靜止無功發(fā)生器啟動沖擊電流的抑制

艾永樂，王 偉

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靜止無功發(fā)生器啟動沖擊電流的抑制

艾永樂，王 偉

(電氣工程與自動化學(xué)院(河南理工大學(xué))，河南 焦作 454003)

靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator ，SVG)多采用雙閉環(huán)PI控制。這種控制方式下，SVG啟動瞬間會產(chǎn)生過大的沖擊電流。分析了沖擊電流產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)控制相結(jié)合的方法，以降低沖擊電流。通過Matlab/Simulink仿真對此方法進(jìn)行仿真研究。最后，通過研制的SVG實驗平臺，對設(shè)計的方法進(jìn)行實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制啟動沖擊電流，SVG裝置能夠精確地補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的無功功率。

啟動；沖擊電流；直流電壓；電容能量；靜止無功發(fā)生器(SVG)

0 引言

隨著大功率感性負(fù)荷的大幅增加， 感性無功也隨之大幅增加，就需要利用無功補(bǔ)償裝置來平衡電網(wǎng)中的感性無功[1]。無功補(bǔ)償裝置對系統(tǒng)中的感性負(fù)荷進(jìn)行就地補(bǔ)償，能夠有效地減少電網(wǎng)向感性負(fù)荷傳輸?shù)臒o功功率，進(jìn)而提高電網(wǎng)的供電效益和改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在無功補(bǔ)償裝置中，SVG憑借其體積小，動態(tài)響應(yīng)快，以及從感性到容性無功的寬范圍連續(xù)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點，已經(jīng)在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償中得到了廣泛的認(rèn)可[2-3]。

為了實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)目焖俑櫣δ?，SVG多采用電壓、電流雙閉環(huán)PI控制。但是在啟動瞬間，SVG的交流側(cè)易產(chǎn)生較大的沖擊電流。較大的沖擊電流增加了功率器件的選型裕度，從而增加了設(shè)備的成本。另外，過大的沖擊電流會引起設(shè)備的過流保護(hù)動作，導(dǎo)致設(shè)備不能正常啟動。

針對啟動沖擊電流過大問題，文獻(xiàn)[4]中比較了三種電壓外環(huán)軟啟動控制方法，即直流側(cè)給定電壓逐步升高法、恒定電流充電法、變PI參數(shù)調(diào)節(jié)法。這三種軟啟動方法雖然在一定程度上能降低沖擊電流，減小直流電壓超調(diào)，但是，直流側(cè)給定電壓逐步升高法還是存在的沖擊問題；恒定電流充電法[5]存在二次沖擊的問題；變PI參數(shù)調(diào)節(jié)法[6]存在參數(shù)檢測困難與PI參數(shù)難整定的問題。因此，為了進(jìn)一步抑制SVG啟動沖擊電流，改善SVG裝置的整體性能，本文設(shè)計了一種改進(jìn)型的外環(huán)控制方法，即直流側(cè)給定電壓逐步升高和電容能量外環(huán)控制相結(jié)合的方法。

1 SVG數(shù)學(xué)模型和控制方法

1.1?數(shù)學(xué)模型

圖1靜止無功發(fā)生器主電路拓?fù)?/p>

通過坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[8-9]：

1.2 控制方法

SVG的控制框圖如圖2所示，由圖可知SVG采用的是基于PI控制器雙閉環(huán)控制方法。其中，電壓外環(huán)主要用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)主要用于跟蹤指令電流[10-11]。當(dāng)感性負(fù)載運行時，SVG通過電流互感器對負(fù)載電流進(jìn)行檢測，將所測的負(fù)載電流進(jìn)行變換，分離出無功電流分量，并以此分量作為無功電流環(huán)的指令電流信號，控制三相橋式電路發(fā)出無功電流[12]。最后，SVG所發(fā)出的無功電流與感性負(fù)載所產(chǎn)生的無功電流相抵消，使得電網(wǎng)中的無功電流大大減小，電網(wǎng)的功率因數(shù)得到提高。

圖2 SVG控制框圖

2 啟動過程分析

SVG的啟動過程分為兩個階段，第一個階段是預(yù)充電階段，第二個階段是電容升壓階段。

2.1 預(yù)充電階段

在預(yù)充電階段，系統(tǒng)封鎖IGBT，利用IGBT的反并聯(lián)二極管對直流側(cè)電容進(jìn)行預(yù)充電。由于直流側(cè)電壓為零，直接對電容充電，會產(chǎn)生很大的沖擊電流。因此，在預(yù)充電過程中，需要選用大功率電阻進(jìn)行限流。待直流側(cè)電壓達(dá)到一定值后，再將電阻短路。預(yù)充電階段內(nèi)，直流側(cè)電容電壓能達(dá)到的值為

式中，為電網(wǎng)相電壓有效值。

2.2 電容升壓階段

在電容升壓階段，系統(tǒng)將IGBT解鎖，利用三相全橋和交流側(cè)電感組成的升壓電路，進(jìn)一步提升直流側(cè)電容電壓。在SVG的電容升壓過程中，通常不發(fā)無功電流，此時設(shè)置。電網(wǎng)電壓在坐標(biāo)系下的分量，，其中為相電壓的峰值。若忽略交流側(cè)等效損耗電阻，式(1)可簡化為

簡化后的電壓外環(huán)離散PI控制器和電流內(nèi)環(huán)離散PI控制器的數(shù)學(xué)模型為

由式(5)、式(7)，可得

鑒于電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓外環(huán)響應(yīng)速度，在極短的時間內(nèi)，值不變，可以認(rèn)為其為常數(shù)。解式(8)的微分方程可得

由以上分析可知，交流側(cè)產(chǎn)生過大沖擊電流的原因是：在電容升壓階段，直流側(cè)電壓設(shè)定值遠(yuǎn)大于反饋電壓值,使電壓外環(huán)PI控制器輸出飽和，進(jìn)而導(dǎo)致電流參考值達(dá)到最大幅限值，電流迅速升高。

3 啟動沖擊的抑制方法

線電壓為380 V的SVG啟動過程仿真圖如圖4所示，直流電壓從0 V分兩個階段升壓到700 V，1表示為電容預(yù)充電階段，2表示為電容升壓階段。可見，在電容升壓階段，沖擊電流達(dá)到了256 A。工程上，通常采用直流電壓逐步升高法來減小沖擊電流。為了進(jìn)一步減小沖擊電流，本文提出了直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)控制相結(jié)合的方法。

圖4SVG啟動過程仿真圖

3.1 直流側(cè)電壓逐步升高法

采用這種方法，相當(dāng)于在啟動初始時刻，給電壓環(huán)施加了一個較小的階躍信號。在直流側(cè)電壓升高的時間段內(nèi)，假設(shè)反饋電壓能夠跟蹤上，那么式(6)可以表示為

3.2 電容能量外環(huán)PI控制方法

根據(jù)瞬時有功功率平衡可得

可得直流側(cè)電容容量與有功電流的頻域關(guān)系式

由此可見，電容能量與有功電流成線性關(guān)系，因此，采用電容能量外環(huán)控制方法與電壓外環(huán)控制相比，前者更接近SVG的數(shù)學(xué)模型。

采用新的外環(huán)控制方法，其控制方程為

式(16)可以寫成

其中，

由式(17)~式(19)可知，采用電容能量外環(huán)控制，與電壓外環(huán)控制相比，其PI參數(shù)相當(dāng)于隨直流電壓的變化而變化。在啟動初期，由于直流電壓的給定值和反饋值都比較小，對應(yīng)的比例、積分系數(shù)也相對較小，可以有效地防止電流突增，從而避免過大的沖擊電流。當(dāng)啟動過程結(jié)束后，其比例、積分系數(shù)與電壓外環(huán)控制時的系數(shù)一致。

根據(jù)以上方法，重新設(shè)計SVG啟動時的外環(huán)控制框圖如圖5所示。

4 仿真和實驗驗證

4.1 仿真驗證

根據(jù)以上的分析，應(yīng)用Matlab/Simulink仿真平臺，搭建了150 kvar的靜止無功發(fā)生器仿真模型，其仿真圖模型如圖6所示。其中：交流側(cè)電網(wǎng)線電壓為380 V，頻率50 Hz，交流側(cè)電感為0.45 mH，限流電阻為1W，直流側(cè)電容為8 000mF，直流側(cè)電壓設(shè)定為700 V，開關(guān)頻率為10 kHz。

電容升壓階段，采用直流電壓逐步升高法的仿真波形和采用直流電壓逐步升高結(jié)合電容能量外環(huán)控制方法的仿真波形如圖7所示。

圖7(a)示出的是電容升壓階段的直流電壓波形圖，圖7(b)和圖7(c)示出的是電容升壓階段的A相電流波形圖。采用直流電壓逐步升高法時，直流電壓的超調(diào)為2.3%，A相瞬時電流的最大值為55.5 A；采用直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)控制相結(jié)合的方法時，直流電壓的超調(diào)為0.8%，A相瞬時電流的最大值為37.5 A。

