不平衡系統(tǒng)下無功補償?shù)牟呗匝芯?/h1>
2014-06-01 12:28:23裴鵬鵬杜乃成
電工電能新技術(shù) 2014年1期
趙 影，裴鵬鵬，杜乃成
(1．天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗，天津300384; 2．天津市瑞靈自動化工程有限公司，天津300384)
不平衡系統(tǒng)下無功補償?shù)牟呗匝芯?/p>
趙 影1，裴鵬鵬1，杜乃成2
(1．天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗，天津300384; 2．天津市瑞靈自動化工程有限公司，天津300384)
本系統(tǒng)設(shè)計的是以三電平空間矢量控制方案建立調(diào)制數(shù)學(xué)模型并分析控制過程，以瞬時無功理論為基礎(chǔ)對無功量進行提取，又討論了負(fù)載在不平衡時的補償，通過基于d-q坐標(biāo)系的雙序同步控制SVG的策略，分離出三相不對稱的正負(fù)序分量，采用對正序和負(fù)序同步控制器分別對SVG的輸出進行正序和負(fù)序分量閉環(huán)反饋控制，最終實現(xiàn)對無功功率的實時補償和提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，通過仿真驗證了該理論的正確性，并且通過實驗對其中阻感負(fù)載情況下的無功分量進行實時補償，根據(jù)提取的無功量通過空間矢量調(diào)制，補償?shù)诫娋W(wǎng)中使功率因數(shù)得到顯著提升。
無功補償;空間矢量;雙序同步控制;微處理器
1 引言
在科技與經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，其占有率在現(xiàn)代工業(yè)與電子行業(yè)已經(jīng)有舉足輕重的地位，大量不平衡和沖擊性負(fù)載的存在對現(xiàn)代電網(wǎng)造成了越來越嚴(yán)重的電流污染，大量無功電流在電網(wǎng)中現(xiàn)實存在，影響電力企業(yè)的經(jīng)濟效益，準(zhǔn)確實時地檢測無功電流至關(guān)重要。本文介紹了基于瞬時無功功率理論的無功檢測方法，但這是在負(fù)載是平衡時的方法，在三相負(fù)載不平衡環(huán)境下使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量負(fù)序電流，針對三相不平衡的負(fù)載則要采用正負(fù)雙序控制策略對不對稱負(fù)載進行平衡化，以三電平空間矢量控制為手段，對檢測出來的電流信號進行矢量變化，不僅能為電網(wǎng)提供大量的無功電流的傳輸量，而且能更好地提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，對不對稱負(fù)載能起到很好的平衡作用。本文是以二極管鉗位型三電平逆變器為控制方式產(chǎn)生脈沖信號，此方法較之前的載波調(diào)制和兩電平逆變器，產(chǎn)生的諧波更少，對直流側(cè)電壓利用率更高，降低電網(wǎng)中負(fù)載的不平衡度，無功補償效果更佳。
2 SVG系統(tǒng)整體概述
SVG補償裝置的工作原理如圖1所示，整個系統(tǒng)相當(dāng)于SVG通過連接電抗器與電網(wǎng)相來調(diào)節(jié)吸收無功功率的大小。
圖1 SVG等效連接圖Fig．1 SVG equivalent circuit
設(shè)三相系統(tǒng)電網(wǎng)電壓是對稱且平衡狀態(tài)下，三相電壓有如下表示形式［1］:
由圖1的等效電路知，補償裝置的輸出電壓的形式為:
式中，K值表示的是逆變器的變壓比;δ表示SVG裝置經(jīng)過逆變的輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位角的差值，根據(jù)基爾霍夫原理可以表示出三相動態(tài)的方程:
對電容電壓原理進行分析得到動態(tài)數(shù)學(xué)方程:
將上幾個方程經(jīng)Park變換整理得到以下矩陣:
對上面的SVG數(shù)學(xué)模型矩陣分析［2］，當(dāng)電網(wǎng)平衡時，只考慮基波分量，只有正序分量的變化，但只能實現(xiàn)正序無功補償，對于在三相不平衡系統(tǒng)中，三相電路中將產(chǎn)生負(fù)序電流，并會在直流側(cè)處產(chǎn)生特征諧波電流對系統(tǒng)有害;電路中存在負(fù)序電流，這樣對SVG的分析就不能只是在正序狀態(tài)下搭建數(shù)學(xué)模型，在三相不對稱時，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)負(fù)序分量，所以既有正序也會有負(fù)序電壓，此時電網(wǎng)電壓usa為，其中，p、n分別表示電壓的正序和負(fù)序。
