級(jí)聯(lián)H橋靜止無(wú)功發(fā)生器的直流側(cè)電壓控制方法

王改云，吳昊天

（桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004）

級(jí)聯(lián)H橋靜止無(wú)功發(fā)生器的直流側(cè)電壓控制方法

王改云，吳昊天

（桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004）

該設(shè)計(jì)提出一種綜合直流側(cè)電壓控制方法，該方法使用改進(jìn)的解耦控制，分離有功和無(wú)功分量，增加補(bǔ)償精度。設(shè)計(jì)預(yù)充電啟動(dòng)電路，減小SVG啟動(dòng)時(shí)的超調(diào)電壓和沖擊電流。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用證明綜合直流側(cè)電壓控制方法比傳統(tǒng)方法更有效地抑制SVG的沖擊電流且電壓控制穩(wěn)定。

靜止無(wú)功發(fā)生器；改進(jìn)解耦控制；PI控制；超調(diào)電壓抑制

0 引言

隨著科技進(jìn)步各種感性容性以及非線(xiàn)性負(fù)載得到了越來(lái)越廣泛的使用，這些無(wú)功負(fù)載會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率和諧波電流，從而引起一系列電能質(zhì)量的問(wèn)題，在電力系統(tǒng)中不僅增加了電網(wǎng)有功損耗而且?guī)?lái)了諧波污染。快速實(shí)時(shí)的無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)提高電力設(shè)備利用率，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證供電電壓穩(wěn)定具有重要意義[1～5]。

靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）作為新型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，具有調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)用范圍廣、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外投入使用的SVG多基于變壓器多重化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在一定程度上滿(mǎn)足了裝置容量的需求，但是設(shè)備占地面積大，成本昂貴。而無(wú)功補(bǔ)償正朝著高壓大容量的方向發(fā)展，這對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提出了更高的要求。級(jí)聯(lián)H橋式SVG具有各逆變單元獨(dú)立、易于模塊化擴(kuò)展、控制策略簡(jiǎn)單、無(wú)需多重變壓器接入、在輸出相同的電平下所需開(kāi)關(guān)器件少、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的重視[6～8]。

由于級(jí)聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電容相對(duì)獨(dú)立，理想情況只需要向直流側(cè)注入一定的有功功率就能維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。但是實(shí)際中由于開(kāi)關(guān)器件損耗和觸發(fā)脈沖存在差異，使得H橋模塊充放電時(shí)間不一致和電容電壓不平衡。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備失穩(wěn)無(wú)法正常運(yùn)行。因此直流側(cè)電壓的控制對(duì)于SVG工作的性能至關(guān)重要。文獻(xiàn)[9]提出了改進(jìn)解耦控制方法，該方法具有電網(wǎng)電流波形質(zhì)量高、功率脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)考慮沖擊電流過(guò)大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]提出了基于直流母線(xiàn)能量交換的直流電壓平衡控制方法，但直流側(cè)需額外增加變壓器，使整個(gè)逆變器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，設(shè)備損耗增加，成本顯著提高。文獻(xiàn)[11]著重對(duì)級(jí)聯(lián)H橋相間直流電壓平衡控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了相間電壓平衡控制的方法，但對(duì)相內(nèi)各模塊間電壓平衡控制沒(méi)有進(jìn)行考慮。本文對(duì)這種級(jí)聯(lián)H橋式SVG進(jìn)行了研究，并提出綜合直流側(cè)電壓控制方法，該方法分別在電壓外環(huán)通過(guò)軟啟動(dòng)方式、PI直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)抑制超調(diào)電流，電流內(nèi)環(huán)使用改進(jìn)的解耦控制分為有功和無(wú)功分量。通過(guò)仿真和裝備實(shí)驗(yàn)證明方法有效可行，能夠解決SVG啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的直流側(cè)電壓控制問(wèn)題。

1 SVG工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1 無(wú)功發(fā)生器工作原理

圖1 SVG等效原理圖

SVG工作時(shí)根據(jù)諧波電流檢測(cè)的負(fù)載端產(chǎn)生的諧波電流和無(wú)功電流，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流予以補(bǔ)償。從而防止負(fù)載部分產(chǎn)生的諧波電流和無(wú)功電流流入網(wǎng)測(cè)，污染網(wǎng)側(cè)電流影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。即在整個(gè)系統(tǒng)中，電網(wǎng)產(chǎn)生的僅是基波電流并與電壓同相位，而SVG負(fù)責(zé)產(chǎn)生負(fù)載端非線(xiàn)性負(fù)載所需的諧波電流和無(wú)功電流。其工作基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)的輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制交流側(cè)電流，就可以使得該電路吸收或者發(fā)出能滿(mǎn)足上述要求的無(wú)功電流，補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的感性或者是容性的無(wú)功功率。

圖1為SVG的單相等效原理圖。其中SVG中所有有功損耗都折算到電抗的電阻R中SVG輸出電壓。與輸出電流始終是相差90°。SVG電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為Ψ，電網(wǎng)電壓與電流相差小于90°（90°-Ψ），因此電網(wǎng)提供了有功功率補(bǔ)充連接電抗器上的電阻的有功損耗（也包含SVG的有功損耗）。通過(guò)改變?chǔ)泛偷姆稻涂梢愿淖冚敵鲭娏鞯南辔缓痛笮?，從而使SVG補(bǔ)償電網(wǎng)合適的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

1.2 鏈?zhǔn)絊VG的主電路結(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)H橋SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括級(jí)聯(lián)H橋模塊、PI控制模塊、鎖相環(huán)模塊、觸發(fā)角模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊和有功功率控制模塊。SVG的核心結(jié)構(gòu)是H橋逆變器，每相結(jié)構(gòu)相同，由N個(gè)H橋模塊串聯(lián)組成，各模塊直流側(cè)電容獨(dú)立。在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)檢測(cè)出的系統(tǒng)電壓電流，計(jì)算得到無(wú)功功率，轉(zhuǎn)化為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變H橋的導(dǎo)通角度，控制無(wú)功發(fā)生器逆變產(chǎn)生所需的無(wú)功電流，補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功容量，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。

圖2 SVG結(jié)構(gòu)圖

2 啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 啟動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)

在SVG啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)直接對(duì)直流側(cè)電容充電，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。傳統(tǒng)的直流側(cè)電容電壓平衡控制法可以實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)平衡和穩(wěn)定電容電壓，但是不能有效地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤控制，直流側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，并產(chǎn)生沖擊電流，甚至燒毀元器件。因此在SVG啟動(dòng)瞬間加入直流側(cè)階梯抬升控制有助于抑制直流電壓的超調(diào)，同時(shí)防止過(guò)大電流燒毀元器件，提高設(shè)備使用壽命。圖3為啟動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計(jì)是用于10KV無(wú)功發(fā)生器，故先通過(guò)變壓器降壓，然后由移相調(diào)壓模塊調(diào)整電壓大小，再由變壓器升壓至10KV直接為無(wú)功發(fā)生器的H橋充電。啟動(dòng)模塊在SVG啟動(dòng)前對(duì)直流側(cè)電容預(yù)充電達(dá)預(yù)定值V，SVG啟動(dòng)后電網(wǎng)電壓通過(guò)H橋繼續(xù)給電容充電，并維持電容電壓穩(wěn)定同時(shí)啟動(dòng)模塊斷開(kāi)；

圖3 啟動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖

移相調(diào)壓模塊使用龍科LSA-TH3P150Y智能三相交流一體化調(diào)壓模塊。該調(diào)壓模塊有多種控制方式，為降低干擾，提高精度，對(duì)其控制信號(hào)選擇4～20mA的電流控制方式。

2.2 控制信號(hào)產(chǎn)生模塊

控制信號(hào)產(chǎn)生模塊主要由控制器和AD421數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。AD421是ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由電流環(huán)路供電，16為數(shù)字信號(hào)串行輸入，可以輸出4～20mA電流。其積分線(xiàn)性誤差0.0001%，增益誤差0.2%。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。具體電路如圖4。

