CN103997029B - 铁磁谐振过电压自适应控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于控制方法的模拟试验技术领域，具体涉及铁磁谐振过电压自适应控制系统及其控制方法所述控制系统包括过电压在线监测单元、决策单元、双向晶闸管和阻尼电阻单元和控制开关单元，所述控制方法，包括如下步骤：在线监测PT二次侧对地电压信号，判断铁磁谐振类型，决定所投入的阻尼电阻，根据参考电压与PT二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比，控制阻尼电阻的投入与切出；控制系统及方法，相对于现有技术，具有如下优点：会产生过电流，能够很好抑制不同模式铁磁谐振过电压，不存在阻尼电阻阻值选择矛盾，对较低幅值的周期铁磁谐振也能很好抑制，与现有铁磁谐振抑制方法相比，能够获得更好的抑制效果。

Description

铁磁谐振过电压自适应控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于控制方法的模拟试验技术领域，具体涉及铁磁谐振过电压自适应控制系统及其控制方法。

背景技术

铁磁谐振是在电力系统容性及感性元件基础上发展起来的非线性共振现象，是一类长期困扰变电站安全的复杂问题。由于谐振过电压持续时间长、振荡幅值高，且现有谐振防护措施存在一定局限性，谐振过电压给电力系统的安全运行带来极大的威胁。同时，随着经济社会的快速发展以及通讯、信息等技术的广泛应用，智能化已成为我国电网发展的一个新趋势，它要求电网具备故障诊断、故障隔离和自我恢复的能力，以确保电网的可靠性、安全性以及电能质量。因此，综合应用电力电子技术与控制技术，设计开发能够保障谐振故障在线自愈的铁磁谐振主动控制方法具有重要的工程意义和应用价值。

人们从不同角度提出了许多消除铁磁谐振的措施，取得一定的研究成果。

1)改变母线上投入的补偿电容器组。该方法在应用中存在局限性：投入电容器后可增大各相对地电容，电容过大可能引发过电流。

2)在PT星型二次侧投切小阻尼或消谐装置。该方法在应用中存在局限性：①装置对不同模式谐振的适应性不强，对模式即频率的辨识准确度要求较高；②装置存在阻值大小选择的矛盾，为了达到较理想的消谐效果，阻尼电阻应尽量小，但阻尼过小，切除装置会给系统造成较大冲击扰动，从而引发二次谐振，导致装置多次启动。

3)PT并接避雷器。该方法在应用中存在局限性：对较低幅值的周期谐振，避雷器几乎没有抑制作用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种铁磁谐振过电压自适应控制系统，可以实现电力系统各种模式铁磁谐振过电压的快速消除。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

铁磁谐振过电压自适应控制系统，包括

过电压在线监测单元，用于在线监测电力系统内部和外部过电压信号；

决策单元，用于根据过电压在线监测单元获取的过电压信号，判断铁磁谐振类型，并根据判断结果，决定所投入的阻尼电阻；决策单元还根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比；

双向晶闸管和阻尼电阻单元，包括至少一个阻尼电阻及其配套的双向晶闸管构，所述双向晶闸管控制器根据决策单元的决策结果投入相应的阻尼电阻；

控制开关单元，根据决策单元的方波占空比控制阻尼电阻的投入与切出。

进一步，所述决策单元包括铁磁谐振过电压完整识别系统、双向晶闸管控制器、电压比较器和决策器，所述铁磁谐振过电压完整识别系统用于判断铁磁谐振类型，双向晶闸管控制器用于控制双向晶闸管动作，电压比较器用于获取参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值，决策器用于根据铁磁谐振类型，决定所投入的阻尼电阻，以及根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比。

进一步，所述控制开关单元由两对背靠背的单相导通开关组和方波发生器构成，每个单相导通开关组由一个MOSFET金属-氧化层-半导体-场效晶体管和一个二极管串联而成，所述方波发生器根据决策单元的方波占空比信号控制单相导通开关组导通或关断，以控制阻尼电阻的投入与切出。

本发明还提供一种铁磁谐振过电压自适应控制方法，包括如下步骤：

1)在线监测电力系统电磁式电压互感器二次侧对地电压信号；

2)对步骤1)获得的电压信号，判断铁磁谐振类型；

3)根据步骤2)的判断结果，决定所投入的阻尼电阻；

4)导通步骤3)中所决定的阻尼电阻；

5)根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比；占空比取值区间内(0-1)，消谐装置能够通过投入占空比的调整即可以实现等效均值电阻的调整，进而间接控制电磁式电压互感器二次侧对地电压。谐振系统动力学形态存在一个突变点，以小于该突变点的占空比投入阻尼电阻，除部分较小占空比情况，铁磁谐振在大部分取值范围内能被有效抑制至基频谐振态，过电压幅值在2.5p.u.左右；以大于该突变点的占空比投入电阻，混沌谐振可被有效消除，系统恢复无谐振态，且随着占空比的增大，过电压最大值呈略微下降趋势。基于上述规律，首先以满占空比投入阻尼，然后可在无谐振的占空比变化范围内，通过减小占空比微调电压幅值，以缓解系统的失压程度。