本文設(shè)計了正序、負(fù)序雙序同步的控制策略，將復(fù)平面中三相電壓和電流矢量通過d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，但會出現(xiàn)諧波分量，控制時采用陷波器加以濾除，這樣經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后的電壓電流信號中只含有相應(yīng)直流分量，經(jīng)過d-q變換就是為了使正序分量為直流量，而負(fù)序分量則為二次諧波分量，正序分量以ω為角頻率旋轉(zhuǎn)，負(fù)序分量則以 －ω的角頻率旋轉(zhuǎn)，采用PI調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)正、負(fù)雙序電流的無靜差控制。
3 正負(fù)雙序疊加同步控制策略
本系統(tǒng)是采用電流與電壓雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)解耦控制，通過外環(huán)控制直流電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)對電流進行正負(fù)序解耦控制［3，4］，如圖2所示。
圖2 雙閉環(huán)電流同步控制Fig．2 Double synchronous current controller
同理采用電流負(fù)序控制的運算方式時，三相到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的運算矩陣為:
這樣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換之后，SVG輸出的正序和負(fù)序電壓分量的反饋量與參考值都是直流量，對于正負(fù)雙序同時控制方案，電流內(nèi)環(huán)控制采用兩組控制器，分別為建立在正序d-q坐標(biāo)系上的PI控制器，為正序控制器，另一組為建立在負(fù)序d-q上的PI控制器，為負(fù)序控制器，在負(fù)載不平衡時，進行對正序和負(fù)序分量控制，這樣雙序控制就能實現(xiàn)同時對信號正序和負(fù)序的同步補償控制，整體的設(shè)計方案采用前饋解耦控制，電流調(diào)節(jié)器采用 PI控制時，同時對外環(huán)直流側(cè)的電容電壓和內(nèi)環(huán)的電流進行跟蹤
控制，對于電流正序控制方程算法為:
具體的雙序疊加控制變換如下［5］:
(1)電流的正序控制是指將系統(tǒng)的三相電流信號進行坐標(biāo)變換，經(jīng)過濾波器得到正序無功分量指令，與SVG輸出的電流信號經(jīng)過同樣正序坐標(biāo)變換得到的正負(fù)序電流值和相比較，再經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)解耦就能得到正序電壓信號和。
(2)電流內(nèi)環(huán)負(fù)序解耦控制，是指三相電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換再經(jīng)過濾波器之后得到負(fù)序的有功和無功電流指令和，同樣與 SVG輸出的電流經(jīng)過相同的負(fù)序坐標(biāo)變換得到的電流信號 idn和 iqn相比較作差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)解耦控制得到負(fù)序的電壓輸出信號，然后將求取的正負(fù)序電流信號相加得到實際的需要補償?shù)男盘?
通過三電平空間矢量變換生成IGBT的開關(guān)脈沖信號，通過正序與負(fù)序疊加控制能夠同時補償電流的正序與負(fù)序，經(jīng)過信號處理后也會是直流信號，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)信號的跟蹤控制。
4 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制原理
三電平逆變器相對于傳統(tǒng)的兩電平來說，主開關(guān)其間的電壓會降低一半，具有輸出容量大，諧波含量大為降低，在同樣諧波含量的情況下，開關(guān)頻率下降一半，采取相同調(diào)制比來提高電網(wǎng)的工作效率，這就是多電平通過增加電平數(shù)目來增大容量和抑制諧波產(chǎn)生的原因。三相三電平逆變器的每一相的輸出三種情況對應(yīng)等效電壓矢量有27個開關(guān)狀態(tài)，如圖1所示，三電平 NPC型逆變器拓?fù)銫d1和 Cd2來為變換電路提供兩個相同的直流電壓，VT11和 VT12用來電平鉗位［6，7］。
圖3 NPC型三電平PWM主電路拓?fù)銯ig．3 PWM main circuit topology
4.1 扇區(qū)的判斷
根據(jù)坐標(biāo)變換把三相電壓信號由坐標(biāo)變換計算出Uα和Uβ，據(jù)此就能計算出扇區(qū)，下面以參考向量在第一扇區(qū)下的六個小扇區(qū)為例介紹小扇區(qū)的判斷。小扇區(qū)的判斷如圖4所示。
圖4 小扇區(qū)的判斷Fig．4 Sector judgment
(1)當(dāng)θ≤π/6時，參考矢量Uref落在B或D或 F區(qū)域內(nèi)。具體區(qū)域劃分規(guī)則:當(dāng)時，矢量落在B扇區(qū);當(dāng)時，矢量落在F扇區(qū)，其余在D扇區(qū)。
(2)當(dāng)θ＞π/6時，參考矢量Uref落在A或C或 E 區(qū)域內(nèi)。具體區(qū)域劃分規(guī)則:當(dāng)時，矢量落在 A扇區(qū);Uβ＞ Udc/2時，參考矢量落在E區(qū)域內(nèi);其余落在C區(qū)域內(nèi)。
4.2 矢量時間的計算
判斷出了參考矢量所在的區(qū)域，則可根據(jù)NTV法則，找到合成參考矢量的三個基本矢量，把這三個基本矢量一起代入伏·秒平衡方程組，解得(A，B區(qū)域)基本矢量的作用時間:
4.3 確定開關(guān)矢量作用順序
在三電平逆變器正常運行過程中，逆變器的三種狀態(tài)只能在 1和 0，0和 －1之間連續(xù)的相互轉(zhuǎn)換，而不能在1和－1狀態(tài)之間突變，在每個小的三角形中至少含有一對小矢量，在本系統(tǒng)中所提出的空間矢量算法中，所輸出的矢量都是正小矢量，因為每相鄰的兩個正小矢量是只相差一個不同的狀態(tài)，即根據(jù)這些時序圖就能得到三個橋臂IGBT開關(guān)器件的驅(qū)動信號，圖5所示為其中兩個小扇區(qū)的時序圖。
圖5 扇區(qū)時序圖Fig．5 Sector timing diagram
5 仿真與實驗結(jié)果分析
采用正負(fù)雙序同步控制與三電平的空間矢量技術(shù)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功功率補償，同時輸出的電壓波形進一步較之前的補償技術(shù)有了更高一層的提高［8］。
(1)平衡負(fù)載的仿真 (突變負(fù)載)
仿真過程持續(xù)0.3s，初始為三相平衡的阻感性負(fù)載，三相電阻為3Ω、電感為0.008H的阻感負(fù)載，電壓超前電流，時間一開始就加入補償裝置完成了很好的補償，在0.14s時突變阻容性負(fù)載，電壓滯后電流，三相電阻為 2Ω、電容為 600μF的阻容性負(fù)載。
直流側(cè)電壓波形如圖7所示，在整個仿真過程中電容電壓穩(wěn)定在600V，在對直流側(cè)電壓進行外環(huán)PI控制后能夠很好地控制電容電壓的穩(wěn)定。
(2)不平衡負(fù)載仿真結(jié)果
為了模擬負(fù)載不平衡情況下的負(fù)載，此次仿真設(shè)計了三相不平衡的負(fù)載參數(shù)，負(fù)載參數(shù)分別為A相負(fù)載參數(shù)為電阻2Ω，電感0.008H，B、C相負(fù)載參數(shù)電阻3Ω，電感0.008H，這樣就模擬了三相不平衡負(fù)載的環(huán)境。
圖6 A相電壓電流波形Fig．6 Phase A voltage and current waveforms
圖7 直流側(cè)電壓波形Fig．7 DC voltage waveform
通過采用正負(fù)雙序同步控制之后，對比圖8(a)和圖8(b)補償前后三相負(fù)載電流的波形圖，可以看出，采用雙序控制之后三相電流明顯得到平衡控制，三相不平衡的負(fù)序檢測電流如圖9所示，網(wǎng)側(cè)電流運用正負(fù)雙序控制策略后穩(wěn)定輸出，對不平衡負(fù)載的電流補償效果明顯，對負(fù)序電流的補償控制方法而得到了驗證，通過圖10可以看出能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓，仿真補償效果良好，實時性與功能性得到了驗證。
整個系統(tǒng)實驗的主控部分是由目前控制領(lǐng)域最先進的微處理器之一的 32位定點 DSP控制器TMS320F2812為主要芯片的控制板、測量和電源板、信號調(diào)理板等構(gòu)成，由于應(yīng)用高性能的 DSP專用信號處理芯片使得控制系統(tǒng)本身的反應(yīng)時間在5 ms以內(nèi)。本文在實驗室對實際的三相平衡阻感負(fù)載系統(tǒng)進行了算法的實際驗證，對實際阻感負(fù)載進行在線補償，由圖11(a)可以看出負(fù)載的電壓與電流有一定的相位差。本次實驗是在實驗室條件下針對三相平衡阻感負(fù)載引起的功率因數(shù)低的情況下，來對理論進行實際驗證與測試，本次實驗的實驗數(shù)據(jù)為:三相電網(wǎng)相電壓為53V，ADCLK=15MHz，其中針對相應(yīng)的IGBT的死區(qū)時間為Tdelay=4μs，逆變器直流側(cè)電容進行并串聯(lián)組合，為了防止高次諧波進入電網(wǎng)就加入電感值為5mH的濾波電感，具體的PI參數(shù)為kp=0.06，ki=0.001，輸出的濾波電容數(shù)值為600μF，實驗過程分為兩部分來做:
一是針對無功提取的算法設(shè)計，通過瞬時無功理論的支持，對三相電網(wǎng)電流經(jīng)過 d-q軸坐標(biāo)變換提取到電網(wǎng)中的無功電流成分;二是針對空間矢量的PWM脈沖波的調(diào)制，通過對提取的三相無功電流，首先要根據(jù) Clark變換，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相直角坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系下進行算法的運算，然后再進行時間的求取，再分配，最后由求得到基本矢量的作用時間與三角載波比較產(chǎn)生脈沖響應(yīng)去控制主電路開關(guān)器件IGBT的通斷。
通過對實驗結(jié)果的分析得到電網(wǎng)的功率因數(shù)提高到接近1的數(shù)值，從圖11可以得到一定的結(jié)論，針對平衡阻感性負(fù)載通過 SVG的實時補償和借助瞬時無功理論的理論支持可以實現(xiàn)補償，效果比較接近理想數(shù)值。
圖8 補償前后電流波形Fig．8 Compensation current waveforms
圖9 檢測到的負(fù)序電流波形Fig．9 Negative sequence current waveforms
圖10 直流側(cè)電壓波形Fig．10 DC voltage waveform
圖11 補償前后電壓與電流波形Fig．11 Phase A compensation voltage and current waveforms
6 結(jié)論
本文為了實時地檢測無功電流以及通過逆變回饋給電網(wǎng)，提出了一種動態(tài)響應(yīng)快、以靜態(tài)誤差小的三電平逆變器為調(diào)制手段的補償方案，既能補償無功電流，又能使直流側(cè)的電容電壓穩(wěn)定。為了抑制三相不平衡負(fù)載的負(fù)序電流，又提出了雙序疊加同步控制的策略，將系統(tǒng)中的正負(fù)序電流疊加同時控制，并且又進行了MATLAB仿真，既實現(xiàn)了理想的實驗結(jié)果，提高了功率因數(shù)又能平衡負(fù)載。最后以實驗的形式對理論進行實際驗證，通過DSP2812處理芯片對電網(wǎng)中的無功電流進行補償，通過仿真與實際試驗對電網(wǎng)的高功率運行提供了理論基礎(chǔ)。
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Research of control strategy of static var generator in unbalanced system
ZHAO Ying1，PEI Peng-peng1，DU Nai-cheng2
(1．College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin 300384，China; 2．Tianjin Rui Ling Automation Engineering Co．Ltd．，Tianjin 300384，China)
A mathematical model is designed with a three-level SVPWM control and the control process is analyzed in the paper．The amount of reactive power is obtained by the instantaneous reactive power theory，and the compensation at unbalanced load is discussed also．The unsymmetrical components are seperated by the strategy of double sequence synchronization control of SVG based on d-q coordinates．The output of SVG is respectively controlled in positive and negative sequence closed-loop feedback control by using positive and negative sequence synchronous controller．Finally，the real-time compensation of reactive power and the improvement of power factor of the grid are achieved．Simulation and experiments show the correctness of the theory and the power factor of the grid is improved．
reactive power compensation;space vector;double sequence synchronous control;microprocessor
TP13
:A
:1003-3076(2014)01-0030-06
2012-05-28
趙 影 (1954-)，女，天津籍，副教授，研究方向為電力電子與電機傳動;裴鵬鵬 (1986-)，男，山東籍，碩士研究生，研究方向為電力電子與電網(wǎng)無功補償。
