6 kV大功率靜止無功發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張貞艷，仲偉松（宿遷學(xué)院，江蘇宿遷　223800）

?

6 kV大功率靜止無功發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張貞艷，仲偉松
（宿遷學(xué)院，江蘇宿遷223800）

摘要：提出了應(yīng)用于地面6 kV變電站的靜止無功發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。該裝置采用級(jí)聯(lián)H橋式主電路拓?fù)?，可直接通過連接電抗器并入電網(wǎng)；采用單極倍頻載波相移正弦脈寬調(diào)制策略，能有效提高輸出電壓的波形質(zhì)量；采用基于改進(jìn)的比例諧振控制器的補(bǔ)償電流控制策略和直流側(cè)電壓分級(jí)控制策略，能快速、準(zhǔn)確地對無功電流進(jìn)行補(bǔ)償。最后通過建模仿真驗(yàn)證了靜止無功發(fā)生器設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器；級(jí)聯(lián)H橋；載波相移正弦脈寬調(diào)制；比例諧振控制器

Project SuPPorted bY the Industria1 Science and Techno1ogY SuPPort Project of Suqian（Z201428）；the Natura1 Science Foundation of Jiangsu Province（BK20140586）；the UniversitY Brand Professiona1 Construction Project of Jiangsu Province（PPZY2015C252）；the Scientific Research Fund Project of Suqian Co11ege（2013KY39）.

KEY W0RDS：SVG；cascade H-bridge；CPS-SPWM；PR contro11er

隨著工業(yè)機(jī)械化程度提高，各種大功率機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用也大幅增加。這些設(shè)備大多在消耗有功功率的同時(shí)，也向電網(wǎng)注入大量的無功電流，導(dǎo)致了供電質(zhì)量的下降。從提高供電質(zhì)量、節(jié)約能源、促進(jìn)安全生產(chǎn)等因素考慮，必須進(jìn)行無功補(bǔ)償。SVG作為FACTS的重要無功補(bǔ)償設(shè)備，代表了現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的最新發(fā)展方向，能夠動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率。目前投運(yùn)的高壓靜止無功發(fā)生器多采用級(jí)聯(lián)H橋式逆變器拓?fù)?，逆變器輸出電壓等?jí)較高，能夠省去傳統(tǒng)的多重化變壓器，可通過連接電抗器并入電網(wǎng)。該裝置具有占地面積小，結(jié)構(gòu)模塊化，可靠性強(qiáng)，補(bǔ)償效果好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。

本文針對應(yīng)用于地面6 kV變電站的大功率SVG進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　主電路拓?fù)浜蛿?shù)學(xué)模型

本文所設(shè)計(jì)的SVG采用級(jí)聯(lián)H橋式逆變器拓?fù)洌鐖D1所示。

圖1中逆變器Y型連接，每相級(jí)聯(lián)N個(gè)H橋單元，且每個(gè)H橋單元均采用彼此獨(dú)立、沒有直接電連接的直流電容。usa、usb、usc為三相電網(wǎng)；uca、ucb、ucc為SVG輸出的三相電壓；ia、ib、ic為三相補(bǔ)償電流，參考方向取由電網(wǎng)流入SVG；L、R分別為電網(wǎng)和SVG之間的交流連接電感、等效電阻。

對圖1應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可得基于級(jí)聯(lián)H橋的SVG在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

圖1　基于級(jí)聯(lián)H橋的SVG拓?fù)銯ig. 1 Topology of SVG based on cascade H-bridge

以A相為例，由式（1）可得SVG的A相方框圖見圖2。

圖2　SVG的A相方框圖Fig. 2 Phase-A diagram of SVG

2　調(diào)制方式

在大功率變流器應(yīng)用領(lǐng)域，開關(guān)器件所允許的開關(guān)頻率很低，而在傳統(tǒng)的調(diào)制方式下，好的輸出電壓波形質(zhì)量一般要求高的開關(guān)頻率［3］。為解決這一矛盾，文獻(xiàn)［3-4］分別選擇載波相移CPS-SPWM、載波層疊調(diào)制技術(shù)作為鏈?zhǔn)絊TATCOM的調(diào)制方式；本文采用單極倍頻CPS-SPWM作為級(jí)聯(lián)H橋式SVG的調(diào)制策略。

其基本思想是：對每相級(jí)聯(lián)的N個(gè)H橋單元均進(jìn)行單級(jí)倍頻SPWM調(diào)制；級(jí)聯(lián)的N個(gè)H橋單元采用同一列調(diào)制波，但采用的三角載波相位依次錯(cuò)開三角載波周期一半的1/N；將N個(gè)H橋單元的輸出疊加，便得多電平輸出。

采用該種調(diào)制方式，級(jí)聯(lián)H橋式逆變器輸出電壓的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）相電壓電平數(shù)可達(dá)到（2N+1），更接近正弦波，波形質(zhì)量更好；2）相電壓的基波分量是單個(gè)H橋單元輸出電壓基波成分的N倍，基波無損失；3）次數(shù)最低的諧波出現(xiàn)在2Nkc次及其邊頻附近（kc頻率調(diào)制比）。第3點(diǎn)相當(dāng)于將功率器件的等效開關(guān)頻率提高了2N倍，從而有效提高了輸出電壓波形質(zhì)量。

3　級(jí)聯(lián)H橋式SVG的控制策略

3.1基于改進(jìn)PR控制器的補(bǔ)償電流控制

文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［5］均通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，先把交流量變?yōu)橹绷髁?，再在dq坐標(biāo)系下采用PI控制器和前饋解耦實(shí)現(xiàn)對有功電流和無功電流的分別控制；為了避免繁瑣的坐標(biāo)變換和前饋解耦控制，本文提出直接在三相靜止坐標(biāo)系下，采用PR控制器實(shí)現(xiàn)對交流形式的補(bǔ)償電流指令信號(hào)的跟蹤控制，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)原理圖Fig. 3 The principle diagram of the system

理想的PR控制器和改進(jìn)的PR控制器的傳遞函數(shù)分別為：

式中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；ωs為諧振頻率；ωc為截止頻率。

由式（2）知，理想的PR控制器，在諧振頻率處的增益為無窮大。因而能從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)對交流指令信號(hào)的無靜差跟蹤。由式（3）知，改進(jìn)的PR控制器在諧振頻率處的幅值增益是（KP+KI），雖不是無窮增益，但只要保證這一增益足夠大，同樣能執(zhí)行出零穩(wěn)態(tài)誤差；更重要的是，和理想的PR控制器相比，改進(jìn)的PR控制器可以通過增大ωc使帶寬變得更寬，從而有效地增強(qiáng)SVG對公共電網(wǎng)供電頻率波動(dòng)的適應(yīng)性。為此本文采用改進(jìn)的PR控制器實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償電流指令信號(hào)的跟蹤控制。

SVG電流環(huán)的PR控制框圖如圖4所示。

圖4　電流環(huán)的PR控制框圖Fig. 4 Diagram of current loop based on PR controller

圖4中：ωs為基波角頻率；為補(bǔ)償電流指令信號(hào)，取自無功電流檢測環(huán)節(jié)；icomP為SVG實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流；為指令電流與實(shí)際補(bǔ)償電流的偏差為采用PR控制策略獲取的參考電壓，采用單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制方式來獲取級(jí)聯(lián)H橋式主電路功率器件的控制信號(hào)。

結(jié)合圖2，加入改進(jìn)的PR控制器后，SVG電流環(huán)A軸控制框圖如圖5所示。

圖5　基于改進(jìn)PR控制器的電流環(huán)控制框圖Fig. 5 The control diagram of the current loop based on improved PR controller

由圖5可得：

為使補(bǔ)償電流Ia（s）無差地跟蹤指令電流分析式（4），只要保證：GPR（s）GPWM（s）G0（s）在諧振頻率處的增益遠(yuǎn)大于1（足夠大）即可。此時(shí)。因GPWM（s）和G0（s）均決定于電路參數(shù)，無法改變，只有靠調(diào)節(jié)改進(jìn)的比例諧振控制器GPR（s）的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)諧振頻率處增益足夠大。

KPWM為CPS-SPWM環(huán)節(jié)等效增益，為調(diào)制出與等效的電壓Uc（as），可取1；TPWM為信號(hào)采樣和CPS-SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)造成的等效延時(shí)，工程設(shè)計(jì)中常取采樣周期Ts的1.5倍。

文獻(xiàn)［6］將PR控制器應(yīng)用于太陽能逆變器，并探討了各參數(shù)的整定方法；文獻(xiàn)［7］將改進(jìn)的PR控制器應(yīng)用于四橋臂APF中，較好地實(shí)現(xiàn)對了對基波電流和指定次諧波電流的無差跟蹤，且總結(jié)出了KI、ωc、KP對PR控制器頻率特性的影響：KI影響諧振點(diǎn)處的增益；ωc影響PR控制器的帶寬；KP既影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能又影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。本文正是根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)改進(jìn)的PR控制器的KP、ωc、KI3個(gè)參數(shù)的。

3.2直流側(cè)電壓分級(jí)控制

在實(shí)際工作中，逆變器各H橋單元的直流側(cè)電容電壓是波動(dòng)的。為使SVG發(fā)揮良好的補(bǔ)償作用，必須對直流側(cè)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

文獻(xiàn)［8］分析了造成直流側(cè)電容電壓不平衡的因素，歸納了幾種常見的控制策略，這里不再贅述。本文從保證逆變器總儲(chǔ)能恒定且能夠均勻分配到各H橋單元之中的角度出發(fā)，采用兩級(jí)直流穩(wěn)壓控制策略來實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的平衡控制。

第一級(jí)：直流母線電壓控制；使各相所有H橋單元電容電壓的平均值等于參考值，以保證逆變器的總儲(chǔ)能恒定。

該環(huán)節(jié)控制框圖如圖6所示，這里參考文獻(xiàn)［9］中兩電平直流側(cè)電壓的控制思想，將基波有功分量看成擾動(dòng)量。

圖6　直流母線電壓的控制框圖Fig. 6 Control diagram of DC-link voltage

圖6中iP為來自電流檢測環(huán)節(jié)的基波有功分量；GDC（s）為級(jí)聯(lián)H橋式SVG所有H橋單元的平均電壓與疊加的基波有功分量之間的傳遞函數(shù)。

直流側(cè)電壓雖是波動(dòng)的，但仍是直流量，因此選傳統(tǒng)的PI控制器進(jìn)行控制，可根據(jù)工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。

第二級(jí)：H橋單元電壓控制；使每個(gè)H橋單元的電容電壓等于各相所有H橋單元電容電壓的平均值，以保證逆變器的各個(gè)H橋單元儲(chǔ)能恒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各H橋單元電容電壓的恒定。

該環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方法是：用H橋單元的給定電壓與H橋單元的實(shí)際電壓進(jìn)行比較，其差值再乘以H橋單元的電流方向（取流入電網(wǎng)側(cè)為正方向），所得結(jié)果作為小信號(hào)加在該H橋單元的調(diào)制波上，通過使調(diào)制波上移或者下移來增加或減小功率器件的導(dǎo)通時(shí)間（即控制各電容充、放電時(shí)間），實(shí)現(xiàn)H橋單元能量的均衡控制，也即實(shí)現(xiàn)H橋單元電容電壓的平衡控制。

圖7給出了H橋單元電壓控制框圖。

圖7中：io為H橋單元電流；ux為對應(yīng)的調(diào)制波；Vdcx為 H橋單元的實(shí)際電容電壓；為H橋單元電容電壓給定值；GDCX（s）為該H橋單元實(shí)際電容電壓與疊加的電壓分量間的傳遞函數(shù)。

圖7　H橋單元電壓控制框圖Fig. 7 Control diagram of H-bridge voltage

為保證該環(huán)節(jié)具有最快的響應(yīng)速度，以便當(dāng)直流電壓發(fā)生變化時(shí)，能在最短時(shí)間內(nèi)對各H橋單元做出調(diào)節(jié)，本文選擇P控制器。這樣也有利于系統(tǒng)簡化。

4　仿真分析

在Mat1ab中搭建了級(jí)聯(lián)H橋式SVG的仿真模型。模型中每相級(jí)聯(lián)H橋單元數(shù)N為6，三相電網(wǎng)線電壓有效值6 kV，交流側(cè)電感6 mH（含等效電阻0.15 Ω），系統(tǒng)頻率50 Hz，載波頻率1 000 Hz，調(diào)制度M設(shè)置為0.95，采用三相對稱阻感性負(fù)載（每相電阻20 Ω、電感32 mH），在0.1 s時(shí)再并入同樣大小的負(fù)載；采用ip-iq法檢測電網(wǎng)中的無功電流。

運(yùn)行仿真，得級(jí)聯(lián)H橋式逆變器A相輸出電壓波形及其頻譜如圖8、圖9所示。

圖8　逆變器A相輸出電壓Fig. 8 Phase-A voltage of the inverter

圖9　逆變器A相電壓頻譜Fig. 9 Phase-A voltage spectra of the inverter

由圖8可知，逆變器A相輸出電壓包含13個(gè)電平，驗(yàn)證了采用單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制策略，輸出電壓電平數(shù)最高可達(dá)（2N+1）個(gè)；由圖9可知，基波電壓幅值為3 291 V，THD=10.51%，且最低次諧波群出現(xiàn)在240次及其邊頻附近，驗(yàn)證了級(jí)聯(lián)后相電壓基波無損失，且最低次諧波群出現(xiàn)在2Nkc次及其邊頻附近；換言之，采用單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制策略，功率器件的等效開關(guān)頻率提高了2N倍，在較低的器件開關(guān)頻率下獲得了較高的等效開關(guān)頻率，從而有效提高了輸出電壓波形質(zhì)量。

SVG投入之前，電網(wǎng)A相電壓及其電流如圖10所示。

圖10　補(bǔ)償前電網(wǎng)A相電壓及電流Fig. 10 Source voltage and current of phase-A before compensation

由圖10不難發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償前A相電網(wǎng)電壓與電流不同步，電壓超前電流一定的角度，這說明電網(wǎng)向阻感性負(fù)載提供有功功率的同時(shí)還提供一定的無功功率；在0.1 s再并入同樣大小的負(fù)載后，A相電流明顯增大，電網(wǎng)要提供更多的無功功率以滿足新并入的負(fù)載的需求。

SVG投入之后，補(bǔ)償電流指令信號(hào)及補(bǔ)償電流波形如圖11所示，補(bǔ)償后電網(wǎng)A相電壓及電流波形如圖12所示。

圖11　補(bǔ)償后補(bǔ)償電流指令信號(hào)及補(bǔ)償電流Fig. 11 The reference signal of compensation current and compensation current

圖12　補(bǔ)償后電網(wǎng)A相電壓及電流Fig. 12 Source voltage and current of phase-A after compensation

圖11中的補(bǔ)償電流指令信號(hào)來自無功電流檢測環(huán)節(jié)，補(bǔ)償電流即為SVG的實(shí)際輸出電流?？梢?，當(dāng)SVG穩(wěn)定運(yùn)行之后，二者基本重合，改進(jìn)的PR控制器實(shí)現(xiàn)了對交流指令信號(hào)的無差跟蹤。

由圖12不難發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償后的A相電壓與電流已經(jīng)同步，電網(wǎng)的功率因數(shù)達(dá)到1；從動(dòng)態(tài)性能來看，0.1 s并入另一阻感性負(fù)載后，SVG大約經(jīng)歷了0.04 s，即2個(gè)電源周期進(jìn)入了新的穩(wěn)定補(bǔ)償狀態(tài)；總體來講SVG較快地實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償效果良好。

