隔爆型二極管箝位型靜止無功補償器控制延遲的補償研究＊

劉光起 楊錦忠

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，北京市石景山區(qū)，100042)

隨著社會發(fā)展對能源需求量的不斷提升，傳統(tǒng)能源尤其是煤炭開采量日益增多，礦井自動化及礦井信息化成為煤礦保證產(chǎn)量提升的重要手段，然而過多大功率機械設備的使用對電網(wǎng)也產(chǎn)生了無功和諧波等方面的污染。在含有大量無功與諧波的電網(wǎng)供電下運行的機械設備不但工作效率偏低，甚至容易造成電氣設備故障而產(chǎn)生隱患，而且在多個大功率設備同時運行時，設備會因電網(wǎng)無功功率不足而無法啟動，從而影響正常生產(chǎn)。此外惡劣的電網(wǎng)質(zhì)量也會對煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，造成安全隱患。

針對以上問題，采用煤礦井下隔爆型無功補償發(fā)生器 (SVG)對電網(wǎng)進行無功補償，由于傳統(tǒng)的兩電平全橋結(jié)構(gòu)不適用于煤礦井下660V交流電壓環(huán)境，所以采用二極管箝位型三電平拓撲作為煤礦井下隔爆型SVG的主電路拓撲，使用普通開關(guān)管的同時降低了開關(guān)管的電壓應力，諧波含量小。

1 二極管箝位型SVG主拓撲與工作原理分析

1.1 二極管箝位型SVG主拓撲

二極管箝位型三電平逆變器作為SVG的電路拓撲如圖1所示。

圖1 二極管箝位型三電平逆變器作為SVG的電路拓撲圖

由圖1可見，采用并聯(lián)補償無功的方式，對負載側(cè)電流的無功量進行相應補償，從而使電源側(cè)功率因數(shù)為1。在SVG主拓撲中，A、B和C三相各自連接有4個開關(guān)管的橋臂，每個橋臂輸出有3種狀態(tài)，即P、O、N狀態(tài) (其中x取值為1、2和3):當開關(guān)管Sx1、Sx2導通且Sx3、Sx4關(guān)斷時，該相交流側(cè)連至逆變器直流側(cè)正極，輸出電壓為＋Ud，為P狀態(tài)；當開關(guān)管Sx2、Sx3導通且Sx1、Sx4關(guān)斷時，該相交流側(cè)與逆變器直流側(cè)中點相連，輸出電壓為0，為O狀態(tài)；當Sx1、Sx2關(guān)斷且Sx3、Sx4導通時，該相交流側(cè)連至逆變器直流側(cè)負極，輸出電壓為-Ud，為N狀態(tài)。

1.2 靜止無功補償器工作原理分析

靜止無功補償器的基本原理是將逆變電路通過電抗器并聯(lián)在負載電網(wǎng)的接入端，用以調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電流的幅值和相位，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹VG單相等效電路如圖2所示。

圖2 SVG單相等效電路

電網(wǎng)電壓與SVG輸出的交流電壓、電抗器上的電壓以及電阻上的電壓關(guān)系見式(1):

式中:——電網(wǎng)電壓，V；

——交流電壓，V；

——電抗器上的電壓，V；

——電阻上的電壓，V。

當為適當?shù)姆岛拖辔粫r，交流側(cè)電流超前于網(wǎng)側(cè)電壓90°，SVG可等效為吸收容性無功；同樣可以通過設置的幅值和相位使滯后于90°，對其幅值進行調(diào)整吸收感性無功。

2 三電平SVG雙閉環(huán)控制器

三電平SVG系統(tǒng)由信號采集與坐標變換、PI控制器和SVPWM調(diào)制3部分組成，三電平SVG控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 三電平SVG控制結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號采集與坐標變換

2.1.1 三相交流電壓采集

三相交流電壓經(jīng)過三線／四線制變壓器降壓后的相電壓分別輸入單相交流電壓采集電路，其電路原理圖如圖4所示。

由圖4可見，經(jīng)檢測得到的相電壓信號經(jīng)RC濾波后送入運放正極性輸入端，經(jīng)過運算放大器由R30、R29、R32、R35、C43以及運放構(gòu)成的電壓跟隨器作用，輸出與測得的交流相電壓大小及相位均相等的信號，之后再經(jīng)過硬件濾波送入AD模塊。

2.1.2 三相交流電流采集

由于負載電流與SVG接入電網(wǎng)電流大小相近且頻率相同，因而三相負載電流與SVG接入電網(wǎng)電流采集電路相同，單相交流電流采集電路原理圖如圖5所示。

圖4 單相交流電壓采集電路原理圖

圖5 單相交流電流采集電路原理圖

由圖5可見，電流通過霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)為差分電壓信號，首先通過R18、R19、R15、R21構(gòu)成的分壓電路將霍爾傳感器檢測得到的電流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號，并將其送入帶有輸出濾波環(huán)節(jié)的電壓跟隨器，從而輸出與差分電壓大小和相位均相等的電壓信號，并送入AD模塊。