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趙 影，裴鵬鵬，杜乃成
(1．天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗，天津300384; 2．天津市瑞靈自動化工程有限公司，天津300384)
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(1．天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗，天津300384; 2．天津市瑞靈自動化工程有限公司，天津300384)
本系統(tǒng)設(shè)計的是以三電平空間矢量控制方案建立調(diào)制數(shù)學(xué)模型并分析控制過程，以瞬時無功理論為基礎(chǔ)對無功量進行提取，又討論了負(fù)載在不平衡時的補償，通過基于d-q坐標(biāo)系的雙序同步控制SVG的策略，分離出三相不對稱的正負(fù)序分量，采用對正序和負(fù)序同步控制器分別對SVG的輸出進行正序和負(fù)序分量閉環(huán)反饋控制，最終實現(xiàn)對無功功率的實時補償和提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，通過仿真驗證了該理論的正確性，并且通過實驗對其中阻感負(fù)載情況下的無功分量進行實時補償，根據(jù)提取的無功量通過空間矢量調(diào)制，補償?shù)诫娋W(wǎng)中使功率因數(shù)得到顯著提升。
無功補償;空間矢量;雙序同步控制;微處理器
1 引言
在科技與經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，其占有率在現(xiàn)代工業(yè)與電子行業(yè)已經(jīng)有舉足輕重的地位，大量不平衡和沖擊性負(fù)載的存在對現(xiàn)代電網(wǎng)造成了越來越嚴(yán)重的電流污染，大量無功電流在電網(wǎng)中現(xiàn)實存在，影響電力企業(yè)的經(jīng)濟效益，準(zhǔn)確實時地檢測無功電流至關(guān)重要。本文介紹了基于瞬時無功功率理論的無功檢測方法，但這是在負(fù)載是平衡時的方法，在三相負(fù)載不平衡環(huán)境下使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量負(fù)序電流，針對三相不平衡的負(fù)載則要采用正負(fù)雙序控制策略對不對稱負(fù)載進行平衡化，以三電平空間矢量控制為手段，對檢測出來的電流信號進行矢量變化，不僅能為電網(wǎng)提供大量的無功電流的傳輸量，而且能更好地提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，對不對稱負(fù)載能起到很好的平衡作用。本文是以二極管鉗位型三電平逆變器為控制方式產(chǎn)生脈沖信號，此方法較之前的載波調(diào)制和兩電平逆變器，產(chǎn)生的諧波更少，對直流側(cè)電壓利用率更高，降低電網(wǎng)中負(fù)載的不平衡度，無功補償效果更佳。
2 SVG系統(tǒng)整體概述
SVG補償裝置的工作原理如圖1所示，整個系統(tǒng)相當(dāng)于SVG通過連接電抗器與電網(wǎng)相來調(diào)節(jié)吸收無功功率的大小。
圖1 SVG等效連接圖Fig．1 SVG equivalent circuit
設(shè)三相系統(tǒng)電網(wǎng)電壓是對稱且平衡狀態(tài)下，三相電壓有如下表示形式［1］:
由圖1的等效電路知，補償裝置的輸出電壓的形式為:
式中，K值表示的是逆變器的變壓比;δ表示SVG裝置經(jīng)過逆變的輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位角的差值，根據(jù)基爾霍夫原理可以表示出三相動態(tài)的方程:
對電容電壓原理進行分析得到動態(tài)數(shù)學(xué)方程:
將上幾個方程經(jīng)Park變換整理得到以下矩陣:
對上面的SVG數(shù)學(xué)模型矩陣分析［2］，當(dāng)電網(wǎng)平衡時，只考慮基波分量，只有正序分量的變化，但只能實現(xiàn)正序無功補償，對于在三相不平衡系統(tǒng)中，三相電路中將產(chǎn)生負(fù)序電流，并會在直流側(cè)處產(chǎn)生特征諧波電流對系統(tǒng)有害;電路中存在負(fù)序電流，這樣對SVG的分析就不能只是在正序狀態(tài)下搭建數(shù)學(xué)模型，在三相不對稱時，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)負(fù)序分量，所以既有正序也會有負(fù)序電壓，此時電網(wǎng)電壓usa為，其中，p、n分別表示電壓的正序和負(fù)序。
