靜止無功發(fā)生器的簡單控制方法

王 維 軍

(中鐵建設(shè)集團有限公司, 北京　100131)

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靜止無功發(fā)生器的簡單控制方法

王 維 軍

(中鐵建設(shè)集團有限公司, 北京100131)

摘要：針對靜止無功發(fā)生器提出了一種簡單的控制方法。利用d-q變換將三相交流系統(tǒng)變換到旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系,利用PI調(diào)節(jié)器控制靜止無功發(fā)生器的補償電流,使其跟蹤參考電流?？刂品椒o需對控制系統(tǒng)解耦,控制簡單,只需要d-q變換模塊和低通濾波器。控制策略魯棒性高,對系統(tǒng)電壓波動有較高的抑制能力。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性和控制系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器; 無功功率; 有功功率; d-q變換

0引言

靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)可有效補償負載中的無功功率,同時對負載中的諧波也有一定的治理效果。SVG通過控制電壓源型逆變器的輸出電壓以調(diào)節(jié)流過接入電感的電流,使其跟蹤非線性負載中的無功電流,保證系統(tǒng)電流中只含有基波有功電流。SVG補償性能取決于所采取的控制方法。根據(jù)SVG指令電流生成的不同,可將控制方法分為檢測負載電流和檢測電源電流兩種。SVG輸出補償?shù)臒o功電流控制常采用的方法有滯環(huán)比較、三角載波調(diào)制和無差拍電流控制,但由于控制系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致設(shè)備運行穩(wěn)定性降低,設(shè)備對控制系統(tǒng)的硬件依賴性強。

本文基于三相三線制供電系統(tǒng)的SVG提出一種簡單控制方法,與傳統(tǒng)的控制方法相比,只需一個d-q變換模塊,便可生成控制信號。

1控制系統(tǒng)

1.1SVG工作原理

主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中,isa、isb、isc分別為A、B、C相電網(wǎng)電流;ila、ilb、ilc分別為A、B、C相非線性負載電流,負載電流中包含基波有功電流、諧波電流和無功電流。電壓源型逆變器通過連接電抗Lf并聯(lián)方式接入電網(wǎng)。ifa、ifb、ifc分別為SVG的A、B、C相的輸出電流。采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?可使補償電流等于非線性負載中的無功電流。由于負載電流和SVG的電流匯總到電網(wǎng)中,如果SVG輸出的無功電流與負載中的無功電流大小相等、方向相反,則可保證系統(tǒng)電流中只含有基波有功電流,這就是有源型補償原理。SVG直流側(cè)以電容作為儲能元件來維持直流電壓恒定。電容容量并不決定設(shè)備的無功補償容量,電容在電路中只起直流電壓支撐的作用。理想情況下直流電容很小,但為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運行需適當(dāng)?shù)剡x取直流電容值。由圖1可得

圖1　主電路結(jié)構(gòu)圖

(1)

式中:UaM、UbM、UcM——A、B、C相的輸出電壓;

ea、eb、ec——A、B、C相系統(tǒng)的接入電壓。

假設(shè)三相系統(tǒng)對稱和基爾霍夫定律,就可以得到ea+eb+ec=0,ifa+ifb+ifc=0。

由式(1)可以得到

UNM=(UaM+UbM+UcM)/3

(2)

通過變換矩陣T2/3和Tdq,可以將三相系統(tǒng)中的變量變換到正交的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。T2/3可以將三相系統(tǒng)變換到正交的靜止坐標(biāo)系,Tdq可以將靜止的坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系:

(3)

(4)

式中: ω——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)電角。

本文選擇工頻,即ω=100π。三相電路中的變量通過變換矩陣T2/3和Tdq,存在變換關(guān)系式:

(5)

式中:[xaxbxc]′——A、B、C坐標(biāo)系下的變量;

[xdxq]′——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變量。

式(5)可以將式(1)變換到d-q坐標(biāo)系,則式(1)可以表示為

(6)

式中: ifd、ifq——d-q坐標(biāo)系下SVG輸出電流;

ed、eq——d-q坐標(biāo)系下的系統(tǒng)電壓;

Ud、Uq——d-q坐標(biāo)的逆變器輸出電壓。

負載電流變換到d-q坐標(biāo)中,可以表示為

(7)

(8)

ild′、ilq′——負載電流在d、q軸的交流成分,為負載電流中的諧波電流成分。

1.2輸出電流控制

SVG控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的參考電流對電壓源型逆變器進行PWM控制,使其產(chǎn)生的補償電流跟蹤其參考值。由式(6)可知,ifd和ifq之間存在耦合關(guān)系,且與系統(tǒng)電壓有關(guān)。傳統(tǒng)的控制方法先將其解耦,然后分別設(shè)計其控制系統(tǒng),可達到較好的控制效果,但使控制系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致控制系統(tǒng)魯棒性降低。

為了設(shè)計方便,并使控制系統(tǒng)簡化,將d-q軸之間的耦合關(guān)系和系統(tǒng)電壓視為系統(tǒng)前向通道的擾動。由式(6)可知,其被控制對象為一階系統(tǒng),利用PI控制器就可以得到較好的動態(tài)性能和零穩(wěn)態(tài)誤差。將式(6)變換到頻域,并考慮到PI控制器,電流控制環(huán)如圖2所示。

