靜止無(wú)功發(fā)生器雙環(huán)控制研究

郭　克，高舜宇，鄭　雷，湯　鍵

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006）

靜止無(wú)功發(fā)生器雙環(huán)控制研究

郭克，高舜宇，鄭雷，湯鍵

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006）

研究了一種基于電壓源型變流器（VSC）的靜止無(wú)功發(fā)生器的雙環(huán)控制策略，該系統(tǒng)能夠根據(jù)參考電流實(shí)時(shí)發(fā)出系統(tǒng)所需要的無(wú)功電流，速度響應(yīng)快，補(bǔ)償性能好。建立了兩相同步坐標(biāo)系下的VSC的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。電壓外環(huán)采用直流側(cè)電容電壓快速響應(yīng)PI控制器計(jì)算出的增益來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器的增益，在不改變控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使其既能維持直流母線電壓穩(wěn)定，又能獲得更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功電流的獨(dú)立控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制策略的正確性及有效性。

SVG；雙環(huán)控制；解耦控制

0　前言

柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）作為一項(xiàng)能夠有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的新興技術(shù)，得到了快速發(fā)展。而靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）作為FACTS中的一項(xiàng)核心裝置［1-2］，由于具有良好的控制性能和補(bǔ)償效果，成為了電力系統(tǒng)中柔性交流輸電裝置的研究熱點(diǎn)。

在靜止無(wú)功發(fā)生器的控制策略中，文獻(xiàn)［3］采用間接電流的控制方式，其控制簡(jiǎn)單，但存在著動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)敏感的問(wèn)題；文獻(xiàn)［4］采用直接電流的控制方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制，使得SVG的電流動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性得到較大的提高，但電壓外環(huán)控制采用傳統(tǒng)的PI控制方式，使其直流側(cè)電壓控制較慢，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)［5］中電壓外環(huán)采用自適應(yīng)的PI控制器解決以上問(wèn)題，但其控制復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

本文電壓外環(huán)采用直流側(cè)電容電壓快速響應(yīng)PI控制器計(jì)算出的增益來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器的增益，在不改變控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使其既能維持直流母線電壓穩(wěn)定，又能獲得更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制，通過(guò)對(duì)有功無(wú)功電流的獨(dú)立控制解決了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感的問(wèn)題，增強(qiáng)了SVG控制系統(tǒng)的魯棒性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明該控制策略可行。

1　靜止無(wú)功發(fā)生器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

SVG裝置的主電路如圖1所示，其中ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值，L為輸出連接電抗器濾波電感，R為SVG裝置的等效電阻，C為直流側(cè)電容，ua、ub、uc為SVG裝置橋式換流器交流側(cè)輸出相電壓，ia、ib、ic為SVG裝置橋式換流器輸出相電流，udc為直流側(cè)母線電壓，idc為直流側(cè)母線電壓。

根據(jù)KVL，得到SVG裝置在三相靜止坐標(biāo)系（abc）下的方程［6-7］：

圖1　SVG裝置主電路拓?fù)?/p>

2　靜止無(wú)功發(fā)生器雙環(huán)控制

由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和多種擾動(dòng)因素，控制策略首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力。其次，SVG系統(tǒng)還強(qiáng)調(diào)對(duì)輸入指令（補(bǔ)償無(wú)功電流）的跟蹤能力，控制策略還應(yīng)兼顧跟蹤能力。又由于系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)特性要求，不可能在極短暫的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，故控制策略還應(yīng)簡(jiǎn)潔高效［8］。因此，SVG控制系統(tǒng)采用基于dq坐標(biāo)系下的雙環(huán)前饋解耦控制［9］，系統(tǒng)由電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)組成，其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制框圖

（1）電壓外環(huán)控制

由于傳統(tǒng)電壓環(huán)PI控制器在負(fù)載突變情況下補(bǔ)償無(wú)功較慢，本文擬采用直流側(cè)電容電壓快速響應(yīng)PI控制器計(jì)算出的增益，代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器的增益，在不改變控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使其即能維持直流母線電壓穩(wěn)定，又能獲得更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，如圖3所示。

圖3　電壓外環(huán)控制

傳統(tǒng)電壓外環(huán)控制器輸出：

快速響應(yīng)的電壓外環(huán)控制器輸出：

即：

簡(jiǎn)化為，

其中，

則有，

（2）電流內(nèi)環(huán)控制

采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論地改進(jìn)的檢測(cè)方法得到負(fù)載電流中的無(wú)功指令，這里設(shè)為。在有功和無(wú)功指令已確定的情況下，未加前饋解耦的橋式換流器的輸出電壓指令式如下：

由以上數(shù)學(xué)模型可知，系統(tǒng)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下是相互耦合的，這樣不利于PI調(diào)節(jié)器對(duì)有功和無(wú)功電流進(jìn)行閉環(huán)控制，故在電流內(nèi)環(huán)中引入前饋解耦環(huán)節(jié)［9］。

再將上式代回至（13）式中得到有功和無(wú)功電流解耦控制的表達(dá)式：

其中，把Δvd和Δvq當(dāng)作橋式換流器交流側(cè)輸出電壓v*d和v*q的控制量，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到Δvd、Δvq：

采用兩個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，控制相應(yīng)的有功電流分量和無(wú)功電流分量。這樣即實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。

