1、电力系统相控开关技术及其智能控制策略摘要:相控开关技术是有效抑制电力系统操作过电压和涌流以及全面提高电能质量的关键技术.介绍了电力系统相控开关技术的最新进展和急需的关键问题.研究了参考电压或电流过零点的检测方法,通过仿真分析了采样频率、背景噪声、谐波分量和瞬态脉冲干扰对检测准确度的影响,并设计了相应的数字低通滤波器.提出了基于人工神经网络和快速驱动技术的智能控制策略,有待更深入研究和应用. 关键词:相控开关 电能质量 人工神经网络1 引言为实现电压控制和系统保护以及电力系统负荷调节,需要利用高压开关来投切相应的电力设备或线路,如并联电容器组的投切、电抗器的投切、空载线路的投切、空载变压器的投切
2、、以及快速自动重合闸操作等.高压开关的这些操作过程一般伴随着开关暂态现象,产生较高的过电压和涌流.在目前的高、中压系统中,开关的合、分闸相位是随机的,因而过电压和涌流现象更为严重,对电力系统运行和电气设备的性能带来负面影响,具体表现为:电气设备寿命的减少,电气设备的绝缘击穿、故障和损坏,继电保护的误动,二次边的电子控制元件功能失常,电能质量的降低等.为解决此类问题,在电力系统中常采用并联合闸电阻或电感、串入电抗器和加设避雷器等方法,但这些方法受到结构设计的复杂性,经济性以及运行可靠性的限制来源:高压开关网.相控开关技术(Phasecontrolled Switching),也称同步开关技术(S
3、ynchronous Switching),是根据线路电压或电流的相位来合理控制高压开关的合分时刻,从而抑制电网中的操作过电压和涌流.在电力电子系统中为解决大功率器件的开关损耗问题,常采用软开关技术即零电压和零电流开关技术,相控开关技术的概念与此类似,可称作高电压、大电流下的软开关技术,只不过这里要解决的是开关操作所引起的电磁暂态现象. 国外研究相控开关技术已有二十多年的历史,并已经应用到实际的高压开关中,其中日本、瑞典、英国和罗马尼亚等国在这方面的研究成果较为突出.国内近几年才开始注意此项技术,并没有相应产品问世,只是引进了几套国外技术加以应用.作为新型开关电器的主流研究方向,相控开关技术对
4、提高电力系统运行稳定性和经济性意义深远,且应用前景广阔;只是当前并没有在世界范围内大面积推广,原因是应用中可靠性的若干技术难题尚在研究之中. 2 急需解决的关键技术问题2.1 相控开关过程简介相控开关由相位控制单元和高压开关组成,其中相位控制单元是实现相控开关技术的核心所在.控制单元由电压或电流时间参考点检测电路、操作命令的输入和输出接口,报警和显示电路、微机等几部分组成.图 1 中以关合电容器组为例,简要说明相控开关的动作时序. 请登陆:高压浏览更多信息图 1 关合电容器组时序 来源:高压开关网图 1 中,t1,t2,t3,t4 分别为随机投入命令发出时刻、参考电压过零点时刻、控制投入命令发
5、出时刻和电容器组实际投入时刻.T1,T2,T3 分别为等待时间、延迟时间(包括数据处理和计算)和关合时间(包括开关操动机构合闸时间和断口预击穿时间). 实际的控制过程为: 当控制单元接收到随机的投入命令时,选择参考电压的一个最近的过零点作为时间起点,经过适当的延时发出控制指令,使开关在某个预期的断口电压过零点将电容器组投入,因为此时的合闸涌流较校 ABB 公司曾对此过程进行了仿真研究,结果见图 2 和图 3.图 2 为随机投入和相控投入时涌流的仿真波形,图 3 为相应的电压仿真波形.相控投入电容器组不仅使过电压与合闸涌流减小,且能大大减小电压和电流中的谐波含量,有利于提高电能质量. 图 2 非
6、相控和相控投入时的合闸涌流图 3 非相控和相控投入时的合闸过电压 请登陆:高压开关网 浏览更多信息2.2 关键技术难题由相控开关的工作原理可知,相控开关的成功与否,关键在于开关相位的准确控制.而影响相位控制准确度的因素,以合闸过程为例,包括控制单元的数据处理和控制时间、开关的关合时间(包括操动机构的合闸时间以及触头的预击穿时间) 等.其中相控单元的数据处理和控制时间由微机完成,准确度可在微秒级以内.但是,作为相控过程时间起点参考电压或电流过零点的检测方法,其准确度将严重影响相控开关技术的实施,特别是在系统电压波形中含有较大的背景噪声、谐波分量、瞬态脉冲干扰等情况时.开关的关合和分断时间由于受多
7、种因素的影响,表现为较大的分散性,是束缚相控开关技术至今不能广泛应用的重要瓶颈.由此可见,目前急需解决的两大难题为:1)参考电压或电流过零点的准确检测方法;2)相控开关的关合和分断时间分散性的处理技术. 下面将就上述两个问题进行分析,提出相应的具体测算法和控制策略. 3 参考电压过零点的检测方法设参考电压为严格的工频正弦信号,Um 为电压峰值, 为初相位.根据u=Umsin(t+1) (2) 请登陆:高压开关网 浏览更多信息在参考电压的过零点电压的变化率最大(Um), 据此可以检测过零点 t2.判别规则为: 其中 k 为常系数.在实际测量中获取的是参考电压的采样序列,采样点一般不能正好落在过零
