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【摘要】 在归纳总结大量文献的基础上，对FACTS装置控制器设计中会遇到的一系列关键性的技术问题，诸如快速信号采集处理、控制的多目标、直流偏磁问题、不对称问题、控制与保护、控制器之间的协调等，做了较全面的综述。
【关键词】 FACTS 控制器设计 直流偏磁
0 前言
柔性交流输电技术(FACTS)是近年来出现的一项新技术，它应用电力电子技术的最新发展成就及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至网络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性。使电力系统中影响潮流分布的3个主要电气参数：电压、线路阻抗及功率角可按系统的需要迅速调整。
FACTS装置包括：静止无功补偿器(SVC)，新型静止无功发生器(StatCom)，可控串补(TCSC)，晶闸管控制移相器(TCPAR)，统一潮流控制器(UPFC)，晶闸管控制动态掣动(TCDB)，晶闸管切换过压保护(TSOVP)，次同步振荡抑制器(NGH-SSR)。
FACTS技术的出现，给研究者研究新的控制器解决新的问题带来新的挑战和机遇。而在FACTS装置控制器的设计过程中，有一些关键技术问题具有普遍的理论意义，需要多个学科知识的综合才能解决。
1 非正常运行如何迅速、准确地获取信息
合适的反馈量的选取对于FACTS控制器的设计来说非常重要。电力系统稳定控制一般需要的信息有δ、ω、P、Q、U、I、θ(同步信号)。
FACTS装置的控制反应时间一般在2～3周期级，但许多电力系统参量如有效值、有功功率、无功功率等，都是以工频周期为基础而定义的。按传统方法计算上述参量需一个工频周期的采样时间，这将使FACTS带来的快速好处丧失，无法发挥其在电力系统稳定和振荡中的作用。例如，清华大学与河南电力工业局联合研制的300 kvar StatCom在控制规律设计过程中用传统的无功功率、电压有效值概念时就遇到了问题。在用PID控制时，因为装置的时间常数为5.3 ms，响应时间也仅为20 ms左右，使用以工频周期为基础而定义的无功进行定无功控制时，测量计算环节至少有20 ms的延时，PID控制的比例环节的放大倍数必须很小，否则装置容易出现振荡。这就需要从理论上发展上述有关参量的瞬时值定义。笔者在任意电压、电流波形的瞬时值概念的基础上，定义了三相瞬时无功，并提出了无需储能元件、由开关元件组成的新型瞬时无功补偿；利用空间矢量在α、β平面上严格地定义了瞬时负序并给出了瞬时负序的计算公式。一些文献对瞬时有功、瞬时无功的定义也进行了探讨。
FACTS装置将开关动作引入到以基波为主的电力系统，不可避免带来了谐波，电力系统故障也会带来负序、谐波、衰减的电磁过程(以毫秒计)，干扰和延迟了采样工作，决定电力系统稳定问题的是正序基波有功功率的变化，这就要求研究快速、有效的滤波算法，而且要综合考虑数据采样和处理的精度及速度的关系，使其最大限度满足控制的需要。应从已经证明是鲁棒、可靠的应用中选用成熟的滤波器技术。有名的数字傅利叶变换(DFT)就是其中之一。根据傅利叶变换可以很方便地计算出电压或电流的基波分量的有效值，以及计算出有功、无功等电气量。
2 如何解决不对称问题
在电力系统的实际运行中，各种不对称的存在是不可避免的。许多并联的FACTS装置是通过小阻抗直接连入系统的，比之发电机，负序电压更易导致装置不能正常工作，因此需要深入分析系统不对称对装置的影响，采取控制和保护措施使系统不对称时装置仍能够安全可靠地工作。
采取不对称控制方法目前应用分两种方式：面向负荷的，逆变器产生与负荷负序电流幅值相同、相位相反的电流，以抵消由于负荷的不对称引入的不对称；面向系统的，逆变器产生与系统电压幅值相同、相位相反的电压，以抵消系统不对称对装置的影响。有文献提出三相PWM电压源逆变器通过一个三相变压器与线路串联，通过抵消线间电势的负序分量而达到不平衡补偿。此法对逆变器的容量要求小，注入的谐波低。另有文献提出，在一相注入(串联)一校正电势足够将进线的负序电压分量消除。得到的三相负荷端电势基本上是正序电势，从而平衡。所说的有源线路调节器的容量很小，对于10%的不平衡来说，典型的情况只需要3%的容量。也有人提出了利用串联补偿控制方法解决StatCom在系统不对称条件下的运行问题，通过建立串联补偿装置的数学模型，给出了各环节的参数设计原则和一种适合于系统不对称控制的快速系统负序电压检测方法。
笔者提出了通过控制StatCom触发脉冲使其产生与系统电压负序分量大小和相角完全相同的负序电压以抵消系统电压负序分量，从而抑制StatCom负序电流的方法；以及利用开关函数建立了典型电力电子装置输入、输出特性的开关传递函数矩阵，以此为基础分析了典型电力电子装置在系统不对称条件下输入、输出中的非特征谐波分量。
3 变压器直流偏磁导致装置过电流问题
电压型自换向逆变器的输出中含有的直流分量会导致变压器直流偏磁，最坏情况下会由于饱和而过流。日本的新信浓变电站的50 MVA StatCom在系统发生扰动时，StatCom的变压器受相邻的一个大变压器激励发生直流偏磁。东京电力公司开发了一新型防直流偏磁控制系统，根据在逆变器输出检测到的电势直流分量，进行快速磁通矫正。但在头两年运行中仍因直流偏磁导致装置退出运行。
对其退出原因分析如下：过压退出原因——80 MVA的电容器投入66 kV母线造成母线电压波形畸变，StatCom受其影响进入“封锁状态”进而重启，直流电压过电压继电器发现直流电压超过设定值将装置跳掉。对付措施是将过压整定值由120%调为135%。重启失败引起退出原因——1 000 MVA变压器投入运行导致500 kV母线电压畸变，并涉及到50 Mvar StatCom相连的66 kV母线，引起StatCom的输出变压器直流偏磁(DC Magnetization)，防止直流偏磁控制起作用，但却无法完全抑制直流偏磁。过流导致门极封锁，StatCom在500 ms后重新开启触发脉冲。然而波形畸变尚未消除，再次过流使装置退出。为此增加了一套波形畸变检测电路，只有在系统波形不畸变的情况下，重启动功能才能起作用。第2年的过流引起退出原因——相邻的1000 MVA大变压器投入系统引起过流，通过检测逆变器的变压器原边、副边电流差来抑制直流偏磁的功能不足以对付附近大变压器投入引起的直流偏磁，原有的抑制直流偏磁的功能只能对付由于脉冲发生器长期偏差引起的正负不平衡、投入大变压器引起的直流分量，而对投入变压器引起的谐波分量无能为力。现在日本人称，可以采用一种新的方法解决这个问题，但具体做法言之不详。
最近，我们对封锁脉冲后出现的过压原因进行详细分析并给出了解决办法。其主要结论是：不考虑变压器磁饱和时封锁脉冲，电容器电压只与系统电压、封锁初始时的电容电压和电感电流有关。考虑变压器磁路饱和时封锁脉冲，与变压器的连接方式有关。激磁电流感应出的主磁通为平顶波，可分解为基波和一系列奇次谐波磁通。如果n次谐波电流不能流通，而磁路中n次谐波磁通可以流通，变压器的空载输出电压中将含有n次谐波电压，其幅值与磁通的含量有关；如果变压器n次谐波磁通、电流都可以流通，那么n次谐波电流感应的磁通可以抵消原来的n次谐波磁通，从而变压器的输出电压中的谐波含量降低；如果变压器中n次谐波磁通不能流通，变压器空载输出电压中将不含n次谐波电压。
当StatCom变压器和系统变压器采用三相三线的Y/Y接法时，StatCom线电压中17次以下谐波电压互相抵消，激磁回路中没有17次以下的谐波电流，所以相电压中每个绕组的空载电压可能含有17次以下的谐波分量。对300 kvar StatCom的实测结果证明了这点，副边电压出现高次谐波(3、5、7、9等次)，3次谐波电压幅值达到基波幅值的163%，5次达基波的45%，7次达基波的17%，与基波电压叠加出现基波电压3倍以上的电压峰值，实测电容电压达到1680 V(基波时为520 V)；当StatCom与系统连接采用三相四线制时，相电压的3次谐波电压经中线和系统构成回路，产生3次谐波电流，抵消原有谐波磁通，使StatCom变压器副边输出电压中基本不含3次谐波，峰值从1680 V降为840 V。最终，我们在300 kvar StatCom上采用了直流侧并联电阻的方法，为谐波激磁电流提供通路，通过激磁电流的畸变来纠正磁通和电压的畸变，使谐波电压大大下降，封锁脉冲后实测电容电压为590 V，GTO可以承受。
