許敏敏，韓如成，渠愛(ài)霞

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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基于無(wú)功開(kāi)環(huán)的SVG控制方法研究

許敏敏，韓如成，渠愛(ài)霞

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：針對(duì)系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載引起的功率因數(shù)低、無(wú)功缺額大及諧波含量高等電能質(zhì)量問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)功功率開(kāi)環(huán)控制的策略。該控制策略對(duì)于常規(guī)的間接電流控制方法進(jìn)行改進(jìn)，利用無(wú)功控制的電壓外環(huán)對(duì)于功率因數(shù)參量進(jìn)行控制。即給定一個(gè)理想的功率因數(shù)，與實(shí)際功率因數(shù)比較后經(jīng)過(guò)一系列的控制來(lái)控制系統(tǒng)的無(wú)功電流。最后，利用PSCAD工具對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，仿真結(jié)果證明了SVG利用該改進(jìn)的控制策略，能夠準(zhǔn)確的響應(yīng)系統(tǒng)之中的無(wú)功的動(dòng)態(tài)變化來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；開(kāi)環(huán)；SVG；功率因數(shù)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)于電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。電網(wǎng)存在的功率因數(shù)低，無(wú)功功率不足等問(wèn)題，使得發(fā)供電設(shè)備的有效利用率降低，并且在輸電線(xiàn)路上的損耗變大，給國(guó)家和社會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。由于系統(tǒng)中的負(fù)荷隨著時(shí)間時(shí)時(shí)變化的，所以動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及有效改善電能質(zhì)量意義重大。靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)SVG因?yàn)檎{(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，諧波含量低，體積小成本低等優(yōu)點(diǎn)，使之在無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用上越來(lái)越廣泛[1-2]。影響SVG控制精度的因素主要有以下幾個(gè)方面：無(wú)功電流的檢測(cè)方法，PWM調(diào)制方法和無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗缘?。近年?lái)，許多學(xué)者針對(duì)以上幾個(gè)方面都有比較深入的研究。

在無(wú)功電流檢測(cè)方面，文獻(xiàn)[3]指出在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)情況下，傳統(tǒng)的無(wú)功電流檢測(cè)方法不能準(zhǔn)確提取系統(tǒng)中的無(wú)功電流，提取A相正序電壓作為鎖相環(huán)的輸入，改進(jìn)后能夠提高無(wú)功電流檢測(cè)精度。文獻(xiàn)[4]提出一種無(wú)鎖相環(huán)且適合電網(wǎng)電壓畸變且不對(duì)稱(chēng)的提取正序電壓相位的方法，消除了鎖相環(huán)對(duì)于電流檢測(cè)的影響，提高了電流檢測(cè)精度。

在PWM調(diào)制方法方面，文獻(xiàn)[5]分別對(duì)雙極性CPS-SPWM調(diào)制方法和單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制方法分析建模，仿真分析得知，采用單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制方法比雙極性其輸出波形更接近正弦波，等效開(kāi)關(guān)頻率高，具有更好的消除諧波的特性。文獻(xiàn)[6]研究一種基于60°坐標(biāo)系的空間矢量脈寬調(diào)制方法，降低了電容電壓的不平衡性。SVPWM比SPWM直流電壓利用率提高了15.47%，但是通常局限于小于五電平的電路。

在無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗苑矫?，無(wú)功電流控制方式一般分為直接電流控制和間接電流控制兩類(lèi)。間接電流控制主要適用于大功率高電壓裝置，靜態(tài)特性好，但由于實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，控制精度往往不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢，適合于大容量高電壓場(chǎng)合；直接電流控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流瞬時(shí)值的快速跟蹤，具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，適合低電壓小容量場(chǎng)合[7]。

本文采用鏈?zhǔn)紿橋星型連接的拓?fù)溥B接，針對(duì)系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載引起的功率因數(shù)低，無(wú)功缺額大及諧波含量高等電能質(zhì)量問(wèn)題，提出一種對(duì)于功率因數(shù)直接控制的方法，該控制方法能夠動(dòng)態(tài)的快速補(bǔ)償系統(tǒng)中的無(wú)功。

1鏈?zhǔn)紿橋SVG的主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

SVG電路結(jié)構(gòu)可以分為電壓型橋式電路(VSI)和電流型橋式電路(ISI)兩種，主要考慮運(yùn)行效率原因，一般選用電壓型橋式結(jié)構(gòu)。

鏈?zhǔn)紿橋SVG主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。SVG主電路采用星型連接。其中isi，ili和ici(i=a，b，c)分別為網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)中電流，負(fù)載側(cè)電流和流入SVG的電流。每相上H橋功率單元進(jìn)行串聯(lián)組成每相的換流鏈A、B、C.