根據(jù)仿真可以看出，直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)控制相結(jié)合的方法能夠有效地降低沖擊電流，而且直流電壓超調(diào)量極小。

圖6SVG仿真模型

圖7 直流電壓和沖擊電流的仿真波形

4.2 實驗驗證

應(yīng)用圖8所示實驗平臺對文中所提方法進(jìn)行驗證。此實驗平臺由兩臺并聯(lián)的SVG組成，其中一臺作為被補(bǔ)償對象，產(chǎn)生無功功率，由另外一臺對其進(jìn)行補(bǔ)償。

SVG的容量均為150 kvar，直流側(cè)電容選用容量為2 700mF、耐壓為450 V的電解電容，采用“六并兩串”的方式進(jìn)行連接，開關(guān)管選用英飛凌FF450R12ME4,電抗器參數(shù)為0.45 mH，限流電阻選用100W的水泥電阻。

當(dāng)?shù)谝慌_SVG運行時，控制其向電網(wǎng)輸送不同大小的容性和感性無功電流。第二臺運行后，對第一臺所產(chǎn)生的無功進(jìn)行補(bǔ)償。所測PCC處的電流和功率變化如圖9所示。

圖8SVG實驗平臺

(a) 輸出電流

(b) 無功功率

(c) 有功功率

啟動實驗時，直流側(cè)電壓和A相電流的波形如圖10所示。圖10(a)示出的是采用直流電壓逐步升高法時的直流電壓和A相電流波形，其直流電壓超調(diào)為2.1%，A相瞬時電流的最大值為12.85 A；圖10(b)示出的是采用直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)相結(jié)合方法時的直流電壓和A相電流波形，其直流電壓超調(diào)為0.9%，A相瞬時電流的最大值為5.25 A。

(a) 直流電壓逐步升高方法

(b) 直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)相結(jié)合的方法

圖10 直流電壓和A相電流的啟動波形

Fig. 10 Experimental waveforms of A phase current and DC voltage during the start-up process

根據(jù)以上仿真和實驗驗證可以得出，直流電壓逐步升高和電容能量外環(huán)相結(jié)合的方法能夠有效地抑制啟動沖擊電流，SVG設(shè)備也能夠很好的補(bǔ)償負(fù)載無功功率。

5 結(jié)論

本文主要研究了SVG啟動沖擊電流過大的問題及其抑制方法。應(yīng)用SVG的數(shù)學(xué)模型，分析了SVG裝置在雙閉環(huán)PI控制方式下，啟動沖擊電流過大的原因。在此基礎(chǔ)上，采用了直流側(cè)電壓逐步升高和電容容量外環(huán)PI控制相結(jié)合的控制方法，并通過Matlab/Simulink仿真對此方法進(jìn)行仿真研究。最后，通過研制的SVG裝置和搭建的實驗平臺進(jìn)行實驗研究。仿真和實驗結(jié)果表明，所提方法具有良好的啟動性能，SVG裝置也能精確地補(bǔ)償負(fù)載無功功率。

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(編輯 姜新麗)

Inhibition of start-up inrush current of static var generator

AI Yongle, WANG Wei

(College of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

Dual closed-loop PI control is always used for SVG. On this occasion, SVG is easy to generate inrush current during start-up period. This paper analyzes the cause of inrush current's generating. Therefore, a method that combines with the DC voltage increasing through step be step and capacitor energy outer loop control is designed to reduce magnitude of the inrush current. The simulation model of SVG is established in Matlab/Simulink to verify the proposed method. Finally, an experimental prototype of parallel SVG is developed to verify the method. The results from the simulation and experiment show that this method can effectively restrain the start-up inrush current and the SVG device can accurately compensate the reactive power generated by loads.

start-up; inrush current; DC voltage; capacitance energy; static var generator (SVG)

10.7667/PSPC151200

2015-07-12；

2015-08-11

艾永樂(1964-)，男，博士，教授，主要從事交流多相電機(jī)新穎控制策略研究和電能質(zhì)量檢測與提高；E-mail: aiyongle@hpu.edu.cn

王 偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償。

河南省控制工程重點學(xué)科開放實驗室資助項目(KG2011-06)