电弧炉的电流含有快速、不规则变化的无功功率和高次谐波，从而引起电压闪变。日本东芝公司开发了容量为5 MVA的闪变抑制装置，可与SVC相结合，构成混合系统。大容量SVC补偿大部分无功功率和高次谐波。它含有抑制变压器直流侧偏磁回路。该回路可通过检测变换器各桥输出电流的直流量，调节GTO的关断时间来消除变压器的直流偏磁。
4 控制如何与保护相结合
按设计，StatCom只能运行在系统三相对称的情况下或轻微不对称的情况下。一旦系统的负序电压超过一定水平，StatCom就会因GTO过电流而无法正常工作。原保护方式设定为：如果发现某桥臂有故障，封锁所有桥臂GTO的触发脉冲后装置跳闸，同时给出故障桥臂的故障信息。因此，如果在StatCom一定电距离内系统发生不对称故障，StatCom中的GTO将出现过电流，装置保护使StatCom退出运行。这种方法的明显缺点在于：StatCom不能在故障切除后用于提高系统的暂稳，改善故障后系统的动态品质。还有一方法是封锁GTO但不跳闸的保护、控制方案：系统故障期间，如果GTO过电流，则将所有GTO封锁，但StatCom装置仍与系统相连并工作在整流状态；一旦系统恢复，重新触发GTO，使StatCom回到正常工作状态。从而使StatCom在系统故障后快速投入运行，在故障切除后马上起到提高系统暂态稳定性、阻尼振荡、维持系统电压的作用。目前已在300 kvar StatCom装置上实现了这种方案，并将在河南洛阳朝阳变电站内的20 Mvar StatCom上采用。
5 如何实现非线性、多目标的综合控制
电力系统本身是一个大的强非线性系统，而且很多是非光滑非线性(励磁顶值、开度限制、乒-乓特性等)或不可逆非线性。其次，电力系统是一个变结构、变参数的大系统。最后，电力系统对控制的要求是多目标的(见表1)。
表1 电力系统的多目标控制要求
目 标
控制目标
要求
热稳极限
I2R不超过允许值
控制电流为常数或按反时限要求
提高输电线极限
维持电压
加大反馈增益，但不能引起振荡
提高暂稳(单摆式)
及时加大系统吸收能力
快速提高系统的稳定能力和减小相角差
提高暂稳(多摆式)
还需加大阻尼系统振荡能力
增大与功率角的导数成比例的阻尼力矩
阻尼振荡
抑制功率角的摆动
增大与功率角的导数成比例的阻尼力矩
次同步振荡
阻尼振荡
按次同步规律阻尼
当系统存在结构未知或系统参数波动很大时，以及控制目标有多个且相对重要性不固定而需要较多的人为判断时，现代控制理论的优势就不复存在了。有时这些目标是相互冲突的，关健阶段只能保证重点目标的实现。例如，提高暂稳极限与维持节点电压不变有时会产生矛盾，为提高暂稳极限，经常需要放开对节点电压限制；为维持节点电压不变，就要增大PI控制器的放大倍数，这会使系统阻尼减弱，容易引起系统振荡；过强的阻尼使系统动态响应变得呆滞，延长过渡过程时间。
另外，FACTS装置都存在非线性。以TCSC为例，其非线性来自以下几方面：触发角与容抗关系的非线性；保护限幅的非线性；在不同导通角间切换时其过渡时间不同(可在1～10周期间变化，1～2周期对应的是低补偿，8～10周期对应的是高补偿)。
多目标控制的措施有3类：(1)辩识不同目标以后，采取不同控制方法，见表2。困难在于：需要在线辩识不同的目标，而精确的在线辩识会以失去宝贵的控制时间为代价；即使有了不同目标的控制方法，在不同控制方法间的简单过渡会引起新的外加冲击；(2)不同控制规律取折中，这样虽然避免了过渡冲击，但没有充分利用控制可能提供的潜力；(3)采用自适应控制，低层采用最优控制，管理层用模糊控制。
表2 不同控制方法的效果比较
控制方法
适应性
单摆暂稳
极限
多摆暂稳
极限
过渡