8、点上,需采用线性插值法求得过零点.此时因采样率 fs 带来的过零点检测最大误差为: (4) 当采样频率大于 50kHz 时,过零点检测的最大相对偏差小于 0.01ms,可以忽略. 在实际中,由于开关一般安装在变电站内,易于遭受较强的噪声干扰、脉冲干扰和谐波影响等,参考电压的波形不会是严格的正弦关系,因此上述的检测算法需要改进. 不失一般性并突出问题,假设参考电压波形中含有较强的 3 次(10%)和 5 次(10%) 谐波,对上述算法进行仿真验证.图 4 为含有严重谐波的参考电压及其导数的波形,采样频率为 50kHz,图中单位为 pu.此时,参考电压导数的波形具有多峰值特点,其最大峰值尽管出现在
9、电压零点,但数值达到了将近 2pu.若采用式(3)进行电压过零点在线检测 ,不易判别,且需要微机存储足够多的采样点数.为此本文提出可先采用在线的数字滤波技术以平滑参考电压采样点(见图 5),这里设计的数字低通滤波器的截止频率为 100Hz.滤波后的电压及其导数波形都很平滑 ,再应用式(3)判别电压过零点非常容易. 来源:高压开关网图 4 含有谐波的参考电压波形及其导数 来源:对于背景噪声的影响,本文也进行了仿真分析.在原有谐波的基础上再叠加峰峰值为 0.1pu的均匀分布的随机噪声,验证前述检测算法的有效性.结果表明:若此时不加滤波而直接计算导数来判别参考电压过零点,根本无法进行.但是,若采用前
10、述的在线数字滤波器(截止频率100Hz)后 ,参考电压及其导数的波形得到平滑.可以应用(3)判别电压过零点.图 6 为噪声背景下滤波前后的参考电压波形,图 7 和图 8 为滤波前后参考电压的导数波形. 仿真还表明,即使随机背景噪声峰峰值达到 0.5pu(实际要低于此值), 利用前述数字滤波技术,仍能有效地检测出参考电压的过零点. 来源:图 5 滤波前后的参考电压波形图 6 背景噪声下滤波前后的参考电压波形图 7 噪声背景下参考电压滤波前的导数波形来源:高压开关网在变电站的工况下,母线电压易遭受各种随机的瞬态脉冲干扰,会对参考电压过零点的检测带来影响.在图 6 所示含有谐波和背景噪声干扰的参考电
11、压波形基础上,另外叠加一个频率为5kHz、幅度为 1pu 的指数衰减的瞬态脉冲干扰( 见图 9),以检验在线数字滤波技术的有效性. 请登陆:高压开关网 浏览更多信息图 8 噪声背景下参考电压滤波后的导数波形图 9 含有瞬态脉冲干扰的参考电压波形 来源:高压开关网若直接采用最大导数法判别参考电压的过零点,由于瞬态脉冲干扰的存在,会造成误判.图 10为此时参考电压的导数波形.但若采用本文提出的截止频率为 100Hz 的数字低通在线滤波技术,微机每次仅需存储 5 个临近的采样点,就能获得与图 8 类似的导数波形,实现参考电压过零点的准确检测. 来源:高压开关网图 10 含有瞬态脉冲干扰的参考电压的导
12、数波形 来源:高压开关网4 相控开关的智能控制策略束缚相控开关技术进一步发展的瓶颈是关合或开断时间的分散性.以关合过程为例,相控开关的关合时间受诸多因素的影响,可以表示为温度 TE、湿度 HU、海拔高度 SL、污染度CONT、操动机构控制线圈电压 Uc、断口绝缘强度变化率 dua/dt、触头关合时的电磨损( 用关合累积次数表示)n 等量的非线性函数 : 相控开关技术要想实用化,关合时间的分散性必需在 0.5ms 以内才有可能比较精确地控制合闸相位.一般高压开关的合闸时间在几十 ms 量级,把分散性控制在 0.5ms 以内较为困难.因此,要彻底解决此问题,必须采用快速驱动的开关技术. 文5的实验
13、研究结果表明,初步设计的快速转换开关的关合时间可以达到 2.3ms 以内(开断时间小于 0.8ms),据此本文提出可将快速驱动技术应用于相控开关中,同时可大大降低关合时间的分散性. 即使采用快速驱动技术,关合时间仍会存在分散性,但此时可忽略次要因素的影响,主要考虑温度、操动线圈电压、断口绝缘变化率和关合累积次数对关合时间分散性的影响,降低实验研究的复杂度.由于关合时间与影响因素之间的复杂非线性关系,必须采用合适的算法对关合时间分散性进行补偿. 来源:人工神经网络(ANN)是人工智能领域的一个研究分支,它在多变量、非线性的函数拟合和逼近方面具有较强的映射能力和准确度,为此可将 ANN 应用于相控
14、开关技术,基于实验研究数据来补偿关合时间的分散性,以获得较高的相位控制准确度. 基于快速驱动技术和 ANN 的相控开关控制策略如图 11 所示. 请登陆:高压开关网 浏览更多信息图 11 基于快速驱动和 ANN 的相控开关技术来源:http:/上述智能控制策略在理论上可行,还有待更深入的实验研究和应用设计进行验证. 5 结论(a)介绍了电力系统相控开关技术的当前发展,指出了在应用设计中亟待解决的关键技术. (b)分析了谐波、随机背景噪声、脉冲干扰等因素对参考电压过零点检测准确度的影响,提出了基于在线数字滤波技术和最大导数的过零点检测方法,仿真结果表明该方法是有效的. (c)提出了基于快速驱动技术和 ANN 的控制策略,但其有效性有待验证 ,是下一步的主要研究内容. 来源:
