代彬,杜欽君,石 翔,盧恩慶

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東淄博255091)

基于雙閉環(huán)控制的SVG系統(tǒng)建模與仿真

代彬,杜欽君,石 翔,盧恩慶

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東淄博255091)

靜止無功補(bǔ)償器(SVG)具有動(dòng)態(tài)性、靈活性等特點(diǎn),從而成為無功補(bǔ)償?shù)氖走x方案和發(fā)展方向.從SVG基本結(jié)構(gòu)的拓?fù)淠Ｐ统霭l(fā),建立SVG數(shù)學(xué)模型,提出SVG雙閉環(huán)控制策略——電流內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)和電壓外環(huán)控制設(shè)計(jì),并運(yùn)用Matlab/Simulink仿真工具進(jìn)行電路建模和仿真驗(yàn)證,證實(shí)其可行性和正確性.

SVG；數(shù)學(xué)模型；雙閉環(huán)；仿真驗(yàn)證

靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator簡稱SVG)無功補(bǔ)償裝置是一種用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功和抑制諧波的新型電力電子裝置［1］.由于SVG靜止無功發(fā)生器本身的動(dòng)態(tài)性和靈活性,已成為無功補(bǔ)償領(lǐng)域的首選方案和發(fā)展方向.而這種優(yōu)良的性能正是由實(shí)時(shí)的控制策略實(shí)現(xiàn)的.SVG控制系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測、控制電路、觸發(fā)脈沖電路等構(gòu)成.SVG能否按照其工作原理達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和提高功率因數(shù)的效果,除了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理以外,在很大程度上依賴于控制器的性能.

1 基本結(jié)構(gòu)

SVG能對(duì)大小和頻率都變換的無功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償.圖1所示為SVG系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖,系統(tǒng)由三相三線制配電系統(tǒng)、SVG裝置和非線性負(fù)載構(gòu)成.

2 數(shù)學(xué)模型

通過對(duì)SVG基本結(jié)構(gòu)和工作原理的分析,從系統(tǒng)地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型.

圖1 SVG系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

圖2 SVG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通過分析上圖,采用基爾霍夫定律建立回路方程：

將式(2)和式(4)帶入式(1)得到：

式(5)即為SVG在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度建立的數(shù)學(xué)模型.

3 控制策略

SVG的控制系統(tǒng)是一個(gè)包括檢測、控制盒驅(qū)動(dòng)等多個(gè)環(huán)節(jié)的負(fù)載系統(tǒng)［2-3］.本論文采用電流直接控制.電流的直接控制就是從用跟蹤性PWM控制技術(shù)對(duì)SVG的交流側(cè)產(chǎn)生的無功電流進(jìn)行控制.

3.1 電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

運(yùn)用Clarke變換矩陣和瞬時(shí)無功功率理論下的p―q分解法的變換矩陣,對(duì)SVG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型(5)進(jìn)行p―q分解變換,得到

聯(lián)立式(5)、(6)、(7)、(8),并運(yùn)用Clarke變換矩陣和瞬時(shí)無功功率理論下的p―q分解法的變換矩陣得到：

式(9)為SVG系統(tǒng)基于瞬時(shí)無功功率理論下的大信號(hào)數(shù)學(xué)模型.由式(9)可以看出瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率存在耦合現(xiàn)象.為解決這個(gè)耦合問題,特作如下假設(shè).

圖3 瞬時(shí)無功電流iq的控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［4］,直流側(cè)電流表達(dá)式為

式中,θ為開關(guān)函數(shù)基波初始相位角；m為PWM的調(diào)制比.

SVG電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖4為電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,為分析方便,將圖4簡化為圖5.

根據(jù)文獻(xiàn)［5］直流側(cè)電流指令值表達(dá)式為

從而得到直流側(cè)電流指令值生成圖.如圖6所示.

圖5 簡化后的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖6 直流側(cè)電流指令值生成圖

4 仿真驗(yàn)證

基于Matlab/Simulink仿真工具對(duì)本文設(shè)計(jì)的總體控制策略在理想電源電壓和非理想電源電壓的情況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

4.1 仿真模型建立

SVG主電路模塊如圖7所示,PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊如圖8所示.

圖7 SVG主電路模塊

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

4.2.1 理想電源電壓情況下

在理想電源電壓情況下,仿真模型中三相SVG系統(tǒng)地仿真參數(shù)見表1.

圖8 PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊

表1 三相SVG系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖9為理想情況下的電源電壓波形,圖10為補(bǔ)償前電壓和電流的波形；圖11為補(bǔ)償后電壓和電流的波形。

圖9 理想情況下的電源電壓波形

通過比較圖10圖11,可以看出在補(bǔ)償前,電壓和電流之間存在一定的相位差,經(jīng)補(bǔ)償后,電流波形基本與電壓同相位,驗(yàn)證了控制策略的可行性和正確性.

4.2.2 非理想電壓電壓情況下

在非理想電源電壓情況下,仿真模型中三相SVG系統(tǒng)地仿真參數(shù)見表2.

圖1 O 補(bǔ)償前電壓和電流的波形

圖11 補(bǔ)償后電壓和電流的波形

圖12 為非理想情況下的電源電壓的波形,圖13為補(bǔ)償后電壓和電流的波形.

表2 三相SVG系統(tǒng)仿真參數(shù)

從圖中可以看出,一開始,電壓和電流均有點(diǎn)紊亂,當(dāng)電壓和電流趨于穩(wěn)定后,大約在0.05s左右, SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)開始工作,0.06s左右電流的相位基本和電壓一致,整個(gè)補(bǔ)償過程大約需要0.01s,由此可以驗(yàn)證本文提出的SVG雙閉環(huán)控制策略的正確性和可行性.撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出的電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略,并對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.通過Matlab/Simulink仿真工具建立電路仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證,證實(shí)了其正確性和可行的.

圖12 非理想情況下的電源電壓

圖13 非理想情況下補(bǔ)償后的電壓和電流的波形

［1］劉亮,鄧名高.D-STATCOM指令電流檢測算法研究［J］.電力電子技術(shù).2010(9)：31-33

［2］王小艷.靜止無功發(fā)生器的電流檢測和控制策略研究［D］.西安：西安理工大學(xué)2010.

［3］鄭倩.靜止無功發(fā)生器SVG(STATCOM)在城市電網(wǎng)應(yīng)用研究［D］.2010.

［4］Matsuno K,Iyoda I,Oue Y.An Experience of FACTS Development 1980s and1990s［C］//2002 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition：Asia Pacific.6-10 Oct 2002：1378～1381.

［5］Blazic B,Papic I.Improved D-statcom control for operation with unbalanced currents and voltages［J］.IEEE Transactions on Power Oelivery,2006,21(1)：225-233.

(編輯:劉寶江)

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)SVG控制策略的研究,在SVG拓

SVG system modeling and simulation based on double closed-loop control strategy

DAI Bin,DU Qin-jun,SHI Xiang,LU En-qing
(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

Static var generator(SVG)has the properties of dynamics and adaptive,which makes it become the first choice of scheme and development direction for the reactive power compensation.In this paper,the basic structure of SVG topological model is made,the mathematical model of SVG is established.And then based on the mathematical model,the double closed-loop control strategy for SVG is proposed,which is inner-loop control design for current and outer loop control design for voltage.The feasibility and correctness are proved by circuit modeling and simulation verification using the Matlab/Simulink simulation tool.

SVG；the mathematical model of SVG；the double closed-loop control；simulation verification

1672―6197(2013)01―0054―05

TM76

A

2012- 09- 18

代彬,男,dbaxyz@163.com；通信作者：杜欽君,男,duqinjun@sdut.edu.cn