圖1　鏈?zhǔn)紿橋SVG主電路結(jié)構(gòu)

每相上由n個(gè)H橋功率單元串聯(lián)而成，開(kāi)關(guān)器件選用具有自行關(guān)斷能力的IGBT，SVG通過(guò)電感L和電阻R連接在電網(wǎng)和負(fù)載之間。SVG每個(gè)功率單元的直流側(cè)采用電容C作為儲(chǔ)能元件和電壓支撐元件。

SVG在正常工作時(shí)，可以通過(guò)控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷，將直流側(cè)電壓通過(guò)逆變轉(zhuǎn)化成與交流電網(wǎng)同頻率的交流電壓[8]。

由于SVG本身不消耗無(wú)功功率，所以U_SVG和I的相位差為90°.系統(tǒng)電壓US和電流I的相位不再為90°，而是比90°小了δ角。說(shuō)明系統(tǒng)提供了部分有功功率來(lái)補(bǔ)償電路之中的損耗，用來(lái)維持SVG直流側(cè)的電壓穩(wěn)定。相對(duì)于系統(tǒng)電壓來(lái)講，電流I不僅僅包括無(wú)功分量，而且還包括部分有功分量。在電流超前的情況下，δ<0，SVG工作在容性工況，SVG補(bǔ)償容性無(wú)功功率；在電流滯后的情況下，δ>0，SVG工作在感性工況，SVG補(bǔ)償感性無(wú)功功率[9]。

2SVG的數(shù)學(xué)模型

建模之前需要有以下的假設(shè)條件：

(1)系統(tǒng)電壓Usa、Usb、Usc三相對(duì)稱(chēng)并且沒(méi)有諧波。

(2)三相連接電感L相同。

(3)逆變器裝置內(nèi)部的損耗用等效電阻R表示。

各相逆變橋的參數(shù)完全相同。系統(tǒng)的三相電壓為以下表示：

(1)

SVG三相輸出的電壓為：

(2)

其中，N為每相級(jí)聯(lián)H橋單元的個(gè)數(shù)，M為調(diào)制比。根據(jù)SVG的單相等效電路圖可以列出SVG的三相數(shù)學(xué)模型：

(3)

將方程(3)進(jìn)行abc/dq轉(zhuǎn)換，得到以下方程：

(4)

其中abc/dq轉(zhuǎn)換的變換矩陣為：

當(dāng)電網(wǎng)電壓Us與d軸重合時(shí):

(5)

3SVG控制策略

3.1反饋解耦控制

將表達(dá)式(2)寫(xiě)成矩陣形式，經(jīng)過(guò)變換矩陣C處理，可得：

(6)

由此可得Ucd和Ucq的控制策略如下所示：

(7)

圖2　SVG交流側(cè)反饋解耦控制框圖

3.2直流電容電壓控制

由于在實(shí)際中三相逆變器的功率模塊損耗存在差異，同時(shí)開(kāi)關(guān)器件的脈沖也存在延時(shí)等多方面因素，使得H橋直流側(cè)電容電壓不平衡。而直流側(cè)電壓不平衡會(huì)引起有功電流的給定值不定，影響整個(gè)系統(tǒng)的電流跟隨性能。

基于上述情況，本文采用分層控制策略來(lái)解決直流側(cè)電容電壓不平衡[10]。 第一層控制總的有功電流，第二層控制直流側(cè)各電容電壓均衡。

直流側(cè)電容的能量關(guān)系可以表示為：

(8)

將式(2)帶入式(8)經(jīng)過(guò)abc/dq變換得到：

(9)

M為調(diào)制比，C為直流側(cè)電容總電壓。

由于δ很小，所以(9)式中Udc與id可以視為線(xiàn)性關(guān)系。所以直流側(cè)電容電壓上層控制可以設(shè)計(jì)為有功電流外環(huán)控制。即對(duì)直流側(cè)電壓給定值與平均值做差，通過(guò)PI控制得到有功電流的給定理想值。

圖3表示的是針對(duì)于每相直流側(cè)電壓損耗存在差異而設(shè)計(jì)的電壓均衡策略，即直流側(cè)電壓控制的下層控制策略。

圖3　直流側(cè)電容電壓均衡控制圖

其中所得到的調(diào)制波電壓的調(diào)節(jié)量與橋臂電流有關(guān)[11]，即將每相中直流側(cè)電壓的實(shí)際值和直流側(cè)電容電壓的平均值比較后，經(jīng)過(guò)一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)，所得的值與所在的每相橋臂H橋模塊單元的電流相乘，即得到了SPWM每相的調(diào)制波微調(diào)指令。微調(diào)指令再與調(diào)制策略所得到的調(diào)制波相加，得到實(shí)際應(yīng)用中的調(diào)制波，以此來(lái)維持直流側(cè)電容電壓平衡。