3　仿真分析

利用MATLAB/Simulink工具箱建立了基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制的SVG系統(tǒng)仿真模型，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1　SVG系統(tǒng)仿真參數(shù)

系統(tǒng)仿真中，分別對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行了研究研究，具體分析如下。

當(dāng)負(fù)載側(cè)為阻感性負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)仿真波形如圖4所示，0～0.04 s，SVG系統(tǒng)先經(jīng)不控整流對(duì)直流側(cè)電容充電至600 V左右，從0.04 s～0.084 s，直流側(cè)電壓由橋式換流器經(jīng)整流從電網(wǎng)獲取能量，并通過(guò)軟啟動(dòng)控制達(dá)到所需穩(wěn)定的直流側(cè)電壓700 V，待直流側(cè)電壓穩(wěn)定后，即0.084 s后切換至SVG補(bǔ)償工作狀態(tài)，圖4（a）即直流側(cè)電壓建立過(guò)程波形，在補(bǔ)償過(guò)程中直流側(cè)電壓一直維持在700 V附近，波動(dòng)較?。粓D4（b）為a相電壓Ua、系統(tǒng)a相電流isa及負(fù)載側(cè)電流ifa補(bǔ)償前后波形，補(bǔ)償前，系統(tǒng)電流isa滯后于a相電壓Ua，0.084 s后SVG正常工作，不到一個(gè)電壓周期，系統(tǒng)電流isa與a相電壓Ua基本同相，負(fù)載突切至一半時(shí)，能夠快速達(dá)到穩(wěn)定；且功率因數(shù)由補(bǔ)償前的0.8以下快速達(dá)到0.99以上，如圖4（c）所示；圖4（d）為SVG系統(tǒng)輸出a相電壓、補(bǔ)償電流波形，系統(tǒng)輸出電流波形正弦度良好，反應(yīng)迅速。穩(wěn)定工作一段時(shí)間后，在0.14 s時(shí)刻，負(fù)載突切至一半，系統(tǒng)在半個(gè)工頻周期內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)速度快，且補(bǔ)償效果明顯。對(duì)于阻容性負(fù)載，其仿真波形與阻感性負(fù)載類似。

圖4　阻感負(fù)載突變動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償波形圖

4　實(shí)驗(yàn)分析

圖5是搭建的低壓靜止無(wú)功發(fā)生器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了低壓小功率實(shí)驗(yàn)，其中交流側(cè)線電壓經(jīng)調(diào)壓器輸出為80 V，直流側(cè)電壓給定200 V，阻感負(fù)載（2 Ω/5 mH），阻容負(fù)載（2 Ω/1 mF），其他參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖5　SVG實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

當(dāng)負(fù)載接阻感性負(fù)載，通過(guò)示波器測(cè)量出補(bǔ)償前負(fù)載端相電壓、電流波形如圖6（a）所示，橫坐標(biāo)軸為10 ms/div，縱坐標(biāo)軸負(fù)載側(cè)電流對(duì)應(yīng)為25 A/div，電壓對(duì)應(yīng)為30 V/div，直流側(cè)電壓對(duì)應(yīng)80 V/div；其中電壓超前電流38°左右，功率因數(shù)約為0.79；圖6（b）所示為補(bǔ)償后的負(fù)載電壓、電流相位關(guān)系圖，可以看出，補(bǔ)償后電壓、

圖6　阻感性負(fù)載補(bǔ)償前后電壓與電流波形

電流相位已經(jīng)接近同相，功率因數(shù)基本為1，正弦度較好，且感性無(wú)功基本補(bǔ)償，電流幅值減小，補(bǔ)償效果明顯。對(duì)于阻容性負(fù)載，其實(shí)驗(yàn)波形與阻感性負(fù)載波形類似。

5　結(jié)論

本文基于電壓源型VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，對(duì)低壓靜止無(wú)功發(fā)生器的雙環(huán)控制策略進(jìn)行了研究，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制策略能保證SVG能夠根據(jù)參考電流實(shí)時(shí)發(fā)出系統(tǒng)所需要的感性和容性無(wú)功電流，補(bǔ)償性能良好。

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Dual Loop Control Research of Static Var Generator

GUO Ke，GAO Shun-yu，ZHENG Lei，TANG Jian
（Guangdong University of Technology，Automation Faculty，Guangzhou510006，China）

This study based on voltage source converter（VSC）Static Var Generator double loop control strategy，the system can send out real-time systems require reactive current according to the reference current，fast response speed，good compensation performance. First，make a mathematical model of two-phase synchronous VSC coordinates，and on this basis，adopt an improved outer loop voltage，current loop double loop control strategy.Voltage outer side capacitor voltage DC fast response PI controller calculates the gain to replace the traditional PI controller gain，without changing the control structure based on it both to maintain the DC bus voltage stability，but also faster dynamic response speed；current loop feedforward decoupling control to achieve independent control of active and reactive current. The simulation and experimental results show the validity and effectiveness of the control strategy.

SVG；bicyclic control；decoupling control

TM401

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0014-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.004

郭克，男，1988年生，河南平頂山人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電力電子功率變換器、電纜絕緣檢測(cè)。

（編輯：阮毅）

2015-06-30