5　結(jié)論

對應(yīng)用于地面6 kV變電站的級(jí)聯(lián)H橋式SVG進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先介紹了單級(jí)倍頻CPS-SPWM調(diào)制策略；接著提出直接在三相靜止坐標(biāo)系下采用改進(jìn)的PR控制器實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償電流指令信號(hào)的無差跟蹤，避免了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和前饋解耦控制；針對H橋單元電壓波動(dòng)，采用直流側(cè)電壓分級(jí)控制方案去穩(wěn)定直流側(cè)電壓；最后通過建模仿真驗(yàn)證了SVG設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。

參考文獻(xiàn)

［1］YOSHII T，INOUE S，AKAGI H. Contro1 and Performance of a medium-vo1tage transformer1ess cascade PWM STATCOM with star-configuration［C］// 1ndustrY APP1ications Conference Annua1 Meeting. TamPa，F(xiàn)L：IEEE，2006：1716-1723.

［2］耿俊成，劉文華，俞旭峰，等.鏈?zhǔn)絊TATCOM的數(shù)學(xué)模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（6）：66-70. GENG Juncheng，LIU Wenhua，YU Xufeng，et a1. Mode1ing of cascade STATCOM［J］. Proceedings of the CSEE，2003，23（6）：66-70（in Chinese）.

［3］史麗萍，常偉，時(shí)培磊，等.礦用6 kV大功率靜止同步補(bǔ)償器的研究［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（11）：76-79. SHI LiPing，CHANG Wei，SHI Pei1ei，et a1. Research of mine 6 kV high-Power static sYnchronous comPensator［J］. Coa1 Mine MachinerY，2011，32（11）：76-79（in Chinese）.

［4］李銀，羅朋，馮學(xué)俊，等.載波層疊調(diào)制技術(shù)在6 kV級(jí)聯(lián)STATCOM中的應(yīng)用［J］.電力電容器與無功補(bǔ)償，2014，35（6）：1-4. LI Yin，LUO Peng，F(xiàn)ENG Xuejun，et a1. APP1ication of carrier 1amination modu1ation techno1ogY in 6 kV cascade STATCOM［J］. Power CaPacitor & Reactive Power Com-Pensation，2014，35（6）：1-4（in Chinese）.

［5］何蘭萍.基于級(jí)聯(lián)H橋的無功發(fā)生器的研究［D］.合肥：安徽理工大學(xué)，2011.

［6］亞辛.比例諧振控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（6）：39-41. YA Xin. The Parameters design of ProPortiona1-resonant contro11ers and its aPP1ication［J］. MicrocomPuter Information，2012，28（6）：39-41（in Chinese）.

［7］周娟.四橋臂有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［8］臧春艷，裴振江，何俊佳，等.鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓控制策略研究［J］.高壓電器，2010，46（1）：17-21. ZANG ChunYan，PEI Zhenjiang，HE Junjia，et a1. Research on DC-1ink caPacitor vo1tage contro1 strategies of the cascaded STATCOM［J］. High Vo1tage APParatus，2010，46（1）：17-21（in Chinese）.

［9］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of the 6 kV High-Power Static Var Generator

ZHANG ZhenYan，ZHONG Weisong
（Suqian Co11ege，Suqian 223800，Jiangsu，China）

ABSTRACT：This PaPer Presents the design scheme of SVG used in the 6 kV substation. The comPensator adoPts the cascade H-bridge main circuit toPo1ogY which can be direct1Y connected to the Power grid bY connecting the reactor. Using CPS-SPWM modu1ation，the comPensator can effective1Y imP-rove the qua1itY of the outPut vo1tage waveform；Using comPensation current contro1 strategY based on the imProved ProPortiona1 resonant contro11er and DC side vo1tage hierarchica1 contro1 strategY，the comPensator can quick1Y and accurate1Y comPensate for reactive Power. Mode1ing and simu1ation resu1ts demonstrate the va1iditY and feasibi1itY of the design of SVG.

文章編號(hào)：1674-3814（2016）04-0012-05中圖分類號(hào)：TM761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：宿遷市工業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（Z201428）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140586）；江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（PPZY2015C252）；宿遷學(xué)院科研基金項(xiàng)目（2013KY39）。

收稿日期：2015-06-24。

作者簡介：

張貞艷（1983—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榭刂评碚?、電能質(zhì)量控制。

（編輯馮露）