基于SVPWM的靜止無功發(fā)生器控制策略研究

蔣美娜，馬曉春

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

0 引 言

隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用電設(shè)備中的感性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷逐年增加，電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的無功，造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，影響用電設(shè)備的高效運(yùn)行［1-7］。靜止無功發(fā)生器SVG（Static Var Generator）作為補(bǔ)償電容器和SVC之后的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備，具有體積小，動態(tài)調(diào)節(jié)性能好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為配電網(wǎng)中理想的無功補(bǔ)償設(shè)備，但其運(yùn)行控制方式也越來越復(fù)雜，而且各有其優(yōu)缺點(diǎn)［8-11］。所以，研究一種既簡單實用，又能提高SVG無功功率補(bǔ)償效果和輸出穩(wěn)定性的控制方法，對于SVG的發(fā)展和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用［12-14］。

SVG控制部分通常由外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制兩部分組成［15-16］。外環(huán)控制又包含有功和無功控制，用于提供內(nèi)環(huán)控制所需要的有功和無功參考值。內(nèi)環(huán)控制從外環(huán)獲得參考電流，輸出值經(jīng)過帕克（PARK）反變換［17］后得到空間電壓矢量（SVPWM）調(diào)制用的正弦參考電壓。文獻(xiàn)［15］介紹了SVG的基本原理，三相靜止模型和同步旋轉(zhuǎn)dq模型的建立，并且討論了SVPWM調(diào)制技術(shù)和控制器的設(shè)計等問題，而且當(dāng)配電系統(tǒng)電氣參數(shù)變化時，控制系統(tǒng)SVG表現(xiàn)出很好的魯棒性，具有良好的動態(tài)補(bǔ)償效果，但是其外環(huán)控制僅對直流測電壓進(jìn)行控制，雖然直流電壓能維持穩(wěn)定，但是對于補(bǔ)償后系統(tǒng)的無功卻不能有效控制。

文中針對上述控制策略的不足，提出一種新的改進(jìn)式控制方法。新的控制方法采取有功和無功同時控制的雙閉環(huán)模式，既保證直流側(cè)電壓恒定又能對系統(tǒng)的無功進(jìn)行有效的控制。與其他控制策略不同的是新的控制策略有兩種工作狀態(tài)，一是恒無功狀態(tài)，另一種是恒電壓狀態(tài)，以適應(yīng)不同用戶的需求。其中，恒無功狀態(tài)時，新的控制策略直接解藕q軸電流，避免了繁瑣的PI調(diào)節(jié)。文中利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了SVG系統(tǒng)，對所提出的控制策略進(jìn)行了仿真驗證。

1 基于SVPWM的SVG結(jié)構(gòu)原理

1.1 SVG結(jié)構(gòu)原理

考慮到實用性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用于配電網(wǎng)的SVG大多采用三相電壓型PWM變流器拓?fù)?，圖1為典型的SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中Ua、Ub、Uc為電網(wǎng)電壓，L為濾波電感，R為濾波電感等效電阻，P1到P6為功率開關(guān)器件IGBT觸發(fā)脈沖，C為直流側(cè)電容，用于為逆變器提供一個穩(wěn)定的直流電壓，Udc為直流電壓，Idc為直流負(fù)載電流。

圖1 SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration schematic diagram of SVG system

SVG最基本的工作原理是在維持直流電壓Udc恒定的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)側(cè)獲得給定的功率因數(shù)。一方面，直流電壓給定值必須足夠高以確保開關(guān)管的續(xù)流二極管能夠反向截止；另一方面，整流器交流側(cè)輸出電壓的頻率必須與網(wǎng)壓保持一致，通過調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，改變網(wǎng)側(cè)有功和無功的大小。

1.2 SVPWM原理特點(diǎn)

SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。電壓開關(guān)矢量圖如圖2所示，其中 U1、U2、U3、U4、U5、U6為非零基本電壓矢量，U0、U7為零基本電壓矢量，Uout為給定電壓矢量。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個零矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個基本電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過變流器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定變流器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形。

