雙閉環(huán)控制SVG及脈沖封鎖仿真研究

石新春，張薇，劉沛然

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定071003)

雙閉環(huán)控制SVG及脈沖封鎖仿真研究

石新春，張薇，劉沛然

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定071003)

介紹SVG的主體結(jié)構(gòu)和基本原理，在坐標(biāo)系下對(duì)SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過比較選擇了SVG電流直接控制方法?？紤]到直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的要求，設(shè)計(jì)了電壓電流雙閉環(huán)PWM控制系統(tǒng)，并對(duì)脈沖封鎖運(yùn)行方式進(jìn)行了研究，用Matlab/Simulink對(duì)SVG進(jìn)行系統(tǒng)仿真，表明了SVG具有良好的動(dòng)態(tài)性能，驗(yàn)證了雙閉環(huán)控制及脈沖封鎖運(yùn)行方式的正確性與有效性。

SVG；電流直接控制；雙閉環(huán)控制；脈沖封鎖

近年來，隨著人們對(duì)電網(wǎng)的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行越來越關(guān)注，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全運(yùn)行水平變得至關(guān)重要[1-2]。由于動(dòng)態(tài)變化的非線性負(fù)荷在現(xiàn)代工業(yè)體系中的應(yīng)用，使有功和無功功率隨時(shí)間快速變化，導(dǎo)致了供電電壓的波動(dòng)和閃變、供電電壓的波形畸變、功率因數(shù)惡化以及不平衡負(fù)荷引起的三相供電電壓的動(dòng)態(tài)不平衡，引起電網(wǎng)電能質(zhì)量變壞[3]。而靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)無功功率的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而且響應(yīng)速度快、運(yùn)行效率高、體積小，補(bǔ)償高次諧波[4-5]，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題之一。然而，在研究SVG對(duì)電力系統(tǒng)作用的同時(shí)，還應(yīng)該考慮到系統(tǒng)中所有動(dòng)態(tài)和暫態(tài)過程對(duì)SVG不同程度的影響，而脈沖封鎖運(yùn)行方式作為反故障措施中最有效的手段，必然是研究的重點(diǎn)。

目前SVG運(yùn)行控制方式主要有電流直接控制和電流間接控制，鑒于電流間接控制方式具有響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，本文選擇電流直接控制方式。首先，在電流直接控制的基礎(chǔ)上，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法，根據(jù)SVG的主體結(jié)構(gòu)，建立其在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，其中針對(duì)軸與軸互相耦合這一問題，采用前饋解耦來實(shí)現(xiàn)軸與軸的獨(dú)立控制。然后，基于直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定和電流響應(yīng)速度的要求，設(shè)計(jì)了電壓電流雙閉環(huán)PWM控制系統(tǒng)。最后，為保證裝置的安全和快速靈活性，重點(diǎn)研究系統(tǒng)故障情況下SVG的脈沖封鎖運(yùn)行方式。使用Matlab/Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，表明SVG具有良好的動(dòng)態(tài)性能，并驗(yàn)證了脈沖封鎖運(yùn)行方式的正確性與有效性。

1 SVG的基本原理

SVG的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由直流側(cè)儲(chǔ)能電容、三相橋式逆變電路、連接電抗器和等效電阻組成。由于等效電阻

非常小，幾乎不消耗有功，并且SVG只發(fā)出或吸收無功，所以選擇電容提供直流側(cè)電壓。三相橋式逆變采用SPWM調(diào)制技術(shù)，開關(guān)頻率高，選擇IGBT作為功率開關(guān)器件。通過控制SVG橋壁IGBT的通斷，能夠把電容上的直流電壓逆變成三相交流電壓，通過對(duì)逆變的控制來得到理想輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)控制SVG發(fā)出或吸收無功功率的目的[6]。

圖1 SVG主體結(jié)構(gòu)圖

2 SVG的建模、控制策略及脈沖封鎖運(yùn)行方式

2.1 控制方法的選擇

SVG的控制方法總結(jié)起來主要有兩種：電流間接控制和電流直接控制。

電流間接控制主要是控制逆變器輸出端交流電壓的相位和幅值，達(dá)到間接控制系統(tǒng)無功電流的目的。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率低、控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較適合大容量的SVG，缺點(diǎn)是電流響應(yīng)時(shí)間較慢；無功變化時(shí)，逆變器輸出電壓相位變化范圍較小，需要很高的相位檢測(cè)精度和控制精度；電網(wǎng)電壓負(fù)序分量較大時(shí)，引起直流電壓的脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使逆變器輸出電壓的脈寬發(fā)生變化，導(dǎo)致SVG產(chǎn)生較大的諧波[7]。

電流直接控制方法采用的是PWM控制技術(shù)，功率開關(guān)器件開關(guān)頻率高，比間接電流控制的精度高，而且電流響應(yīng)速度更快，比較適用于小容量SVG。由于本文是對(duì)低電壓小容量SVG的研究，所以采用電流直接控制方法，以提高SVG的精度和實(shí)時(shí)性。

2.2 數(shù)學(xué)模型的搭建

如圖1所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可以得到相的回路電壓方程：

同理可以得到另外兩相回路的電壓方程：

將各物理量從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將式(1)～(3)帶入式(4)，有：

其中：

得到：

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)Park變換理論，SVG的瞬時(shí)有功和無功功率可按式(7)來計(jì)算：

式(7)簡(jiǎn)化為：

可以看出，有功瞬時(shí)功率與軸電流分量直接相關(guān)，無功瞬時(shí)功率與軸電流分量直接相關(guān)，因此分別定義軸和軸電流為有功和無功分量。

由于SVG直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性和有效利用至關(guān)重要，本文采用電容電壓外環(huán)進(jìn)行直接控制，在保證電容電壓穩(wěn)定的同時(shí)，又能夠?qū)崿F(xiàn)電容電壓的高效利用。

基于上述分析，本文采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。由于兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)具有對(duì)稱性，因此降低了控制器的設(shè)計(jì)難度。

直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性由系統(tǒng)消耗的有功功率決定，所以有功電流的給定*可以通過直流電壓環(huán)的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到的調(diào)節(jié)量來計(jì)算，而無功電流的給定*可以通過式(9)得到：

圖2為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。

圖2 SVG控制結(jié)構(gòu)圖

2.4 SVG脈沖封鎖運(yùn)行方式

脈沖封鎖是對(duì)IGBT的門極施加關(guān)斷脈沖的操作，可以強(qiáng)行終止IGBT的導(dǎo)通，且響應(yīng)速度快，對(duì)于裝置的保護(hù)具有非常重要的作用，同時(shí)也是控制及干預(yù)整個(gè)逆變器工作狀態(tài)最快最有效的手段之一。此種運(yùn)行方式只是關(guān)斷所有IGBT，卻仍然保留逆變器的整流過程，即不將SVG與電力系統(tǒng)解列，一旦裝置運(yùn)行條件允許，即可以恢復(fù)運(yùn)行。

當(dāng)電網(wǎng)遠(yuǎn)端發(fā)生短路故障時(shí)，SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生跌落，故障點(diǎn)離該并網(wǎng)點(diǎn)越近，電壓跌落程度越大。而電網(wǎng)電壓的波動(dòng)會(huì)對(duì)SVG直流側(cè)電壓造成直接影響，導(dǎo)致SVG直流側(cè)電壓也出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，影響設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。針對(duì)該問題，當(dāng)系統(tǒng)故障嚴(yán)重時(shí)，就需要SVG進(jìn)入脈沖封鎖運(yùn)行方式。

之所以選擇脈沖封鎖運(yùn)行方式，而不選擇跳開主開關(guān)，主要是從以下兩個(gè)方面考慮：其一，主開關(guān)的斷開需要一定的時(shí)間，而各種故障的變化過程非常短，遠(yuǎn)小于前者，所以主開關(guān)的斷開只能將故障后的SVG從系統(tǒng)中分離，起到防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大的作用，是保護(hù)系統(tǒng)的最后一道防線；其二，如果故障后主開關(guān)斷開，當(dāng)故障排除后，SVG需要再投入，還要經(jīng)歷較慢的啟動(dòng)等過程，這樣就失去了快速、靈活的特點(diǎn)，影響其作用的發(fā)揮。綜上可知，脈沖封鎖運(yùn)行方式是SVG反故障系統(tǒng)中最有效的手段。

3 仿真分析

通過以上的分析，應(yīng)用Matlab/Simulink工具搭建仿真模型。模型的網(wǎng)側(cè)線電壓有效值為600 V，頻率為50 Hz，負(fù)載有功功率為1 MW。采用的是定步長(zhǎng)離散仿真系統(tǒng)，采樣時(shí)間為5×10－6s，IGBT的開關(guān)頻率為3 kHz。

當(dāng)負(fù)載側(cè)無功功率為600 kvar，未進(jìn)行補(bǔ)償無功功率時(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形如圖3所示。由圖3可見，二者有明顯的相位差，電流滯后于電壓。

圖3 補(bǔ)償前A相電壓電流波形

加入SVG，進(jìn)行仿真。圖4為補(bǔ)償后的電壓電流波形，可以看出，SVG能在約一個(gè)周波多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)速度比較快，電網(wǎng)電壓和電流之間的相位差為0，能實(shí)現(xiàn)無功功率的全補(bǔ)償。圖5為SVG輸出電流與電網(wǎng)電壓的波形圖，可以看出SVG能夠向電網(wǎng)發(fā)出感性無功。然而，電流波形含有一定的諧波，這是由于IGBT開關(guān)頻率低造成的，而過高的開關(guān)頻率則會(huì)造成損耗的增加。為提高電容的利用率，從而提高裝置的效率，直流側(cè)電壓穩(wěn)定維持在1 100 V左右。圖6為SVG直流側(cè)電壓波形圖，從圖6中可見，其電壓基本穩(wěn)定，在±5 V范圍波動(dòng)，幅度很小。

圖4 補(bǔ)償后A相電壓電流波形

圖5 SVG輸出電壓電流波形

圖6 SVG直流側(cè)電壓波形

當(dāng)電網(wǎng)在0.2 s時(shí)發(fā)生單相接地短路故障，此時(shí)A相電壓跌落到60%，在0.3 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù)，對(duì)此故障時(shí)刻裝置脈沖封鎖運(yùn)行方式進(jìn)行仿真，可以得到A相電壓電流波形，如圖7所示。從圖7中可以看出，在故障恢復(fù)后，裝置能夠迅速投入使用，達(dá)到了安全、快速和靈活的目的。

圖7 SVG脈沖封鎖運(yùn)行方式A相電壓電流波形

4 結(jié)論

SVG主電路采用三相電壓型逆變器，研究了SVG的工作原理、雙閉環(huán)控制策略和脈沖封鎖運(yùn)行方式，并進(jìn)行了仿真研究，得到如下結(jié)論：

(1)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償，并且具有良好的動(dòng)態(tài)控制性能與靜態(tài)補(bǔ)償效果。

(2)提出的直接電流控制方式和電壓電流雙閉環(huán)PWM控制策略具有正確性、優(yōu)越性與有效性。

(3)脈沖封鎖運(yùn)行方式是SVG反系統(tǒng)故障運(yùn)行的最有效手段，對(duì)于保護(hù)裝置安全性、保持裝置快速和靈活性具有顯著的效果。

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Study on SVG simulation with dual closed-loop control and pulse latching

SHI Xin-chun,ZHANG Wei,LIU Pei-ran

The SVG main circuit and the basic principles of SVG were introduced.SVG topology modeling in

coordinate process was finished.Then SVG direct current control method was selected by comparing as well. Considering stability requirement to the DC side voltage,voltage and current dual closed-loop PWM control system was designed,and the pulse latching operation mode was studied.Finally,SVG system was simulated using the Matlab/Simulink.Results show that SVG has a good dynamic performance,verifying the correctness and validity of the dual closed-loop control and pulse latching operation mode.

SVG;direct current control method;dual closed-loop control;pulse latching

TM 74

A

1002-087 X(2015)03-0606-03

2014-08-13

石新春(1950—)，男，河北省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。

張薇，E-mail：819122955@qq.com