本文設(shè)計了正序、負(fù)序雙序同步的控制策略，將復(fù)平面中三相電壓和電流矢量通過d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，但會出現(xiàn)諧波分量，控制時采用陷波器加以濾除，這樣經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后的電壓電流信號中只含有相應(yīng)直流分量，經(jīng)過d-q變換就是為了使正序分量為直流量，而負(fù)序分量則為二次諧波分量，正序分量以ω為角頻率旋轉(zhuǎn)，負(fù)序分量則以 －ω的角頻率旋轉(zhuǎn)，采用PI調(diào)節(jié)器即可實現(xiàn)正、負(fù)雙序電流的無靜差控制。
3 正負(fù)雙序疊加同步控制策略
本系統(tǒng)是采用電流與電壓雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)解耦控制，通過外環(huán)控制直流電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)對電流進行正負(fù)序解耦控制［3，4］，如圖2所示。
圖2 雙閉環(huán)電流同步控制Fig．2 Double synchronous current controller
同理采用電流負(fù)序控制的運算方式時，三相到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的運算矩陣為:
這樣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換之后，SVG輸出的正序和負(fù)序電壓分量的反饋量與參考值都是直流量，對于正負(fù)雙序同時控制方案，電流內(nèi)環(huán)控制采用兩組控制器，分別為建立在正序d-q坐標(biāo)系上的PI控制器，為正序控制器，另一組為建立在負(fù)序d-q上的PI控制器，為負(fù)序控制器，在負(fù)載不平衡時，進行對正序和負(fù)序分量控制，這樣雙序控制就能實現(xiàn)同時對信號正序和負(fù)序的同步補償控制，整體的設(shè)計方案采用前饋解耦控制，電流調(diào)節(jié)器采用 PI控制時，同時對外環(huán)直流側(cè)的電容電壓和內(nèi)環(huán)的電流進行跟蹤
控制，對于電流正序控制方程算法為:
具體的雙序疊加控制變換如下［5］:
(1)電流的正序控制是指將系統(tǒng)的三相電流信號進行坐標(biāo)變換，經(jīng)過濾波器得到正序無功分量指令，與SVG輸出的電流信號經(jīng)過同樣正序坐標(biāo)變換得到的正負(fù)序電流值和相比較，再經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)解耦就能得到正序電壓信號和。
(2)電流內(nèi)環(huán)負(fù)序解耦控制，是指三相電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換再經(jīng)過濾波器之后得到負(fù)序的有功和無功電流指令和，同樣與 SVG輸出的電流經(jīng)過相同的負(fù)序坐標(biāo)變換得到的電流信號 idn和 iqn相比較作差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)解耦控制得到負(fù)序的電壓輸出信號，然后將求取的正負(fù)序電流信號相加得到實際的需要補償?shù)男盘?
通過三電平空間矢量變換生成IGBT的開關(guān)脈沖信號，通過正序與負(fù)序疊加控制能夠同時補償電流的正序與負(fù)序，經(jīng)過信號處理后也會是直流信號，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)信號的跟蹤控制。
4 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制原理
三電平逆變器相對于傳統(tǒng)的兩電平來說，主開關(guān)其間的電壓會降低一半，具有輸出容量大，諧波含量大為降低，在同樣諧波含量的情況下，開關(guān)頻率下降一半，采取相同調(diào)制比來提高電網(wǎng)的工作效率，這就是多電平通過增加電平數(shù)目來增大容量和抑制諧波產(chǎn)生的原因。三相三電平逆變器的每一相的輸出三種情況對應(yīng)等效電壓矢量有27個開關(guān)狀態(tài)，如圖1所示，三電平 NPC型逆變器拓?fù)銫d1和 Cd2來為變換電路提供兩個相同的直流電壓，VT11和 VT12用來電平鉗位［6，7］。
圖3 NPC型三電平PWM主電路拓?fù)銯ig．3 PWM main circuit topology
4.1 扇區(qū)的判斷
根據(jù)坐標(biāo)變換把三相電壓信號由坐標(biāo)變換計算出Uα和Uβ，據(jù)此就能計算出扇區(qū)，下面以參考向量在第一扇區(qū)下的六個小扇區(qū)為例介紹小扇區(qū)的判斷。小扇區(qū)的判斷如圖4所示。
圖4 小扇區(qū)的判斷Fig．4 Sector judgment
(1)當(dāng)θ≤π/6時，參考矢量Uref落在B或D或 F區(qū)域內(nèi)。具體區(qū)域劃分規(guī)則:當(dāng)時，矢量落在B扇區(qū);當(dāng)時，矢量落在F扇區(qū)，其余在D扇區(qū)。