圖2 電壓開關(guān)矢量圖Fig.2 Voltage switch vector diagram

在SVPWM調(diào)制模式下，變流器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量為圖2所示虛線正六邊形的內(nèi)切圓，其幅值為1.732Udc/3，而若采用SPWM調(diào)制，變流器輸出的不失真最大正弦相電壓幅值為Udc/2，顯然SVPWM調(diào)制法對直流電壓的利用率比SPWM調(diào)制高15.47%。

2 改進(jìn)式控制策略

由于文中SVG控制器是雙閉環(huán)的，其內(nèi)環(huán)控制使用兩個內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)有功電流和無功電流的快速追蹤，外環(huán)控制根據(jù)控制需要為內(nèi)環(huán)提供不同的電流參考信號。外環(huán)控制的有功控制模式包括定直流電壓、定有功功率；無功控制模式包括定交流電壓、定無功功率。

綜上所述，農(nóng)業(yè)推廣對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的影響十分深遠(yuǎn)，在農(nóng)業(yè)推廣過程中，有關(guān)部門應(yīng)注重提高農(nóng)業(yè)推廣人員的專業(yè)化水平，對服務(wù)資源進(jìn)行整合使應(yīng)用程序得以規(guī)范，并建立完善的農(nóng)業(yè)科技成果推廣宣傳平臺，以提高農(nóng)業(yè)推廣質(zhì)量，從而促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定的發(fā)展。

為了滿足不同用戶的需求，現(xiàn)提出一種改進(jìn)式控制策略。在保持直流側(cè)電壓恒定的情況下，通過無功控制模式的改變，該系統(tǒng)有兩種工作模式：當(dāng)無功控制模式為定無功功率時，系統(tǒng)工作在恒無功模式，即負(fù)載發(fā)生變化時，SVG能實時補(bǔ)償無功，使系統(tǒng)的無功恒定；當(dāng)無功控制模式選擇為定交流電壓時，系統(tǒng)工作在恒電壓模式，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，SVG也可以實時補(bǔ)償系統(tǒng)的無功，除此之外，還需維持網(wǎng)壓恒定。

模式選擇功能的實現(xiàn)過程如圖3所示，其中ud2_1、uq2_1為恒無功模式下內(nèi)環(huán)控制器輸出的解藕后的dq軸電壓，ud2_1、uq2_1為恒電壓模式下內(nèi)環(huán)控制器輸出的dq軸電壓。通過模式選擇功能可以選擇SVG系統(tǒng)的工作模式，使其更好的滿足用戶需求。

圖3 模式選擇Fig.3 Mode selection

這兩種模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）恒無功模式，無功補(bǔ)償性能更優(yōu)越，可以使系統(tǒng)的無功很小，幾乎為零，而且補(bǔ)償容量大，其缺點(diǎn)是網(wǎng)側(cè)電壓不穩(wěn)定，適用于補(bǔ)償容量大，效果要求高，網(wǎng)側(cè)電壓要求低的場合；

（2）恒電壓模式是在維持網(wǎng)側(cè)電壓恒定的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償系統(tǒng)無功，可以實時補(bǔ)償無功，但是其補(bǔ)償效果稍差，補(bǔ)償容量低。

3 SVG的控制器設(shè)計

文中設(shè)計的控制器采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制策略。它由內(nèi)環(huán)控制、外環(huán)控制組成雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)。圖4為SVG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖中可以看出，該系統(tǒng)有恒交流電壓和恒無功功率兩種工作模式。恒無功功率模式下的無功控制部分，并不需要外環(huán)控制為內(nèi)環(huán)提供參考電流，而是經(jīng)過簡單的計算直接解藕q軸電流，這樣比調(diào)節(jié)PI更加簡單、精確。該控制器通過將網(wǎng)壓由abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到mp坐標(biāo)系下，實現(xiàn)鎖相功能。該控制器具有線性度高、魯棒性好、解藕及動態(tài)響應(yīng)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 SVG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Configuration schematic diagram of SVG control system