6)根据步骤5)获得的方波占空比，控制阻尼电阻的投入与切出；

7)重复执行以上步骤，直到参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值满足要求。

本发明的有益效果：本发明的铁磁谐振过电压自适应控制方法，相对于现有技术，具有如下优点：会产生过电流，能够很好抑制不同模式铁磁谐振过电压，不存在阻尼电阻阻值选择矛盾，对较低幅值的周期铁磁谐振也能很好抑制，与现有铁磁谐振抑制方法相比，能够获得更好的抑制效果。

附图说明

图1为单相铁磁谐振等效电路；

图2为铁磁谐振过电压自适应控制系统结构示意图；

图3为基频铁磁谐振控制电压波形图；

图4为基频铁磁谐振控制相平面图；

图5为分频铁磁谐振控制电压波形图；

图6为分频铁磁谐振控制相平面图；

图7为准周期铁磁谐振控制电压波形图；

图8为准周期铁磁谐振控制相平面图；

图9为混沌铁磁谐振控制电压波形图；

图10为混沌铁磁谐振控制相平面图；

图11为铁磁谐振抑制PSCAD仿真模型示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

参见图2，铁磁谐振过电压自适应控制系统，包括

过电压在线监测单元1，用于在线监测电力系统内部和外部过电压信号；

决策单元2，包括铁磁谐振过电压完整识别系统、双向晶闸管控制器、电压比较器和决策器，所述铁磁谐振过电压完整识别系统用于判断铁磁谐振类型，双向晶闸管控制器用于控制双向晶闸管动作，电压比较器用于获取参考电压V_ref与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号V_A的差值，决策器根据铁磁谐振类型，决定所投入的阻尼电阻，以及根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比。

双向晶闸管和阻尼电阻单元3，包括至少一个阻尼电阻及其配套的双向晶闸管构，所述双向晶闸管控制器根据决策单元的决策结果投入对应的阻尼电阻；

控制开关单元4，根据决策单元的方波占空比控制阻尼电阻的投入与切出。所述控制开关单元由两对背靠背的单相导通开关组和方波发生器构成，每个单相导通开关组由一个MOSFET金属-氧化层-半导体-场效晶体管和一个二极管串联而成，所述方波发生器根据决策单元的方波占空比信号控制单相导通开关组导通或关断，以控制阻尼电阻的投入与切出。

本实施例的铁磁谐振过电压自适应控制方法，包括如下步骤：

1)在线监测电力系统电磁式电压互感器二次侧对地电压信号；

2)对步骤1)获得的电压信号，判断铁磁谐振类型；

3)根据步骤2)的判断结果，决定所投入的阻尼电阻；

4)导通步骤3)中所决定的阻尼电阻；

5)根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比；

6)根据步骤5)获得的方波占空比，控制阻尼电阻的投入与切出；

7)重复执行以上步骤，直到参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值满足要求。

中性点直接接地系统中的PT(电磁式电压互感器)三相分立，忽略较小的相间耦合，可将各相独立的三相谐振系统简化为单相谐振系统进行谐振过电压分析。考虑PT二次侧消谐阻尼的单相铁磁谐振等值电路如图1所示。图中，E为交流电源电压，ω为电压角频率，C₁表示断路器的并联均压电容，C₂为系统对地电容，L为PT励磁电感，R为PT损耗电阻，CM为控制模块。

互感器铁芯的饱和特性可以通过非线性电感L的励磁曲线来描述。电感中电流i_L和磁链φ的关系可描述为：

i_L＝f_L(φ)＝aφ+bφⁿ(n＝7) (1)

其中，a、b为拟合常数，与PT的铁芯材料和堆叠方式等有关,a＝0.5839，b＝0.0443。则根据图1所示电路模型，可得到考虑阻尼电阻的以磁链φ和互感器端电压u为状态变量的谐振动力学微分方程模型如式(2)所示，其中，归算到一次侧阻尼电阻u为PT电压。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=u\\ \frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{C_1}{C_1+C_2}\sqrt{2}\mathrm{E\ω}\cos \mathrm{\ωt}-\frac{f_L\left(\mathrm{\φ}\right)}{C_1+C_2}-\frac{u}{R(C_1+C_2)}\end{array}\right.$

以下实施例电路图参见图11所示的仿真模型：

实施例1

电源电压有效值E＝15V，均压电容C₁＝119μF，对地电容C₂＝25μF，脉冲电源频率f＝1kHz，占空比D＝75％，阻尼电阻R＝51Ω，PSCAD仿真结果如图3，从图中可以看出，此系统参数对应基频铁磁谐振，开关BRK在0.2s时断开，之后PT上的电压经过大约经过0.1s的暂态过渡过程，最终呈现出稳定的基频谐振过电压；稳态铁磁谐振在保持至0.8s时将控制模块接入PT的二次侧，PT上过电压在经过大约0.15s的暂态衰减过渡过程后得到控制。图4为基频铁磁谐振控制过程的相空间轨迹，可以看出PT上电压和PT磁链随时间的变化轨迹，其在“磁链－电压”平面上的投影即为“磁链－电压”相平面图，可以看出整个过程系统经历了“正常－谐振－控制后正常”几个主要阶段。

