馬春明，解 大，余志文，張延遲

（1.上海交通大學(xué) 國家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心，上海 200240；2.上海電機(jī)學(xué)院 電氣工程系，上海 200240）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性、沖擊性負(fù)荷大量增加，這給電能質(zhì)量污染帶來了巨大的影響，電壓跌落作為電能質(zhì)量的一個(gè)重要方面?zhèn)涫荜P(guān)注[1-3]。

電壓控制裝置主要采用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），目前對(duì)它的研究主要集中在檢測(cè)[4-5]和補(bǔ)償控制策略[6-8]方面，主要采用基于 Park 變換的離散算法[9-10]和傳統(tǒng)的瞬時(shí)無功功率理論等，數(shù)學(xué)運(yùn)算量大，在補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性等方面與實(shí)際應(yīng)用要求有一定的差距。

文獻(xiàn)[11]提出一種關(guān)于無功補(bǔ)償?shù)乃惴ǎ捎弥绷鱾?cè)電容電壓控制和系統(tǒng)無功電流反饋控制，電流環(huán)采用滯環(huán)比較；電壓環(huán)采用周期控制，可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)荷無功。但是，電壓跌落時(shí)并未考慮如何控制無功補(bǔ)償裝置，為此本文提出針對(duì)靜止無功發(fā)生器（SVG）電壓的改進(jìn)控制策略，使之既能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償負(fù)荷的無功電流，又能在電壓跌落時(shí)短時(shí)維護(hù)負(fù)荷電壓穩(wěn)定。

1 工作原理

圖1 SVG結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SVG

SVG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，采用電壓型橋式電路，直流側(cè)采用電容為儲(chǔ)能元件。其中，UC為逆變器直流側(cè)電容電壓，電容電壓初始值設(shè)為UC0；us為補(bǔ)償點(diǎn)電壓；is為系統(tǒng)電流；iVT為SVG補(bǔ)償電流；iL為非線性負(fù)荷電流，它看作是系統(tǒng)的一個(gè)外部擾動(dòng)輸入量，這樣既符合逆變器負(fù)載多種多樣的實(shí)際情況，又可以建立一個(gè)形式簡(jiǎn)單而且不依賴具體負(fù)載類型的逆變器數(shù)學(xué)模型。

設(shè)補(bǔ)償點(diǎn)電壓為：

在正常運(yùn)行時(shí)，SVG只需補(bǔ)償無功；在補(bǔ)償點(diǎn)電壓瞬時(shí)跌落時(shí)，由于SVG本身消耗的有功能量很少，因而可忽略不計(jì)。

SVG瞬時(shí)補(bǔ)償電流為：

SVG輸出功率為：

瞬時(shí)無功功率qL在一個(gè)周期內(nèi)的積分為：S

VG的有功功率ΔPL在一個(gè)周期內(nèi)的積分為：

當(dāng)電壓跌落時(shí)，SVG可以維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的周期個(gè)數(shù)m滿足：

為了使補(bǔ)償點(diǎn)負(fù)荷無功正常補(bǔ)償，UC1不能為0。假設(shè) UC1=αUC0（0<α<1），則此時(shí) SVG 可維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的時(shí)間為：

其中，IpL是補(bǔ)償器輸出的損耗有功電流。ts與C、UC0的平方成正比，與IpL成反比。

根據(jù)式（2）和（7）得出結(jié)論：要保證 SVG 有效輸出補(bǔ)償電流，使得負(fù)荷的輸入電流只有有功電流和負(fù)荷電壓穩(wěn)定，需要解決2個(gè)關(guān)鍵問題：一是保證能準(zhǔn)確檢測(cè)到補(bǔ)償點(diǎn)電壓跌落幅值和相位，作為算法計(jì)算和補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)；二是需能準(zhǔn)確獲得各種目標(biāo)電流，保證等效負(fù)荷的功率只有有功成分。

由式（7）可得到IpL的計(jì)算公式如下：

式（8）可作為計(jì)算SVG可接受的電壓跌落的程度以及持續(xù)時(shí)間的理論依據(jù)。在風(fēng)機(jī)低電壓穿越問題中，典型的規(guī)定是在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保持至少625 ms不脫網(wǎng)運(yùn)行[12-13]，因而ts取為625 ms，計(jì)算可接受的電壓跌落程度，若電壓跌落為瞬時(shí)短路造成的，則可根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和IpL計(jì)算短路時(shí)的接地電阻。

