張 浩，王魯楊，徐文忠，楊興武，胡慧慧

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090;2.國(guó)網(wǎng)上海電力公司 市北供電公司，上海 200072)

當(dāng)前配電系統(tǒng)中各種沖擊性負(fù)荷、非線(xiàn)性負(fù)荷日趨增多，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變，諧波含量增加.[1]同時(shí)許多陳舊設(shè)備消耗了大量的無(wú)功功率，而更多先進(jìn)的重要用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求卻不斷提高.[2]靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)作為目前無(wú)功補(bǔ)償最先進(jìn)設(shè)備之一，對(duì)于改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著積極的作用，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的電力系統(tǒng)中.[3-4]與傳統(tǒng)的以晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)和晶閘管控制電容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)為代表的裝置相比，靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC)可實(shí)現(xiàn)從感性到容性大范圍的連續(xù)、動(dòng)態(tài)、平滑的無(wú)功調(diào)節(jié)功能.其調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍更廣，配合級(jí)聯(lián)多電平、多重化等技術(shù)后可減少電網(wǎng)中的諧波含量.

本文主要研究了SVG系統(tǒng)的工作原理與控制方法.本文中的SVG采用基于LCL濾波的三相電壓型PWM變流器(LCL-VSR)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用新穎的有源阻尼三閉環(huán)控制策略并基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電流的直接控制.目前雖有很多文獻(xiàn)介紹過(guò)SVG的直接電流控制方法，但闡述不夠詳盡，未能夠根據(jù)不同的補(bǔ)償目的提出相應(yīng)的控制方案，僅對(duì)電流基波無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償或僅針對(duì)電流諧波無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?本文介紹了兩種主要補(bǔ)償方式的控制方法，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與無(wú)功補(bǔ)償原理

基于VSR拓?fù)涞腟VG裝置可以分為電壓型和電流型兩種結(jié)構(gòu).基于運(yùn)行效率的原因，[1]當(dāng)前大多數(shù)研究者都選用電壓型橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 基于LCL-VSR的SVG拓?fù)涫疽?/p>

將VSR拓?fù)潆娐方?jīng)由LCL濾波器并聯(lián)電網(wǎng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)該電路交流側(cè)電壓的相位及幅值，便可使該電路吸收或者發(fā)出滿(mǎn)足補(bǔ)償目標(biāo)的無(wú)功電流，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)及連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?[5]VSR通過(guò)LCL濾波器與電網(wǎng)聯(lián)接，配合相應(yīng)控制策略可濾除電流中的大量諧波，獲得比L型更好的濾波效果.直流儲(chǔ)能電容C起能量交換作用，并能濾除VSR輸入電流的少量紋波.

SVG處于工作狀態(tài)時(shí)，是通過(guò)全控功率開(kāi)關(guān)(IGCT等)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成工頻交流輸出電壓，故在研究時(shí)可將其等效地看成與電網(wǎng)同頻率的幅相均可控的一個(gè)交流電壓源.

考慮損耗，可將LCL濾波器和 VSR本身的電能損耗等效為連接電抗器的電阻.設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓和 SVG輸出的交流電壓分別為和，電抗器X的電壓為，其總損耗為 R，電流為則 SVG一相簡(jiǎn)化后的等效電路及工作原理的向量圖分別如圖2和圖3所示.

圖2 SVG單相等效電路

圖3 SVG工作原理示意(慮及損耗)

2 SVG直接電流控制策略

一般來(lái)說(shuō)，SVG的控制方法分間接電流控制和直接電流控制兩種.間接電流控制按照上述工作原理將SVG看成交流電壓源，通過(guò)對(duì)SVG的交流電壓基波的幅相控制來(lái)間接控制SVG的補(bǔ)償電流.直接電流控制，就是能實(shí)時(shí)跟蹤電流的瞬時(shí)變化并對(duì)其進(jìn)行反饋控制.主要采用PWM跟蹤型控制技術(shù)，可以是滯環(huán)比較方式或三角波比較方式.當(dāng)采用間接控制策略時(shí)，就不能對(duì)電流波形進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，系統(tǒng)參數(shù)易受溫度影響而發(fā)生漂移，并會(huì)產(chǎn)生大量諧波.本文提出的基于三角波比較方式(SPWM)的直接電流控制策略，其無(wú)功電流的計(jì)算采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq方式.

圖4為電壓、電流旋轉(zhuǎn)矢量圖.三相電網(wǎng)電壓、電流分別合成的電壓、電流旋轉(zhuǎn)矢量為U和i，等效旋轉(zhuǎn)角速度為ω，U和i二者的夾角為φ.

圖4 電網(wǎng)電壓、電流矢量示意

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，三相電路系統(tǒng)中的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流可表示為:

ip和iq與三相電流瞬時(shí)值 ia，ib，ic之間存在如下關(guān)系:

建立與電壓(電流)矢量同步旋轉(zhuǎn)的p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系:設(shè)定p軸方向與電壓旋轉(zhuǎn)矢量U同向，如圖4所示，這樣，瞬時(shí)有功電流ip則落在p軸上;瞬時(shí)無(wú)功電流iq落在q軸上，且經(jīng)如此的變換后ip和iq都成為直流量.基于以上理論，根據(jù)不同補(bǔ)償目的，有兩種不同的補(bǔ)償控制方法，即基波無(wú)功補(bǔ)償方式和基波諧波無(wú)功全補(bǔ)償方式.