(2)當(dāng)θ＞π/6時，參考矢量Uref落在A或C或 E 區(qū)域內(nèi)。具體區(qū)域劃分規(guī)則:當(dāng)時，矢量落在 A扇區(qū);Uβ＞ Udc/2時，參考矢量落在E區(qū)域內(nèi);其余落在C區(qū)域內(nèi)。
4.2 矢量時間的計算
判斷出了參考矢量所在的區(qū)域，則可根據(jù)NTV法則，找到合成參考矢量的三個基本矢量，把這三個基本矢量一起代入伏·秒平衡方程組，解得(A，B區(qū)域)基本矢量的作用時間:
4.3 確定開關(guān)矢量作用順序
在三電平逆變器正常運行過程中，逆變器的三種狀態(tài)只能在 1和 0，0和 －1之間連續(xù)的相互轉(zhuǎn)換，而不能在1和－1狀態(tài)之間突變，在每個小的三角形中至少含有一對小矢量，在本系統(tǒng)中所提出的空間矢量算法中，所輸出的矢量都是正小矢量，因為每相鄰的兩個正小矢量是只相差一個不同的狀態(tài)，即根據(jù)這些時序圖就能得到三個橋臂IGBT開關(guān)器件的驅(qū)動信號，圖5所示為其中兩個小扇區(qū)的時序圖。
圖5 扇區(qū)時序圖Fig．5 Sector timing diagram
5 仿真與實驗結(jié)果分析
采用正負(fù)雙序同步控制與三電平的空間矢量技術(shù)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功功率補償，同時輸出的電壓波形進一步較之前的補償技術(shù)有了更高一層的提高［8］。
(1)平衡負(fù)載的仿真 (突變負(fù)載)
仿真過程持續(xù)0.3s，初始為三相平衡的阻感性負(fù)載，三相電阻為3Ω、電感為0.008H的阻感負(fù)載，電壓超前電流，時間一開始就加入補償裝置完成了很好的補償，在0.14s時突變阻容性負(fù)載，電壓滯后電流，三相電阻為 2Ω、電容為 600μF的阻容性負(fù)載。
直流側(cè)電壓波形如圖7所示，在整個仿真過程中電容電壓穩(wěn)定在600V，在對直流側(cè)電壓進行外環(huán)PI控制后能夠很好地控制電容電壓的穩(wěn)定。
(2)不平衡負(fù)載仿真結(jié)果
為了模擬負(fù)載不平衡情況下的負(fù)載，此次仿真設(shè)計了三相不平衡的負(fù)載參數(shù)，負(fù)載參數(shù)分別為A相負(fù)載參數(shù)為電阻2Ω，電感0.008H，B、C相負(fù)載參數(shù)電阻3Ω，電感0.008H，這樣就模擬了三相不平衡負(fù)載的環(huán)境。
圖6 A相電壓電流波形Fig．6 Phase A voltage and current waveforms
圖7 直流側(cè)電壓波形Fig．7 DC voltage waveform
通過采用正負(fù)雙序同步控制之后，對比圖8(a)和圖8(b)補償前后三相負(fù)載電流的波形圖，可以看出，采用雙序控制之后三相電流明顯得到平衡控制，三相不平衡的負(fù)序檢測電流如圖9所示，網(wǎng)側(cè)電流運用正負(fù)雙序控制策略后穩(wěn)定輸出，對不平衡負(fù)載的電流補償效果明顯，對負(fù)序電流的補償控制方法而得到了驗證，通過圖10可以看出能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓，仿真補償效果良好，實時性與功能性得到了驗證。
整個系統(tǒng)實驗的主控部分是由目前控制領(lǐng)域最先進的微處理器之一的 32位定點 DSP控制器TMS320F2812為主要芯片的控制板、測量和電源板、信號調(diào)理板等構(gòu)成，由于應(yīng)用高性能的 DSP專用信號處理芯片使得控制系統(tǒng)本身的反應(yīng)時間在5 ms以內(nèi)。本文在實驗室對實際的三相平衡阻感負(fù)載系統(tǒng)進行了算法的實際驗證，對實際阻感負(fù)載進行在線補償，由圖11(a)可以看出負(fù)載的電壓與電流有一定的相位差。本次實驗是在實驗室條件下針對三相平衡阻感負(fù)載引起的功率因數(shù)低的情況下，來對理論進行實際驗證與測試，本次實驗的實驗數(shù)據(jù)為:三相電網(wǎng)相電壓為53V，ADCLK=15MHz，其中針對相應(yīng)的IGBT的死區(qū)時間為Tdelay=4μs，逆變器直流側(cè)電容進行并串聯(lián)組合，為了防止高次諧波進入電網(wǎng)就加入電感值為5mH的濾波電感，具體的PI參數(shù)為kp=0.06，ki=0.001，輸出的濾波電容數(shù)值為600μF，實驗過程分為兩部分來做:
一是針對無功提取的算法設(shè)計，通過瞬時無功理論的支持，對三相電網(wǎng)電流經(jīng)過 d-q軸坐標(biāo)變換提取到電網(wǎng)中的無功電流成分;二是針對空間矢量的PWM脈沖波的調(diào)制，通過對提取的三相無功電流，首先要根據(jù) Clark變換，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相直角坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系下進行算法的運算，然后再進行時間的求取，再分配，最后由求得到基本矢量的作用時間與三角載波比較產(chǎn)生脈沖響應(yīng)去控制主電路開關(guān)器件IGBT的通斷。