阻尼
稳态值
抖动
PI
*
**
*
*
*
最优(大Q)
**
**
**
**
*
最优(小Q)
**
*
**
**
**
乒～乓
**
**
*
*
*
模糊
***
**
**
* *
**
注：*强；**较强；***最强。
我们在仔细分析电力系统多目标特点的基础上，利用模糊理论为StatCom设计了一种新型控制器，能适应电力系统参数变化，在不同运行状况下辨识出电力系统的主要目标，从而采取正确的控制方式。其具体实现方式是采用多状态线性反馈，利用模糊辩识器去改变其放大系数，从而达到改变控制规律的目的。
6 用DSP实现快速、高精度的脉冲发生器
对于FACTS装置来说，控制的精度与工作稳定性在很大程度上依赖于脉冲发生器所检测的同步信号的准确性及所产生的GTO的门极触发信号相位的均匀性，特别对于很大容量的StatCom更是如此(对于TCSC则要求不是那样高)。由此提出的高精度、高分辩率的要求一直是设计中的难点。
声表面波压控振荡器构成的数字相位合成器纯粹是硬件实现，优点是相位抖动小，缺点是调试复杂，为控制器向脉冲发生器送两个角度就付出了巨大的硬件开销，其实完全可以用软件实现；且测频不准(周期法测频，现在基本不再采用)，跟踪频率范围小(49～51 Hz)。而用DSP来实现脉冲发生器，只要改动软件就可使其适应于不同的应用场合，灵活性很大。DSP实现脉冲发生器跟踪速度快，频率范围宽。
触发脉冲同步信号的选取对StatCom的运行存在重要的影响。它决定了逆变电压的相位以及功率的流动方式、直流电容电压脉动的幅度、StatCom输出电流的畸变度。应采用系统电压的基波正序分量作为同步信号。
经分析，认为采用TMS320C3X可以满足要求。33.3 M FLOPS，指令周期为60 ns；32位指令和数据字；8个40位的扩展精度寄存器；2 K片内的RAM，单周期内可以访问两次。DSP具有多总线结构，允许并行操作；具有乘法/累加计算的单周期指令。现已开发成功基于DSP的FACTS通用控制器。
7 如何解决频率测量速度、精度问题
周期法(Zero-crossing Algorithm)物理概念清晰、易于实现，但其缺点明显：精度低，受谐波、噪声和非周期分量的影响，计算放大噪声，可靠性差，实时性不好等。笔者提出新的电力系统频率定义及相应的“虚拟转子法”测频原理。解析法的特点是模型简单，未考虑谐波、噪声和非周期分量的影响，算法简明，计算量小，不适宜非稳态频率的测量，即使在稳态条件下，亦必须有严格的前置滤波环节，且算法推导有近似化过程，精度总体不高。误差最小化原理类算法(最小二乘算法、最小绝对值近似、牛顿类算法)、DFT(FFT)类算法：内在具有不敏感于谐波分量的特性，但对信号的周期延拓引入频率混叠，需前置抗混叠滤波器。动态跟踪性质不佳，时滞长，Δf越小，时延越长，测量范围窄(±10%)，敏感于噪声和信号幅值变化。正交去调制法：一般动态跟踪能力比较好，且比较容易通过滤波法去除高噪声和谐波干扰，但不容易对付工频附近的噪声。
还有一种算法用一个正弦正交和一个余弦正交FIR滤波器实现去调制，并对输出进行简单的代数运算来估计原信号频率，该算法较明显体现了去调制与DFT的本质一致性。为动态补偿不匹配误差，将正交滤波器输出除以一个根据最近频率测量进行自适应补偿的滤波器幅值增益；为避免不稳定，自适应补偿级用最优预测算法来计算补偿量，具体实现时，滤波器增益事先算好，存储在查找表中。算法还包括对信号的前后置滤波。查找表的存储量，决定于分辨率(精度)、测量范围和动态跟踪性能等因素。查找表设计为47～53 Hz，分辨率为0.001 Hz。硬件用TMS320C31 DSP实现。该频率测量设备在可编程继电器测试设备上进行了测试，使用已知的参数信号和一基于微机的电力系统仿真器。结果表明该测频设备在稳态和动态情况下均可以给出快速精确的测量。如果算法用于频率保护继电器，设备对相位和幅度的瞬变响应不理想。
8 FACTS的控制如何与EMS相结合
