基于雙閉環(huán)控制方法的靜止同步補(bǔ)償器性能改進(jìn)與仿真

任鳳娟

摘要：本文介紹了配電網(wǎng)中安裝的靜止同步補(bǔ)償器D-STATCOM，給出了D-STATCOM的結(jié)構(gòu)圖。然后研究了雙閉環(huán)控制策略，分析了三相VSR的數(shù)學(xué)模型、控制策略。最后，對時變電源和變負(fù)載調(diào)制進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明基于雙閉環(huán)控制的PWM整流器具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，動態(tài)響應(yīng)快，諧波含量低，抗干擾性能好。

Abstract： In this paper， we introduce the Static Synchronous Compensator， which installed in distribution network is generally called D-STATCOM， and we have the structure chart of D-STATCOM. Then the control strategy were studied in the double Closed-Loop， we analyse the mathematical model of three-phase VSR， the control strategy. At last， we did the simulation of time-varying power source and of modulation of the variable load. The simulation results show that the PWM rectifier based on the double closed-loop control has good dynamic and steady state performance， fast dynamic response， low harmonic contents and satisfactory anti-disturbance performance.

關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器;PWM整流器拓?fù)?控制策略;仿真

Key words： Static Synchronous Compensator;PWM rectifier topology;control strategy;simulation

中圖分類號：TM714.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0229-04

0? 引言

靜止同步補(bǔ)償器又稱靜止同步電容器，是柔性交流輸電系統(tǒng)中的核心裝置和核心技術(shù)之一，代表著無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向。靜止同步補(bǔ)償器安裝在幾種特殊負(fù)載（如電弧爐和地鐵，它們是浪涌和換向負(fù)載）周圍，可以顯著改善負(fù)載和電網(wǎng)連接處的電能質(zhì)量和暫態(tài)穩(wěn)定性。安裝在配電網(wǎng)中的靜止同步補(bǔ)償器通常稱為配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器，簡稱D-SATCOM。

靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主電路是由兩個絕緣柵雙極型晶體管和二極管組成的電壓型PWM整流器。雙整流器的配置產(chǎn)生比單橋少的諧波，能夠減少濾波，改進(jìn)動態(tài)響應(yīng)。該控制器的控制原理與具有限幅PI控制器的雙閉環(huán)控制-直流環(huán)節(jié)電壓控制回路和具有前饋PI控制器的電流控制回路相似。

1? 雙閉環(huán)控制策略

1.1 三相VSR的數(shù)學(xué)模型

三相電壓PWM整流器拓?fù)淙鐖D2所示，假設(shè)三相系統(tǒng)沒有中性點(diǎn)連接。

其中：ea，eb，ec—三相電壓;ia，ib，ic—線電流;ua，ub，uc—整流器輸入電壓;udc—直流總線電壓;R—線路電阻;L—線路電感;C—濾波電容器;iL—負(fù)載電流。

三相電壓型PWM整流器在靜止a-b-c坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

靜止a-b-c坐標(biāo)系下的整流器模型簡單直觀，但由于輸入信號的正弦性，傳統(tǒng)的PI控制器不能保證零穩(wěn)態(tài)誤差。從電壓定向控制（VOC）的角度進(jìn)行派克（Park）變換，同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的整流器模型可以給出

其中，sd、sq是同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的切換函數(shù)。

1.2 控制策略

方程2表明，系統(tǒng)（id，iq）的d，q軸輸出電流不僅受網(wǎng)絡(luò)電壓（ed，eq）的影響，而且受耦合電壓（ωLiq，-ωLid）和整流器輸入電壓（即整流器控制電壓ud，uq）的影響。因此，如果控制系統(tǒng)能夠包含這些干擾分量，它可以消除這些影響。將（2）方程中的前兩個方程的右部分分別替換為u*d和u*q。

從等式（3）中，我們發(fā)現(xiàn)id、iq是解耦的，并且它們是等價的系統(tǒng)。

通過坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系中的基本正弦變量變換為同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的直流分量。從內(nèi)模理論的角度出發(fā)，采用傳統(tǒng)的PI控制器可以保證零穩(wěn)態(tài)誤差，其原因在于同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的參考電流是恒定的直流信號，在S域中，積分部分包含階躍信號1/s。同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下內(nèi)電流環(huán)和外電壓環(huán)的解耦控制圖如圖3所示。電流反饋ωLiq、-ωLid和網(wǎng)絡(luò)電壓前饋ud、uq引入到控制系統(tǒng)中。

2? 仿真

D-STATCOM仿真模型如圖4和5所示。D-STATCOM由25kV/1.25kV耦合變壓器、兩個IGBT/二極管橋組成的電壓源PWM整流器、LC阻尼濾波器、10000uF電容器和控制器組成。該控制器由抗混疊濾波器、核心控制模塊和PWM脈沖發(fā)生器組成，核心控制模塊與前面提到的雙閉環(huán)非常相似。

2.1 時變電源的仿真

在此模擬過程中，可變負(fù)載將保持恒定，并且觀察D-STATCOM對源電壓階躍變化的動態(tài)響應(yīng)。時變電源的時間-幅度對序列被設(shè)置為{（0，1），（0.2，1.06），（0.3，0.94），（0.4，1）}。仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，隨著電源的變化，B1母線的電壓變化較大，而B3母線的電壓由于D-STATCOM的作用而穩(wěn)定地保持在額定電壓附近。

在圖7中示出了D-STATCOM的a、q軸電流iq和無功功率的電壓波形和電流波形。在正常情況下，整流器電流近似為零。當(dāng)電源電壓高于額定電壓時，ia為感應(yīng)電流，無功電流iq為負(fù)，無功功率Q為正，即D-STATCOM吸收無功功率。當(dāng)電源電壓低于額定電壓時，ia為電容電流，無功電流iq為正，無功功率Q為負(fù)，即D-STATCOM提供無功功率。約0.3秒時，反作用力功率Q的流動方向反轉(zhuǎn)，而電流相位迅速變化且平穩(wěn)。線電流具有良好的正弦性能。無功電流Iq快速、準(zhǔn)確地跟蹤Iqref。

圖8和圖7結(jié)合說明只有當(dāng)無功功率Q間斷時，直流電壓的變化規(guī)律與有功功率P的波形相一致，即用雙閉環(huán)控制策略達(dá)到解耦。

2.2 變載調(diào)制的仿真

在此測試期間，可編程電壓源的電壓將保持恒定，并啟用可變負(fù)載的調(diào)制。調(diào)制間隔為0.15-1秒，調(diào)制頻率為5Hz。首先，在沒有D-STATCOM的情況下進(jìn)行仿真，圖9顯示母線3三相電流和電壓的振動頻率為5Hz。電壓波動范圍±4%。

3? 結(jié)論

研究了三相電壓型PWM整流器同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下由內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)電壓環(huán)組成的雙閉環(huán)控制策略。仿真結(jié)果表明：

①該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，可以很好地解耦。

②在雙閉環(huán)控制策略下，無論電源電壓或負(fù)載何時波動，母線電壓都能夠根據(jù)需要吸收或產(chǎn)生無功功率，通過D-STATCOM保持穩(wěn)定。

③仿真結(jié)果表明，基于雙閉環(huán)控制的PWM整流器具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，動態(tài)響應(yīng)快，諧波含量低，抗干擾性能好。

④三相電壓型PWM整流器具有四象限運(yùn)行和雙向功率流的能力，可廣泛應(yīng)用于無功補(bǔ)償、有源電力濾波器、交-直流電力、交流電機(jī)驅(qū)動等工業(yè)領(lǐng)域。

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