2.1 基波無(wú)功補(bǔ)償方式

在實(shí)際應(yīng)用中，只對(duì)電流基波無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償可以將無(wú)功補(bǔ)償?shù)狡谕秶鷥?nèi)，因?yàn)槠湔加袩o(wú)功絕大部分的比重.其方法是將基波電流的無(wú)功成分經(jīng)由負(fù)載電流抽離出來(lái)，再經(jīng)反變換得出補(bǔ)償?shù)闹噶铍娏?，其原理如圖5所示.

當(dāng)反變換求取無(wú)功電流時(shí)，斷開(kāi) ip通道，有功電流的反變換由求差得出，用于維持直流電容電壓的穩(wěn)定.其變換公式為:

式中:C23——C32的逆矩陣(C矩陣的逆矩陣為其本身).

該方法不檢測(cè)諧波成分，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的限制較低，使采用高壓、大功率但開(kāi)關(guān)頻率不高的開(kāi)關(guān)器件成為可能，因而適用于大容量系統(tǒng).但開(kāi)關(guān)頻率的降低，也會(huì)降低直流電壓的利用率，因此可以通過(guò)采用多重化技術(shù)或級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)加以改善.

圖5 檢測(cè)基波無(wú)功原理示意

2.2 基波諧波無(wú)功全補(bǔ)償方式

若要既補(bǔ)償無(wú)功又補(bǔ)償諧波，控制上可斷開(kāi)圖5中的iq，只將ip送入低通濾波器 LPF，如圖6所示.將檢測(cè)出的三相有功電流與三相輸入電流之差，也即無(wú)功電流與諧波電流之和作為指令值.

圖6 檢測(cè)基波和諧波無(wú)功原理示意

求取無(wú)功電流指令值時(shí)，斷開(kāi)iq，直流電壓給定值與實(shí)際值之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后疊加在ip基波有功分量上.

其變換公式為:

此方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了諧波電流和基波無(wú)功電流的補(bǔ)償，原理簡(jiǎn)單，控制方案容易設(shè)計(jì)，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率限制也不及單補(bǔ)償?shù)姆椒菢訌?qiáng)，且PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)也已成熟，特別適用于單機(jī)容量不大的中小功率型SVG，或結(jié)合TSC用于分組投切的連續(xù)補(bǔ)償.

3 仿真驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證本文所提出的 ip-iq基波、諧波無(wú)功電流全補(bǔ)償控制方法的正確性，根據(jù)上述討論，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行了仿真，按照?qǐng)D 7建立仿真模型.需要指出的是，這里針對(duì) LCL型濾波器采用了有源阻尼的控制方式，即對(duì)網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)和直流側(cè)電壓外環(huán)的控制均使用PI調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，且采集LCL濾波器的電容電流作為第3環(huán)PI控制，從而等效地增加系統(tǒng)阻尼，有效抑制了LCL三階系統(tǒng)諧振的可能.

無(wú)功電流檢測(cè)部分仿真如圖8所示.

圖7 ip-iq全補(bǔ)償直接電流控制示意

圖8 無(wú)功電流檢測(cè)模塊仿真

仿真系統(tǒng)參數(shù)選擇如表1所示.

表1 仿真系統(tǒng)元件參數(shù)

本文選擇低壓配電系統(tǒng)0.4 kV電網(wǎng)作為仿真對(duì)象，負(fù)載先設(shè)定為感性，0.6 s時(shí)又突加5 kW容性負(fù)載.SVG開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，仿真時(shí)間設(shè)為1.2 s.部分仿真結(jié)果如圖9所示.

圖9a為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形.從圖9a可看出，在穩(wěn)定后電壓和電流實(shí)現(xiàn)了同相位運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償目的，且采用三閉環(huán)控制后有效濾除了大量諧波.在0.6 s時(shí)突加容性負(fù)載，但電流僅有幅值上的跳變，仍能很好地跟隨電壓，幾乎沒(méi)有受負(fù)載變化的影響.

圖9b為直流側(cè)電容電壓，由圖9b可以看出，快速充電后，電壓基本穩(wěn)定在設(shè)定值900 V.0.6 s時(shí)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)調(diào)整可以很快重新穩(wěn)定，具有良好的暫態(tài)穩(wěn)定性.

圖9c中的網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率在穩(wěn)態(tài)時(shí)都很穩(wěn)定，尤其是無(wú)功功率，經(jīng)補(bǔ)償后始終為零，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)的目的.由此可以看出，仿真波形質(zhì)量符合預(yù)期目標(biāo)，仿真結(jié)果證明了該方法是可行的.

圖9 部分仿真波形

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果表明，LCL濾波型SVG系統(tǒng)配合三閉環(huán)控制方法能極大地改善直接電流控制方法的效果.

(2)仿真選擇了低壓配電網(wǎng)，具有一定的真實(shí)性，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制方法易于實(shí)現(xiàn)，仿真效果也很理想.

(3)在中小功率場(chǎng)合下，采用SVG裝置，再配合三閉環(huán)控制方法，具有很高的推廣意義和實(shí)用價(jià)值.

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