2.1.3 瞬時無功功率坐標轉(zhuǎn)換

根據(jù)瞬時無功功率理論，將abc坐標系上三相電壓與三相電流瞬時狀態(tài)變量轉(zhuǎn)化α／β坐標系，再分解出有功和無功的d／q坐標系，理想狀態(tài)下物理相量圖如圖6所示。

三相交流電壓在abc坐標系上的瞬時值見式(2):

式中:ua——A相瞬時電壓，V；

ub——B相瞬時電壓，V；

uc——C相瞬時電壓，V；

Um——最大值，V。

將abc坐標系中a軸與α／β坐標系中α軸重合，則三相交流電壓分解為α／β坐標系上見式 (3)，其中，對應圖6中交流電壓相位θ＝arctan(uβ／uα):

式中:uα——瞬時電壓在α軸分量，V；

uβ——瞬時電壓在β軸分量，V。

圖6 坐標變換物理相量圖

當d／q旋轉(zhuǎn)坐標系繞零點逆時針旋轉(zhuǎn)時，d軸為有功分量，q軸為無功分量超前d軸90°，為了方便運算，可認為d軸與α／β坐標系中合成相量VS＊重合共同逆時針旋轉(zhuǎn)，則q軸上電壓分量為零，即無功軸上無電壓分量；d軸與a軸 (α軸)夾角為θ＝arctan(uβ／uα)；三相交流電壓分解為d／q坐標系上見式 (4):

式中:ud——瞬時電壓在d軸分量，V；

uq——瞬時電壓在q軸分量，V。

應用同樣原理將三相負載電流瞬時值ila、ilb、ilc以及SVG接入電網(wǎng)電流isa、isb、isc相同的坐標變換見式 (5):

式中:——SVG 并入電網(wǎng)電流α／β坐標系分量，A；

——負載電流α／β坐標系分量，A。

SVG接入電網(wǎng)電流與，負載電流與ilβ分量分解為α／β坐標系上時，以電壓相角為相位基準分解見式 (6):

式中:——SVG并入電網(wǎng)電流d／q坐標系分量，A；

——負載電流d／q坐標系分量，A。

2.2 PI控制器

電網(wǎng)電壓、SVG交流電流與負載電流經(jīng)過信號采集與坐標變換后，作為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)PI控制器的控制變量，按照瞬時無功功率坐標系變換原理補償負載無功，具體過程如下:直流電壓在電壓外環(huán)的作用下保持穩(wěn)定，電壓外環(huán)d軸輸出作為輸出電流有功分量值isd＊，輸出電流有功分量isd時刻跟蹤isd＊，電流環(huán)d軸輸出電壓有功分量期望值upd＊；輸出電流無功分量isq＊時刻跟蹤負載無功電流ilq，即isq＊＝0-ilq，無功電流環(huán)輸出為電壓無功分量指令值upq＊；upd＊和upq＊經(jīng)過坐標反變換獲得逆變器輸出相電壓的指令值upa＊、upb＊和upc＊。

2.3 SVPWM調(diào)制策略

三電平SVPWM調(diào)制策略圖見圖7。

由于二極管箝位型SVG每個橋臂有3種狀態(tài)，因此共有27種空間電壓矢量分布 (如圖7(a)所示)，按照長度和空間矢量分為4種，分別是零矢量、大矢量、中矢量和小矢量。每個小矢量都有一個冗余開關(guān)狀態(tài)，稱為正小矢量和負小矢量，如PPO和OON，互為冗余的正、負小矢量在合成參考空間矢量時是等效的，在兩電平6個四邊形大扇區(qū)的基礎上，每個四邊形大扇區(qū)又可以是一個兩電平六邊形矢量圖的一部分。

將三電平SVPWM簡化為兩電平合成策略的具體步驟如下:

(1)確定參考空間矢量V＊的扇區(qū)n；

(2)將V＊逆時針旋轉(zhuǎn) (n-1)×60°到1扇區(qū)中V＊＊(如圖7(b)所示)；

(3)用轉(zhuǎn)至1大扇區(qū)中的空間電壓矢量減去小矢量POO (或ONN)，可得到在六邊形小扇區(qū)1中的參考空間矢量V＊＊＊(如圖7(c)所示)；

(4)在六邊形小扇區(qū)1中應用兩電平合成方法計算出合成矢量作用時間。

3 控制延遲與電流補償

3.1 控制系統(tǒng)時間延遲分析

在坐標變換過程中，負載電流和SVG接入電網(wǎng)電流都以檢測到的電源電壓相位θ為基準進行分解變換，即SVG不補償無功，穩(wěn)定直流電壓時保證自身單位功率因數(shù)；負載電流以電源電壓為相位基準坐標變換，保證準備計算負載電流無功量。

實際應用控制系統(tǒng)中造成控制時間延遲的具體情況如下:

圖7 三電平SVPWM調(diào)制策略圖

(1)信號采集過程中需要對模擬信號進行降壓和濾波處理，不同的硬件濾波器截止頻率造成不同程度的時間延遲，此部分時間延遲稱為信號采集處理延遲；

(2)經(jīng)過處理后模擬信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換作為數(shù)字控制器輸入；

(3)為了保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，需對部分數(shù)字信號平均值或軟件濾波進行處理，同樣造成不同程度的時間延遲；

(4)經(jīng)過數(shù)字控制器主函數(shù)運算以及調(diào)用相應中斷函數(shù)產(chǎn)生驅(qū)動信號，運算過程也會造成時間延遲，此部分延遲統(tǒng)稱為數(shù)字處理器延遲。

3.2 電流環(huán)相位補償控制延遲原理

根據(jù)以上分析本文提出通過對電流環(huán)輸出補償時間相位的方法，可以補償控制系統(tǒng)的時間延遲。以簡單實例說明本補償方法，即電壓與電流在檢測過程中硬件與軟件濾波器使得電壓與電流分別發(fā)生不同程度的相位延遲，因而在實際設計中需要對負載電流環(huán)和SVG接入電網(wǎng)進行電流相角補償。

簡單計算電壓與電流相位延遲的方法:確定某時刻電源電壓過零點在示波器時間軸零點處，此時相位為θ；分別測得負載電流與SVG接入電網(wǎng)電流在一階RC低通濾波器和二階軟件濾波器輸出檢測信號的相位為θ＋β和θ＋α，從而坐標變換中對負載電流補償β相位，對SVG接入電網(wǎng)電流補償α相位，將式 (5)補償β相位后變?yōu)槭?(7):

式中:——瞬時電流經(jīng)過相位補償后的α／β坐標系分量，A；

Ⅰlm——負載電流峰值，A；

β——電流環(huán)補償相位角度，(°)；

補償相位后的負載電流信號的坐標變換等效于將檢測到的矢量補償β相位變?yōu)?，補償控制系統(tǒng)時間延遲后坐標變換物理相量圖如圖8所示。

圖8 補償控制系統(tǒng)時間延遲后坐標變換物理相量圖

4 試驗驗證

為驗證上述觀點，設計了一款煤礦井下隔爆型三電平SVG樣機，主電路由12個IGBT構(gòu)成三電平二極管箝位式逆變電路，IGBT型號是F3L300R12ME4 ＿B22、F3L300R12ME4＿B23；選擇三相感量0.45mH的鐵芯電感作為交流側(cè)濾波電感；SHP-900-1000-FC薄膜電容作為直流側(cè)電容。三電平SVG接入電網(wǎng)端口電壓與電流波形如圖9所示。

由圖9(a)可見，SVG三相輸出線電壓經(jīng)濾波前波形，線電壓呈五電平，符合三電平SVG輸出電壓特性；由圖9(b)可見，經(jīng)過無功補償后電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可見諧波情況也較為理想，總諧波失真僅為0.5%。

圖9 三電平SVG接入電網(wǎng)端口電壓與電流諧波含量

負載電流與SVG發(fā)出的電流幅值與頻率基本相同，因而采用相同的濾波器。按照圖8中參數(shù)所設計硬件濾波，測得造成電流環(huán)延遲角度為12°；軟件二階低通濾波器采用巴特沃斯二階低通濾波器，截止頻率100Hz，將濾波后信號通過DA輸出測得軟件濾波器造成電流環(huán)延遲角度為39°，電流環(huán)坐標變換前補償51°相位延遲。

三電平SVG補償無功效果比較圖如圖10所示。圖10(a)為未補償無功與延遲時電網(wǎng)側(cè)電壓電流相位圖，可見電流滯后于電壓約50°；圖10(b)為經(jīng)過補償無功與電流相位延遲后電網(wǎng)側(cè)電壓電流相位圖，可見經(jīng)過補償之后電壓和電流幾乎同相位，較為理想地達到了無功補償?shù)哪康摹?/p>

5 結(jié)論

在分析了電網(wǎng)無功對煤礦生產(chǎn)造成的潛在危害后，根據(jù)煤礦不同于普通應用場合電壓等級的特點以及煤礦井下特殊的生產(chǎn)環(huán)境，采用基于二極管箝位型三電平靜止無功補償器補償無功方案，基于瞬時無功功率理論的雙閉環(huán)控制和簡化的三電平SVPWM調(diào)制策略，實現(xiàn)了動態(tài)、實時和按需補償網(wǎng)側(cè)無功的目標。提出了在實際信號采用處理過程中濾波環(huán)節(jié)造成的電壓和電流信號延遲的問題，通過補償電流環(huán)的相位延遲，使得無功補償器的無功補償效果更好。最后，通過井下隔爆型三電平靜止無功補償器樣機的試驗結(jié)果驗證了所提出問題和解決方法的正確性和有效性。

圖10 三電平SVG補償無功效果比較圖

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