3.1 外環(huán)控制設(shè)計

3.1.1 恒無功模式

（1）無功控制

恒無功模式的無功控制部分，外環(huán)控制采用簡單的計算直接解藕q軸電流，為內(nèi)環(huán)控制提供無功電流參考，從而避免了繁瑣的PI調(diào)節(jié)，使補(bǔ)償效果更加精確。由文獻(xiàn)［17］可知SVG交流側(cè)有功功率和無功功率為：

無功功率恒定，即：SVG無功功率Qdq恒等于負(fù)載無功功率Qload，有：

此時，負(fù)載無功全部由SVG補(bǔ)償，系統(tǒng)無功為零，其控制原理如圖5所示，Iqref為提供給內(nèi)環(huán)的無功電流參考值。

圖5 恒無功解耦q軸電流Fig.5 Decoupling q axis current in constant reactive power mode

（2）有功控制

恒無功模式的有功控制部分采用定直流電壓控制，通過PI調(diào)節(jié)，其輸出量作為內(nèi)環(huán)控制的有功電流參考值。因為根據(jù)電網(wǎng)電壓定向的原理，d軸和q軸分別控制有功和無功分量，直流側(cè)電壓PI輸出為d軸電流指令，控制系統(tǒng)有功電流，以達(dá)到控制直流側(cè)電壓的目的。其控制原理如圖6所示。直流電壓Udc經(jīng)過低通濾波器，濾除負(fù)序二倍頻分量和諧波分量，與參考值進(jìn)行比較后通過PI調(diào)節(jié)，最終輸出有功電流參考值Idref。這里為了防止系統(tǒng)無功超出裝置補(bǔ)償范圍，對補(bǔ)償指令的PI輸出進(jìn)行了限幅，同時防止了積分器無限增大導(dǎo)致退飽和緩慢而產(chǎn)生的過補(bǔ)現(xiàn)象。

圖6 定直流電壓控制Fig.6 Constant DC voltage control

3.1.2 恒電壓模式

恒電壓模式的外環(huán)控制環(huán)節(jié)全部采用PI調(diào)節(jié)，其輸出量作為內(nèi)環(huán)控制的有功電流和無功電流參考。其有功控制部分與恒無功模式的有功控制相同，這里便不再贅述，只對無功控制部分進(jìn)行介紹。其控制原理如圖7所示。交流電壓Uac取有效值，與參考值進(jìn)行比較后通過PI調(diào)節(jié)，最終輸出內(nèi)環(huán)無功電流參考值Iqref。

圖7 定交流電壓控制Fig.7 Constant AC voltage control

3.2 內(nèi)環(huán)控制設(shè)計

內(nèi)環(huán)控制一般分為直接電流控制和間接電流控制［15］?？紤]到在配網(wǎng)設(shè)備接入點(diǎn)，應(yīng)實現(xiàn)無功的快速補(bǔ)償及連續(xù)調(diào)節(jié)，文中內(nèi)環(huán)電流控制器采用線性化解藕反饋理論的直接電流控制。其控制邏輯如圖8所示，內(nèi)環(huán)電流控制器輸出的是d軸和q軸的參考電壓ud2、uq2，經(jīng)過PARK反變換后得到SVPWM調(diào)制用的正弦參考電壓 Ua2、Ub2、Uc2。

4 仿真驗證

為了驗證文中所提改進(jìn)式控制策略的有效性，利用仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建了有恒無功、恒電壓兩種工作模式的SVG系統(tǒng)，補(bǔ)償容量為1 Mvar/660 V，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖8 SVG內(nèi)環(huán)電流控制Fig.8 Inner loop current control of SVG

4.1 恒無功模式

由上文分析可知，恒無功模式下：不論負(fù)載如何變化，系統(tǒng)保證直流側(cè)電壓恒定，SVG無功等于負(fù)載的無功，以維持系統(tǒng)無功為定值。恒無功模式下，直流側(cè)電壓參考值設(shè)為1.3 kV，感性負(fù)載分別為0.3 Mvar、0.3 Mvar、0.2 Mvar、0.2 Mvar，容性負(fù)載分別為0.3 Mvar、0.3 Mvar、0.2 Mvar、0.2 Mvar。圖 9（a）為負(fù)載投切過程中負(fù)載側(cè)、SVG側(cè)、系統(tǒng)側(cè)的無功功率，圖9（b）為與之對應(yīng)的直流電壓。

圖9 恒無功模式仿真結(jié)果Fig.9 Simulation result in constant reactive power mode

由以上實驗可知，起初系統(tǒng)中沒有負(fù)載投入，0.06 s時刻，SVG投入系統(tǒng)運(yùn)行，大概需要0.3 s，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，手動投切感性和容性負(fù)載，SVG可以在0.05之內(nèi)迅速對無功進(jìn)行補(bǔ)償，以維持系統(tǒng)無功恒定，達(dá)到了較好的動態(tài)補(bǔ)償效果。同時直流電壓在負(fù)載突變瞬間會有短時波動，但很快趨于穩(wěn)定值1.3 kV，滿足要求。

4.2 恒電壓模式

恒電壓模式與恒無功模式相比，除了維持直流電壓恒定，補(bǔ)償無功功率之外，還需要使網(wǎng)側(cè)交流電壓為定值。恒電壓模式下，直流側(cè)電壓參考值設(shè)為1.3 kV，網(wǎng)側(cè)交流電壓參考值為381 V，4個感性負(fù)載和4個容性負(fù)載均為0.2 Mvar。圖10（a）為負(fù)載依次投切過程中負(fù)載側(cè)、SVG側(cè)、系統(tǒng)側(cè)的無功功率，圖10（b）為與之對應(yīng)的直流電壓值，圖10（c）為網(wǎng)側(cè)電壓有效值。

圖10 恒電壓模式仿真圖Fig.10 Simulation diagram in constant voltage mode

由以上實驗可知，起初系統(tǒng)中沒有負(fù)載投入，0.06 s時刻，SVG投入系統(tǒng)運(yùn)行，但是由于要維持網(wǎng)側(cè)電壓恒定，SVG需要補(bǔ)償無功，0.4 s后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，手動依次投切感性和容性負(fù)載，SVG可以在0.1 s之內(nèi)迅速對無功進(jìn)行補(bǔ)償，以維持系統(tǒng)無功恒定，達(dá)到了較好的動態(tài)補(bǔ)償效果。在突加和突卸負(fù)載的暫態(tài)過程中，直流側(cè)電壓基本無波動，滿足要求。網(wǎng)側(cè)電壓有效值的參考值設(shè)為381 V，波動范圍為±0.5%，精確度較高，性能良好。

5 結(jié)束語

文中針對低壓配電網(wǎng)中SVG的運(yùn)行控制問題，提出了一種新的改進(jìn)式控制策略，并在PSCAD/EMTDC中搭建SVG系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：

（1）該控制策略有兩種工作模式，能滿足不同用戶、不同地區(qū)的功率補(bǔ)償需求；

（2）該控制策略實現(xiàn)簡單，響應(yīng)速度快，動態(tài)補(bǔ)償性能優(yōu)，直流電壓穩(wěn)定性好；

（3）無論感性負(fù)載還是容性負(fù)載，該控制策略都能獲得較好的動態(tài)無功補(bǔ)償效果；

盡管SVG已成為配電網(wǎng)中理想的無功補(bǔ)償設(shè)備，但其運(yùn)行控制方式也越來越復(fù)雜，裝置價格昂貴。文中研究的控制策略實現(xiàn)簡單，滿足不同用戶需求，因而具有一定的使用推廣價值。