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 工作模式選擇

為了判斷補(bǔ)償點(diǎn)電壓是否跌落，可先對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行峰值電壓采樣，然后進(jìn)行判斷。峰值電壓采樣的方法有很多：可以利用快速傅里葉變換進(jìn)行峰值檢測(cè)，但算法上比較復(fù)雜[14]；也可以采用軟硬件相結(jié)合的峰值檢測(cè)算法，但同樣比較復(fù)雜，而且很難檢測(cè)出突然變化的峰值[15]。

本文采用如圖2所示的方法：待檢測(cè)的電壓us，通過鎖相環(huán)（PLL）后，再通過正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與 us同相位的單位正弦波形 f（t），f（t）的相位和頻率與us相同，邏輯判斷f（t）是否大于一個(gè)固定常數(shù)（此處取為0.99），來產(chǎn)生采樣峰值觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖的寬度可通過更改固定常數(shù)來調(diào)整。

us峰值采樣完成后，判斷峰值采樣電壓Um與負(fù)荷正常運(yùn)行的最小值Umin的大小，如果Um>Umin，則只進(jìn)行負(fù)荷無功電流的補(bǔ)償；如果Um

圖2 SVG工作模式選擇Fig.2 Selection of SVG working mode

補(bǔ)償裝置四橋臂上的IGBT的滯環(huán)控制信號(hào)可參照表1。根據(jù)表1的邏輯關(guān)系，可用圖3的邏輯控制圖來實(shí)現(xiàn)IGBT的控制。其中，S1—S4對(duì)應(yīng)電壓補(bǔ)償方式下，IGBT的預(yù)處理的控制信號(hào)；S5—S8對(duì)應(yīng)電流補(bǔ)償方式下，IGBT的預(yù)處理的控制信號(hào)，在邏輯判斷“Um>Umin？”后進(jìn)行相應(yīng)的控制。

表1 IGBT通斷的控制信號(hào)參照表Tab.1 Reference of IGBT on-off control signal

圖3 IGBT通斷的邏輯控制圖Fig.3 Logic chart of IGBT on-off control

2.2 電壓補(bǔ)償工作模式

根據(jù)SVG的工作原理知道，可把SVG視為交流電流源，通過對(duì)逆變器輸出端交流電源的相位和幅值的控制，來間接控制SVG的輸出電流，保持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定。

負(fù)荷加重時(shí)，若Um

圖4 目標(biāo)電壓算法Fig.4 Target voltage algorithm

根據(jù)負(fù)荷所在支路的電壓設(shè)定U*s的值，對(duì)系統(tǒng)電壓us的相位進(jìn)行鎖存，經(jīng)過正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一同相位的單位正弦信號(hào)，兩者經(jīng)過乘法器后，得到目標(biāo)電壓，目標(biāo)電壓與待補(bǔ)償?shù)闹冯妷哼M(jìn)行滯環(huán)邏輯比較，利用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）產(chǎn)生脈沖，控制IGBT的通斷，從而控制連接在主電路中的裝置的電流輸出，達(dá)到維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的目的。

在EMTP仿真軟件中，電壓us經(jīng)過PLL后產(chǎn)生與電壓us相位相同的單位正弦波，因而目標(biāo)電壓的檢測(cè)只用到一次乘法器和鎖相環(huán)，容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 電流補(bǔ)償工作模式

當(dāng)負(fù)荷電壓基本不發(fā)生變化時(shí)，即滿足Um>Umin時(shí)，只進(jìn)行負(fù)荷無功電流的補(bǔ)償。按照PWM控制規(guī)律，根據(jù)功率平衡原理，當(dāng)電容C上的電壓保持不變時(shí)，電感L上輸出的電流iVT就不包含基波有功電流。保持直流側(cè)電容電壓恒定是控制目標(biāo)之一。直流側(cè)電壓的變化由兩部分引起：直流側(cè)和交流測(cè)的無功交換、補(bǔ)償裝置的損耗功率?？梢圆捎糜泄p耗電流檢測(cè)算法的方法補(bǔ)償無功；也可以采用通過計(jì)算得到負(fù)荷無功電流的幅值和相位2個(gè)方面的信息，得到目標(biāo)電流[16]。本算法采用后者，計(jì)算出負(fù)荷所需無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，具體理論推導(dǎo)如下所示。

將補(bǔ)償點(diǎn)電壓us延遲5 ms得到：

所以得到目標(biāo)無功電流幅值：

目標(biāo)無功電流計(jì)算如圖5所示。

圖5 無功目標(biāo)電流算法Fig.5 Target reactive current algorithm

這種算法直接通過計(jì)算無功得到目標(biāo)無功電流幅值，減小計(jì)算量，同時(shí)避免系統(tǒng)電壓突變等情況的影響。在原有算法上，僅用了一個(gè)延時(shí)器、一個(gè)乘法器和一個(gè)周期平均環(huán)節(jié)就可以得到系統(tǒng)的無功電流分量，實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 運(yùn)行特性分析