实施例2

电源电压有效值E＝15V，均压电容C₁＝800μF，对地电容C₂＝200μF，脉冲电源频率f＝1kHz，占空比D＝21％，阻尼电阻R＝5Ω，PSCAD仿真结果如图5，从图中可以看出，此系统参数对应分频铁磁谐振，开关BRK在0.2s时断开，之后PT上的电压经过大约经过0.05s的暂态过渡过程，最终呈现出稳定的分频谐振过电压；稳态铁磁谐振在保持至0.8s时将控制模块接入PT的二次侧，PT上过电压在经过大约0.1s的暂态衰减过渡过程后得到控制。图6为分频铁磁谐振控制过程的相空间轨迹，同样可以看出PT上电压和PT磁链随时间的变化轨迹，其在“磁链－电压”平面上的投影即为“磁链－电压”相平面图，可以看出整个过程系统经历了“正常－谐振－控制后正常”几个主要阶段。

实施例3

电源电压有效值E＝15V，均压电容C₁＝2000μF，对地电容C₂＝500μF，脉冲电源频率f＝1kHz，占空比D＝19％，阻尼电阻R＝5Ω，PSCAD仿真结果如图7，从图中可以看出，此系统参数对应准周期铁磁谐振，开关BRK在0.2s时断开，之后PT上的电压经过大约经过0.03s的暂态过渡过程，最终呈现出稳定的分频谐振过电压；稳态铁磁谐振在保持至0.8s时将控制模块接入PT的二次侧，PT上过电压在经过大约0.1s的暂态衰减过渡过程后得到控制。图8为准周期铁磁谐振控制过程的相空间轨迹，同样可以看出PT上电压和PT磁链随时间的变化轨迹，其在“磁链－电压”平面上的投影即为“磁链－电压”相平面图，可以看出整个过程系统经历了“正常－谐振－控制后正常”几个主要阶段。

实施例4

电源电压有效值E＝15V，均压电容C₁＝1000μF，对地电容C₂＝200μF，脉冲电源频率f＝1kHz，占空比D＝29％，阻尼电阻R＝5Ω，PSCAD仿真结果如图9，从图中可以看出，此系统参数对应混沌铁磁谐振，开关BRK在0.2s时断开，之后PT上的电压经过大约经过0.13s的暂态过渡过程，最终呈现出稳定的分频谐振过电压；稳态铁磁谐振在保持至0.8s时将控制模块接入PT的二次侧，PT上过电压在经过大约0.18s的暂态衰减过渡过程后得到控制。图10为分频铁磁谐振控制过程的相空间轨迹，同样可以看出PT上电压和PT磁链随时间的变化轨迹，其在“磁链－电压”平面上的投影即为“磁链－电压”相平面图，可以看出整个过程系统经历了“正常－谐振－控制后正常”几个主要阶段。

从图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10可以看出，此种上述自适应控制方法可以有效消除电力系统各种模式铁磁谐振过电压。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.铁磁谐振过电压自适应控制系统，其特征在于：包括

过电压在线监测单元，用于在线监测电力系统内部和外部过电压信号；

决策单元，用于根据过电压在线监测单元获取的过电压信号，判断铁磁谐振类型，并根据判断结果，决定所投入的阻尼电阻；决策单元还根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比；所述决策单元包括铁磁谐振过电压完整识别系统、双向晶闸管控制器、电压比较器和决策器，所述铁磁谐振过电压完整识别系统用于判断铁磁谐振类型，双向晶闸管控制器用于控制双向晶闸管动作，电压比较器用于获取参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值，决策器用于根据铁磁谐振类型，决定所投入的阻尼电阻，以及根据参考电压与过电压在线监测单元获取的电磁式电压互感器二次侧对地电压信号的差值来调整方波发生器所产生的方波占空比；

双向晶闸管和阻尼电阻单元，包括至少一个阻尼电阻及其配套的双向晶闸管结构，所述双向晶闸管控制器根据决策单元的决策结果投入相应的阻尼电阻；

控制开关单元，根据决策单元的方波占空比控制阻尼电阻的投入与切出。

2.根据权利要求1所述的铁磁谐振过电压自适应控制系统，其特征在于：所述控制开关单元由两对背靠背的单相导通开关组和方波发生器构成，每个单相导通开关组由一个MOSFET金属-氧化层-半导体-场效晶体管和一个二极管串联而成，所述方波发生器根据决策单元的方波占空比信号控制单相导通开关组导通或关断，以控制阻尼电阻的投入与切出。