3.3控制策略

圖4　SVG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

瞬時(shí)無(wú)功功率，瞬時(shí)有功功率以及無(wú)功電流給定值的表達(dá)式分別為以下：

P=Usdid+Usqiq=Usdid

Q=Usdiq-Usqid=Usdiq

(10)

4仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略的可行性，在PSCAD仿真軟件中搭建H橋級(jí)聯(lián)SVG模型。具體的模型參數(shù)如下表1所示。本文設(shè)置的數(shù)值均為標(biāo)幺值。

在實(shí)際中功率因數(shù)在0.95左右就可符合實(shí)際要求，因此本文設(shè)定的功率因數(shù)值為0.95.SVG在0.1 s后解鎖動(dòng)作，負(fù)載采取星型連接(有功4 MW，無(wú)功3 Mvar).

表1　級(jí)聯(lián)H橋SVG仿真參數(shù)

如圖5所示SVG逆變器側(cè)交流電流值。在0.1 s時(shí)SVG開(kāi)始動(dòng)作，逆變器側(cè)電流符合要求。

圖5　SVG逆變交流側(cè)電流

圖6　系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)

由圖6可以看出，在0.1 s之前因?yàn)樨?fù)載側(cè)的電容充電，容性無(wú)功逐漸增大，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)逐漸降低，而在SVG投入動(dòng)作之后系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95，達(dá)到所需要的目標(biāo)。

圖7中在0.1 s之前直流電壓外環(huán)的電流和理想的電流之間存在偏差，0.1 s時(shí)SVG動(dòng)作之后兩者電流相同，外環(huán)電流可以跟隨理想值。

由圖8可以看出在0.1 s之前無(wú)功電流的給定值在變小，這與本文控制策略相吻合，在0.1 s之前給定的無(wú)功電流正比于系統(tǒng)之中的無(wú)功。0.1 s時(shí)SVG動(dòng)作之后兩者電流相同，內(nèi)環(huán)無(wú)功電流可以跟隨理想值。

圖7　直流電壓外環(huán)電流

圖8　內(nèi)環(huán)電流

由圖9可以看出網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)進(jìn)線(xiàn)的有功和無(wú)功在0.1 s之前，有功逐漸增大，無(wú)功逐漸減小主要原因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)系統(tǒng)對(duì)電感和電容進(jìn)行充電狀態(tài)。在0.1 s之后系統(tǒng)有功無(wú)功維持在恒定值，與圖6系統(tǒng)側(cè)的功率因數(shù)相對(duì)應(yīng)。

由圖10可以看出SVG輸出的有功和無(wú)功在0.1 s之后數(shù)值發(fā)生變化，SVG輸出側(cè)的無(wú)功根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?？梢宰C明本文所用的控制策略可以達(dá)到較好的控制效果。

圖9　系統(tǒng)進(jìn)線(xiàn)的有功和無(wú)功

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)于鏈?zhǔn)紿橋SVG工作原理，數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究分析，提出了改進(jìn)SVG的控制策略，以此來(lái)完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)在PSCAD仿真平臺(tái)上仿真，結(jié)果證明該控制方法有效，能夠動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償系統(tǒng)中的無(wú)功。

圖10　SVG輸出側(cè)有功和無(wú)功

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Research on SVG Control Method Based on Open Loop Reactive Power

XU Min-min，HAN Ru-cheng，QU Ai-xia

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：Aiming at power quality problems of low power factor，large shortage of reactive power and high harmonic content caused by nonlinear load in the system，this paper proposes a reactive power open-loop control strategy.This control strategy is used to control the power factor in the voltage outer ring，which is based on the conventional indirect current control method.This control strategy gives an ideal power factor，which is compared with the actual power factor，to control the system's reactive current after a series of control.In the end，the PSCAD tool is used to simulate the system.The simulation results show that SVG can compensate reactive power in the system quickly with the improved control strategy.

Key words：power quality，open loop，SVG，power factor

收稿日期：2015-10-14

作者簡(jiǎn)介：許敏敏(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制；通訊作者：韓如成，教授，E-mail：rucheng59@126.com

文章編號(hào)：1673-2057(2016)04-0251-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.001