高压断路器电磁类型操作机构的双闭环控制模型研究

随着我国特高压输电需求的发展，变压器额定容量更大，励磁涌流幅值也更高，这些对电网不稳定影响也更趋明显。而采用选项开关技术，则可以小若开关过程中产生的电磁暂态效应，有效抑制投切空载变压器组以及务工补偿器组等产生的涌流及过电压。这其中，断路器起到至关重要的作用，应满足选相开关技术要求，具有良好动作时间稳定性和可控性，经我们研究院研究验证，这也能提升断路器的使用寿命。当前市场主流的永磁式选相开关以黑盒控制模型为主，具体有1、采用直流伺服电机对断路器进行合闸位移跟踪，2、采用改进型滞环控制方式控制永磁机构励磁线圈电流与参考曲线一致，3、永磁机构位移信号采集模糊PID算法控制，4、永磁机构闭环仿真系统。这些黑盒控制模型虽然实现了控制效果，但存在控制器参数选取困难、控制精度低等问题，不能清晰表达永磁机构内部数学模型。对此，我研究院在借鉴文献和同行经验，进行了高压断路器永磁类型操作机构的位移跟踪技术研究，为实现断路器的位移按照给定曲线运动，降低合闸分散性，提高选相精度的目标，我们试验建立永磁操作机构内部数学模型，将电磁场与力场耦合，设计双闭环控制器。经过Simulink中模拟控制，通过改变外部电容电压，比较黑盒控制模型，双闭环控制模型精度明显提高，符合预期，将断路器合闸时间的分散性控制在±0.5ms还可更好地延长断路器的使用寿命。

放电电容电压是影响断路器运动的最主要因素。断路器每次动作后需重新充电，但电容每一次充电的电压会上下浮动，并且随着电容长时间的放置，电压也会有所降低，同时又需要保证实际的操纵机构的机械特性不变。电压越高，永磁机构励磁时间越短,运动速度越快改变电容电压从140~320V，每30V作为电压间隔。采用双闭环控制器,其位移环控制参数为kpx=200000,kdx=50000，电流环控制参数kpi=2,kdi=0.0001,PWM输出模块频率为10kHz。设计黑盒控制器模型：触动阶段控制方式与双闭环控制模型相同，运动阶段，通过位移偏差，采用PID控制直接控制IGBT占空比。比较黑盒模型与双闭环控制模型的控制效果，我们得出结论，双闭环模型可将机构合闸时间分散性控制在0.1ms内，而黑盒模型虽然也有控制效果，但合闸时间的最大误差为1.05ms，控制精度也较差。实际电力系统运行过程中,分散性越大，造成的合闸过电压与合闸涌流也越大，对电力设备损害越大。

试验可见，双闭环控制模型更具有发展前景。