圖4 控制信號(hào)輸出電路圖

VCC腳連接去耦電容C5和在COMP引腳和DRIVE引腳之間接0.01uF電容，保證了電流輸出穩(wěn)定，芯片內(nèi)部的運(yùn)放與外部調(diào)整管形成反饋回路。處理器發(fā)送16位串行數(shù)據(jù)信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)和LATCH信號(hào)控制芯片AD421。串行輸入的數(shù)據(jù)為0000時(shí)編程電流I為4mA，為FFFF時(shí)輸出電流為20mA。LOOP_B輸出環(huán)路電流到移相調(diào)壓模塊的控制信號(hào)引腳，LOOP_A為環(huán)路電流的輸入。根據(jù)控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以快速控制電路得到4～20mA的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)移向調(diào)壓模塊的實(shí)時(shí)控制。

3 改進(jìn)控制方法的解耦算法

由于SVG是一個(gè)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，利用puck變換能有效分離電流內(nèi)環(huán)的有功電流（id）和無(wú)功電流（iq）[12]。改進(jìn)解耦控制原理框圖如圖5所示：

圖5 改進(jìn)的解耦原理圖

式中△Ud和△Uq分別為PI控制器輸出；ω為電網(wǎng)電壓頻率50Hz；L為濾波電抗器的電感值；R為等效電阻。最后將獲得的參考有功和無(wú)功電壓分量進(jìn)行d-q反變換，得到各H橋?qū)?yīng)的三相參考電壓。

4 系統(tǒng)仿真和結(jié)果

使用上述方法，使用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建系統(tǒng)模型，對(duì)提出的級(jí)聯(lián)H橋SVG啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行仿真。本文仿真當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷需要大量無(wú)功容量時(shí)，在相同負(fù)載條件下，未加入綜合控制方法的SVG和使用綜合直流側(cè)電壓控制方法的SVG進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果電壓波形圖分別如圖6和圖7所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓。

在同樣條件下，圖4中未加綜合啟動(dòng)策略的直流側(cè)電壓波形出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，而圖4中經(jīng)過(guò)啟動(dòng)策略直流側(cè)電壓比較平滑并且電壓很快穩(wěn)定。運(yùn)用本文提出的啟動(dòng)策略能有效地抑制SVG并網(wǎng)時(shí)的超調(diào)電壓，避免過(guò)大的沖擊電流。

圖6 未加控制方法直流側(cè)電壓

圖7 加入控制方法直流側(cè)電壓

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用以上算法在樣機(jī)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。錄波器橫坐標(biāo)為時(shí)間，上一波形為SVG的A相輸出電壓波形；錄波器下一波形為SVG的A相輸出電流波形。橫坐標(biāo)都為時(shí)間。可見(jiàn)SVG輸出電壓和電流正好相差90°，且波形穩(wěn)定無(wú)畸變。結(jié)果顯示在SVG設(shè)備上的實(shí)驗(yàn)效果和仿真結(jié)果一致，說(shuō)明算法和設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。

圖8 實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)SVG并網(wǎng)時(shí)啟動(dòng)電流沖擊過(guò)大和直流側(cè)電容電壓平衡的問(wèn)題，提出了綜合直流側(cè)電壓控制策略。該策略把電壓外環(huán)直流側(cè)預(yù)充電和電流內(nèi)環(huán)的解耦控制以及PI控制等方法綜合運(yùn)用到SVG裝置中，能有效抑制沖擊電流并保持H橋電容電壓穩(wěn)定。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該綜合啟動(dòng)策略的正確性和重要的應(yīng)用價(jià)值。

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DC Voltage Control Method of Cascaded H-Bridge SVG

WANG Gai-yun，WU Hao-tian
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

Presents a new comprehensive DC voltage controlmethod,themethod uses improved decoupling control that can effective separation of active component and reactive component,increases compensation accuracy.The design of charging starting circuit reduces the overshoot of voltage and impulses the currentwhen SVG starts.Simulation and practical application of experiments prove that comprehensive DV voltage controlmethod ismore effective than the traditionalmethod of inhibiting the SVG impact currentand voltage stability control.

Static Var Generator;Improved Decoupling Control;PIControl;Overshoot Voltage Suppression

1007-1423（2015）06-0070-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.06.018

王改云（1964-），女，河南人，教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、?shù)據(jù)融合、故障診斷等

吳昊天（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c檢測(cè)

2015-01-04

2015-02-01