如果在电力系统中广泛应用FACTS装置，协调问题的复杂性会大大增加。如果处理不当，会导致降低电力供应的可靠性。一部分FACTS装置的优良特性只有与能量管理系统(EMS)相结合(Coordination)才能实现。电网的EMS系统必然要将FACTS控制器的作用综合进去，修改、补充一些软硬件，使得EMS中的AGC、EDC和OPF等功能的效益得到提高。一些动态功能(如动态安全分析)和恢复性控制也会得到促进和改善。
通过典型的EMS信道所得的测量量只是提供了FACTS控制器能够作用的系统一个子集的可观测性，为了它们发挥更大作用，必须建立更多的信息通道。当FACTS装置需要增强暂态稳定性时，在关键厂站和FACTS控制器之间应建立分辩率为30 ms到50 ms的信道。现在，最主要的瓶颈问题是EMS的通信延时，它与其说是技术限制，不如说是一个实现的工艺问题。
FACTS可以优化潮流、在不同运行区域提供电压控制、减少机械设备的动作、充当开关操作、提高电力品质。尽管涉及到FACTS的动态、暂态的控制环在EMS外就闭合了，这些控制器的某些特定参数只有在EMS所提供的信息基础上才能得到最佳的调节。将来，FACTS控制器一定程度的自适应可以从EMS开始，因为FACTS控制器的参数被调到符合现行的负荷和网络结构，它的响应会比按最坏情况整定更为有效，毕竟最坏情况只是偶尔发生。一些EMS中心已经实现了快速暂态控制器的自适应，也叫特殊保护系统，根据现在运行状况决定那些继电器闭锁或打开。EMS现可用的软件，只有相当简单的FACTS扩展模型，能够在其他一些机械控制器的相同等级上稳态完成FACTS的控制和一些协调，如潮流调度员、静态安全性功能、最优潮流。前两个功能使用稳态潮流，由运行人员手工干预完成不同设备的协调，工具软件只是用来验证运行人员选择的有效性。最优潮流使用同样潮流模型，但它可以自动协调不同设备的控制，已完成以下功能之一：损耗最小，生产成本最小，安全性等。这是相当复杂的功能，引入EMS不久，在线使用需要提高其鲁棒性。除了要把不同FACTS的模型组合进来，OPF还需要能把阻抗作为控制变量的推广算法。这些新的控制变量对解法的鲁棒性的影响现在还不知道。
9 控制器之间的协调控制
FACTS装置通常是按具体需要个别设计制造的，标准平台和模块结构等技术虽可促进FACTS控制器设计的标准化，但近期内很难改变其个别设计应用的总局面。
传统的分散配置的分散FACTS控制器之间，FACTS控制器与按分散控制理论设计的已有快速控制器(如系统继电保护、PSS、励磁系统及其附加控制)之间，FACTS控制器与常规型控制器(如汽门快关、电气制动、调速器及其附加控制、常规串补或并联补偿等)之间，各种相互关系或相互作用需要认真研究。原先，它们实际是在简化模型下设计的“孤立”控制器，只考虑本机可测信号，不考虑多机系统之间的关联作用，也不考虑系统中其他控制器的存在及其相互影响。其结果是使这种控制器只能对改善本机控制特性有一定好处，对系统中其他相邻机组的动态行为不可能有确定的改善，相反却存在由于各控制之间动作无法相互协调而使系统或各自的控制特性恶化的可能。北美系统在加装PSS过程中曾有过缺乏协调而使低频振荡重新出现甚至加剧的实例。FACTS装置使电力系统增加了一批响应时间常数以毫秒计非常灵敏的控制器，使协调控制问题更加复杂。
全状态量反馈最优控制可以使全系统性能指标对各个控制器的动态行为进行协调，但其各个控制器的反馈量必须取全系统所有状态量或输出量，这是无法实现的，必须采用最优分散协调控制的方法，科学地处理多机系统中受控对象如何解耦，解耦以后又怎样按给定性能指标进行分散控制器之间的最优协调问题。其关键技术问题包括：FACTS控制器种类、结构的选择及反馈量的选取；FACTS装置安装地点的选取及参数的整定；同一地区多种控制器的协调，不同地区控制器间的谐调；非线性和不确定性的处理；多运行点、运行方式变化的适应性及不同干扰的适应性；多目标的协调；大规模矩阵特征根的分析；为简化控制器设计计算所需要的系统降阶动态等值。
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