圖2　電流控制環(huán)

圖2中,將SVG實際輸出電流反饋并與參考值進行比較,將其差值輸入給PI調(diào)節(jié)器,PI調(diào)節(jié)器的輸出為控制信號,在此信號控制下的輸出電壓為Ud.q。KSVG為SVG傳遞函數(shù),描述的是電壓源型逆變器調(diào)制信號與實際輸出電壓之間的關(guān)系,如果忽略開關(guān)頻率附近的高頻諧波,并將控制信號進行標(biāo)幺化,則KSVG=Udc,其中Udc為實際的直流電壓值。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中,Udc可以用直流電壓的目標(biāo)值代替。GPI(s)為PI調(diào)節(jié)器在頻域的傳遞函數(shù),可表示為

(9)

式中:kp、ki——PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分系數(shù)。

kp、ki決定了電流閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了使SVG正常工作,其直流電壓要高于其電源電壓的峰值。KSVG較大,可以近似忽略其前向通道上的擾動,得到其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(10)

k′=kpKSVG/Lf

k″=kiKSVG/Lf

通過式(8),可以對電流控制環(huán)進行簡單設(shè)計,使其滿足控制要求。

1.3直流電壓調(diào)節(jié)

為了保證SVG正常工作,必須控制其直流側(cè)電壓為恒值。本文采用傳統(tǒng)的控制方法直流電壓調(diào)節(jié),即將直流電壓與其參考值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的輸出加到有功參考電流中。由于SVG直流側(cè)利用大電容平衡其直流電壓,要求的動態(tài)響應(yīng)速度比電流控制環(huán)慢,因此在電流控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計電壓環(huán)較容易。

2控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)如圖3所示。

由電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)可以組成SVG的控制系統(tǒng)。首先,為了得到非線性負載在d、q軸的參考電流,需要將負載電流變換到d-q坐標(biāo)系中,將d軸電流經(jīng)過高通濾波器后得到SVG輸出電流的參考值ild′。對于非線性負載的q軸電流,存在兩種情況:

(1) 當(dāng)諧波和無功同時補償時,變換后的電流ilq反極性后就是q軸參考電流。

圖3　控制系統(tǒng)

得到參考電流后,與實際輸出電流比較,將其偏差值輸入給電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。為了平衡SVG直流電壓,將直流電壓偏差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后加到d軸電流。電流環(huán)要求的動態(tài)響應(yīng)速度較快,而動態(tài)響應(yīng)速度較慢。為了增強控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,減少直流電壓波動對補償電流的影響,所以其電壓環(huán)的PI輸出加入點最好放到電流PI控制之后,參見圖3(a)。

圖3(a)中,Tabc/dq為a、b、c坐標(biāo)系到d-q坐標(biāo)系的變換矩陣,其值為TdqT2/3。由于SVG輸出電流ifd中只含有交流成分,因此可以將輸出電流if與負載電流比較后再經(jīng)過d-q變換,就減少了一個變換模塊,使控制系統(tǒng)更簡單,參見圖3(b)。

3仿真結(jié)果

采用MATLAB仿真軟件,對控制系統(tǒng)進行仿真。電流、電壓波形如圖4所示。圖4中,is為補償后的系統(tǒng)電流,if為補償電流。

當(dāng)系統(tǒng)存在15%的3次諧波時,電壓、電流波形如圖5所示。由圖5可以看出,系統(tǒng)電流仍可得到較好的補償效果。

圖4　電流、電壓波形

圖5　當(dāng)系統(tǒng)存在15%的3次諧波時,

4工程應(yīng)用

對安裝在某選煤廠配電室6/0.4 kV、2 000 kVA變壓器低壓側(cè)的SVG(補償容量為500 kvar)進行實際掛網(wǎng)運行測試,測試儀器為HIOKI 3196電能質(zhì)量分析儀。系統(tǒng)電壓、電流測試波形如圖6所示。諧波電壓如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)電壓、電流測試波形

圖7　諧波電壓

6結(jié)語

提出了一種簡單的靜止無功發(fā)生器控制方法。該電流控制方法在旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系中利用PI調(diào)節(jié)器分別控制其有功電流和無功電流,無需解耦,控制系統(tǒng)簡單,對系統(tǒng)電壓波動有較好的抑制效果。仿真結(jié)果證明了控制系統(tǒng)的有效性。該控制系統(tǒng)簡單,魯棒性高,無需確切的系統(tǒng)參數(shù),有較高的實用價值。

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Simple Control Method for of Static Var GeneratorWANGWeijun

(China Railway Construction Group Co., Ltd., Beijing 100131, China)

Abstract：This paper presented a simple control method based on voltage source static var generator(SVG).By the d-q transformation,the 3-phase AC system was transformed into a rotating orthogonal coordinates,in which the PI controller was used to adjust the injected reactive power currents by SVG to the reference reactive power current.This control method is simple that no decoupled control method is employed,and only one d-q transforming module and one low-pass filter are employed.The control method performs a strong robustness,and highly eliminating ability to the system voltage perturbation.The simulation results confirm the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the control system.

Key words:static var generator(SVG); active power; reactive power; d-q transformation

收稿日期：2015-02-30

中圖分類號：TM 743

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2015)06-0046-06