通過對實驗結(jié)果的分析得到電網(wǎng)的功率因數(shù)提高到接近1的數(shù)值，從圖11可以得到一定的結(jié)論，針對平衡阻感性負(fù)載通過 SVG的實時補償和借助瞬時無功理論的理論支持可以實現(xiàn)補償，效果比較接近理想數(shù)值。
圖8 補償前后電流波形Fig．8 Compensation current waveforms
圖9 檢測到的負(fù)序電流波形Fig．9 Negative sequence current waveforms
圖10 直流側(cè)電壓波形Fig．10 DC voltage waveform
圖11 補償前后電壓與電流波形Fig．11 Phase A compensation voltage and current waveforms
6 結(jié)論
本文為了實時地檢測無功電流以及通過逆變回饋給電網(wǎng)，提出了一種動態(tài)響應(yīng)快、以靜態(tài)誤差小的三電平逆變器為調(diào)制手段的補償方案，既能補償無功電流，又能使直流側(cè)的電容電壓穩(wěn)定。為了抑制三相不平衡負(fù)載的負(fù)序電流，又提出了雙序疊加同步控制的策略，將系統(tǒng)中的正負(fù)序電流疊加同時控制，并且又進行了MATLAB仿真，既實現(xiàn)了理想的實驗結(jié)果，提高了功率因數(shù)又能平衡負(fù)載。最后以實驗的形式對理論進行實際驗證，通過DSP2812處理芯片對電網(wǎng)中的無功電流進行補償，通過仿真與實際試驗對電網(wǎng)的高功率運行提供了理論基礎(chǔ)。
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Research of control strategy of static var generator in unbalanced system
ZHAO Ying1，PEI Peng-peng1，DU Nai-cheng2
(1．College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin 300384，China; 2．Tianjin Rui Ling Automation Engineering Co．Ltd．，Tianjin 300384，China)
A mathematical model is designed with a three-level SVPWM control and the control process is analyzed in the paper．The amount of reactive power is obtained by the instantaneous reactive power theory，and the compensation at unbalanced load is discussed also．The unsymmetrical components are seperated by the strategy of double sequence synchronization control of SVG based on d-q coordinates．The output of SVG is respectively controlled in positive and negative sequence closed-loop feedback control by using positive and negative sequence synchronous controller．Finally，the real-time compensation of reactive power and the improvement of power factor of the grid are achieved．Simulation and experiments show the correctness of the theory and the power factor of the grid is improved．
reactive power compensation;space vector;double sequence synchronous control;microprocessor
TP13
:A
:1003-3076(2014)01-0030-06
2012-05-28
趙 影 (1954-)，女，天津籍，副教授，研究方向為電力電子與電機傳動;裴鵬鵬 (1986-)，男，山東籍，碩士研究生，研究方向為電力電子與電網(wǎng)無功補償。
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