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，采用下列運(yùn)行過程：在 0～0.1 s區(qū)間，非線性負(fù)荷正常運(yùn)行；0.1～0.3 s區(qū)間，加重負(fù)荷，加重的負(fù)荷以4 Ω電阻和3 Ω電感串聯(lián)為例；在0.3 s以后，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

電源電壓取峰值為310 V的交流電源，電容值取為20 mF，電容初始電壓取為450 V，在0.1 s時(shí)負(fù)荷加重，由于峰值采樣的負(fù)荷電壓低于260 V，因而進(jìn)入電壓補(bǔ)償階段；0.3 s切除加重的負(fù)荷時(shí)，為了防止誤操作，經(jīng)過一定的延時(shí)（本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為至多60 ms）后，恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷無功電流補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)。

系統(tǒng)工作時(shí)，負(fù)荷電壓波形如圖6所示，SVG的輸出電流如圖7所示。分析其工作特性如下：對(duì)比圖6和圖7，在0.1 s之前，只進(jìn)行負(fù)荷無功電流的補(bǔ)償；0.1 s加重負(fù)荷后，SVG由僅進(jìn)行無功電流的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為維持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定；在0.3 s切除加重的負(fù)荷后，SVG由維持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為僅進(jìn)行負(fù)荷無功電流的補(bǔ)償。

沒有SVG時(shí)，其仿真參數(shù)設(shè)置與上述實(shí)驗(yàn)相同，負(fù)荷電壓的變化如圖8所示。有SVG時(shí)，但只按照電流工作模式下進(jìn)行無功補(bǔ)償，負(fù)荷電壓的波形如圖9所示，SVG輸出電流的波形比較如圖10所示。

圖6 有SVG時(shí)的負(fù)荷電壓Fig.6 Load voltage with SVG

圖7 SVG輸出的補(bǔ)償電流Fig.7 Compensation current output by SVG

圖8 沒有SVG時(shí)的負(fù)荷電壓Fig.8 Load voltage without SVG

圖9 只進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)的電壓波形Fig.9 Voltage waveform only with reactive power compensation

圖10 只進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)的電流波形Fig.10 Current waveform only with reactive power compensation

比較圖6、8、9可知，電壓跌落時(shí)，沒有SVG且只進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，無法維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定；比較圖7和10可知，前者不但可以補(bǔ)償無功，而且電壓跌落時(shí)能維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定，后者只能補(bǔ)償負(fù)荷變化時(shí)的無功。

3.2 各參數(shù)對(duì)運(yùn)行特性的影響

由其工作原理可知，電壓跌落時(shí)，SVG可維持電壓穩(wěn)定的時(shí)間ts與C、UC0、α和IpL有關(guān)。

設(shè)直流側(cè)電容電壓初始值UC0=450 V，通過改變電容C，得到如圖11所示的直流側(cè)電壓。

圖11 UC0=450 V時(shí)直流側(cè)電容電壓Fig.11 DC link capacitor voltage when UC0=450 V

由圖11可以看出，電容電壓波動(dòng)幅值隨電容值的增大而變小，當(dāng)電容值較小時(shí)，電容上的儲(chǔ)能也小，電容電壓波動(dòng)很大，維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的時(shí)間有限。當(dāng)電容電壓過小時(shí)，SVG出口端電壓無法達(dá)到要求，考慮到實(shí)際電路中導(dǎo)線上電阻損耗、電容介損等因素，不僅無法維持補(bǔ)償點(diǎn)電壓穩(wěn)定，甚至不能補(bǔ)償負(fù)荷無功。

考慮電阻損耗、電容介損等因素，α取為0.2。SVG可接受的電壓跌落程度計(jì)算過程如下：電壓跌落持續(xù)時(shí)間為200 ms時(shí)，根據(jù)式（8）得到IpL≈62.71 A，結(jié)合并網(wǎng)點(diǎn)電壓計(jì)算出可維持的短路接地電阻R=3.49 Ω。本次實(shí)驗(yàn)的過載負(fù)荷為4 Ω電阻和3 Ω電感串聯(lián)，是在可以維持的過載范圍以內(nèi)，理論得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文提出的SVG的電壓控制策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。仿真結(jié)果表明，所提策略不僅對(duì)負(fù)荷的無功進(jìn)行補(bǔ)償，而且實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷電壓，一旦發(fā)生跌落就進(jìn)行短時(shí)維護(hù)負(fù)荷的電壓穩(wěn)定，對(duì)提高風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力有一定的參考價(jià)值。