，图5-17中APR是电力系统功率振荡调节器，实时检测和计算发电机的电磁功率P_e、发电机功率角δ，相对速度Δω（Δω=dδ/dt）及加速度dΔω/dt=d²δ/dt²等运行参数的大小，经功率振荡调节器APR输出一个适当的控制量V_pss，V_pss再与电压偏差量ΔV一起作为自动电压调节器AVR的输入。这时AVR的输出（电网线路的电流指令I_Sref）不仅反映了电压偏差，而且包含有为抑制功率振荡所必需的控制量两种作用。这种控制策略的闭环控制系统同时具有AVR和功率振荡镇定器PSS两种功能。自动电压调节器可以维持节点电压不变或暂态中在一定的范围内对电压扰动进行控制，而功率振荡镇定器PSS的调节器APR则向AVR提供附加控制量V_pss，在暂态过程中发挥对节点电压变化和有功功率的快速控制能力，增强系统的阻尼作用，抑制功率振荡，提高电网遭受小干扰时的静态稳定性和遭受大干扰时的暂态稳定性。

图5-17 AVR和PSS组合的SVC控制框图

仔细分析以上两种控制功能，不难看到SVC同时实现上述两种控制目标存在一定的矛盾。电压控制的目标本来是按电压偏差的大小和正负值的不同调控无功的大小，要求稳定节点电压V_L不变。但引入附加控制量V_pss以后，在暂态中为了能调控发电机有功功率以抑制功率振荡，增加系统阻尼，改善稳定性，又必须改变节点电压V_L以改变发电机的电磁功率。为协调、兼顾这种相互矛盾的控制要求，图5-17中采用的控制策略原则是：系统稳态运行时令附加控制量V_pss趋近于零，这时功率振荡调节器APR不起作用，当系统发生故障或遭受其他重大扰动时，在AVR的输入中引入附加控制量V_pss，这就等效于适当放宽了无功补偿器SVC的电压指令V_ref，功率振荡镇定器PSS起作用，功率调节器APR输出一个适当的控制量V_pss，V_pss与ΔV一起送入自动电压调节器AVR，改善电力系统的动态（暂态）稳定性能。