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SVG的一种控制策略研究

时间:2023-01-15 来源:乌哈旅游
Vo1.42 No.6 1108 计算机与数字工程 Computer 8L Digital Engineering 总第295期 2014年第6期 SVG的一种控制策略研究 陈(1.金盘电气有限公司伟 梁洪 龚世缨。 武汉430074) 海口 541004)(2.华中科技大学电气学院摘要论文分析了SVG传统控制方法的局限性,研究了闭环动态无功功率控制以及功率单元直流电压平衡控制的 新策略。基于功率单元的数学模型和瞬时无功功率理论,论文将参考电流信号直接变换为电压参考信号,省去了传统双闭 环控制中的电流一电压转换器。另外,利用在参考电压矢量中叠加一个与输出电流矢量平行的有功电压矢量用来控制功率 单元的直流电压平衡。仿真模型参数为S 一土4MVar、u 一10kV,N一12,Y连接。仿真结果证明,论文的方法能在突加 额定负载下实现SVG从感性无功功率变换到容性无功功率(或反之)的稳定输出,同时即使在过渡过程中也能保持所有功 率单元直流电压平衡。 关键词静止无功发生器;无功功率控制;直流电压平衡 TM762 DOI:10.3969/j.issn1672—9722.2014.06.046 中图分类号A Kind of Control Strategy of SVG CHEN We ̄ LIANG Hong GONG Shiying2 (1.Jinpan Electric Co.,Ltd.,Haikou 541004) (2.Electrical Department,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074)  ̄l}stract The limitations of traditionaI controller for SVG are analyzed.and novel dosed-loop dynamic var control strategy and DC voltage balancing method of individual power cell are focused on,The novel strategy based on the mathemat一  ̄cal model of power celI and the instantaneous reactive power theory changes the current reference signal to voltage reference one directly,and SO gets rid of the current-voltage translator in inner loop of traditional double loop control method.Besides, through adding an active power voltage vector paralleling with output current to the reference voltage vector,IX;voltages balance of power cell could be achieved.Simulation results verify that a S~一±4MVar、U~一10kV cascade H bridge PWM SVG with star configuration has the capability of inductive to capacitive(or capacitive to inductive)operation at the rated re— active power of ̄4MVar while keeping the twelve I)C mean voltages controlled and balanced even during the transient state. Key Words SVG,reactive power contro1,IX;voltage balancing CIass Number TM762 1 引言 静止无功发生器(Static Var Generator, GTO、IGCT、IECT)的串并联应用、多重化逆变 器、多电平逆变器、功率器件的监测保护和冷却 等;二是系统控制器设计[ ],其中包括系统稳 定性、控制算法等。 级联H桥逆变器具有开关应力小、便于实现 分相控制及不对称工况下的控制、模块化结构易于 SVG/STATCOM),具有动态响应快、静态精度 高、调节范围宽、欠压条件下的无功调节能力 强、谐波电压含量小、整体损耗低及占地面积小 等一系列优点,已广泛应用于电力系统的柔性交 流输电,是电工领域普遍关注的研究课题[1]。目 前研究的核心问题有两个,一是主电路的拓扑结 扩展和冗余、可靠性高等优点,是国内当前应用最 多的SVC结构形式。SVC是多变量强耦合的非线 性系统,国内外的研究人员从理论上提出了许多有 构l_2卅],其中包括高压大功率器件(如IGBT、 价值的控制方法[6 ̄10],如基于逆系统方法的有功一 *收稿日期:2013年12月8日,修回日期:2014年1月28日 作者简介:陈伟,男,工程师,研究方向:电力电子技术及特种变压器。 2014年第6期 计算机与数字工程 无功解耦控制、滑模变结构控制、模糊神经网络控 制、基于状态解耦的PI控制等。这些方法在原理 上和算法上各有其特点,但有的需要多个参数协调 控制,有的计算复杂、计算量大。为此本文在已有 工作基础上,采用一种概念清楚、过程简单,在工程 应用上易于实现的控制方法,力图克服现有方法的 一些局限性。经仿真和工业现场应用表明,本文所 采用的方法能有效补偿系统无功功率并保持功率 单元直流侧电压平衡。 2 SVG系统建模 图1是级联H桥逆变器构成的SVG主电 路,图中,每相由N个H桥逆变器串联组成,三相 采用Y型连接,每相分别通过电抗器L接人电 网,与负载并联。甜 、 、 分别是电网的三相相 电压, 、 、 分别是SVG的三相相电压,i , i ,i 分别是电网的三相相电流,i ,i ,i 分别是 SVG的三相相电流,i ,i ,i 分别是负载的三相 相电流。 图1基于级联H桥逆变器的SVG主电路 图2是SVG的单相 等效电路。 是电网相电 压, 是SVG相电压,i 是流过电网和SVG的相 图2单相等效电路 电流,L和R是回路的电 感和等效电阻。 根据图2的假定正向,在不考虑电阻损耗条件 下可得到如图3所示电压矢量图。 (A)电流超前 (B)电流滞后 图3 SVG矢量图 图3中, 为 与 的相位差,表示电流i与电 L爰匡]一 ]一 三]一R匡] c 系中的常系数线性微分方程组 u],可得 L d_ F/. 1一[一- R ][ +[u一- 1一[ ] (£)一 id q(£)一一 i。 (3) 3 SVG的控制方法 1)经典控制方法 SVG的控制目标是要满足电网所需要的无功 功率q( )和维持直流侧电压平衡所需要的有功功 率 ( )。由式(3)可知,在电网电压不变情况下,就 是要跟踪无功电流指令 及有功电流指令 ,使 得SVG输出幅值和相位均能快速调节的三相对称 的正弦基波电压 ,在与电网电压 共同作用 下,所产生电流i的无功分量和有功分量能满足上 述指令值要求。 根据式(2)可得到 Ugd Uxl+wliq--Xl 甜一--wlia--X2 (4) 式中 r zL1一是如(ij--id)+志 I(ij--id)dt J r X2一是 ( --iq)+是 I( — 口) (5) 式(4)、式(5)中,无功电流指令 从控制目标获得, 有功电流指令 是直流侧电压调节器输出。检测 SVG输出的三相电流i。、i 、i ,经dq同步旋转坐标 系变换可得i 、i。,即通过SVG实际的有功电流和 无功电流,与指令值比较后经PI调节,可得到 SVG输出电压的指令值 、 。级联H桥逆变 器通常采用载波移相PWM控制,由 、 就可计 算出参考正弦调制信号的调制比M及控制角 。 以上所述是基于级联H桥逆变器的SVG经 1110 陈伟等:SVG的一种控制策略研究 第42卷 典控制方法,该方法实现了d轴和q轴电流解耦。 但工程实际应用表明,由于 角较小,依据该方法 的控制角 较难调节,使得直流侧电压波动较大, 稳定性较差。 2)改进后的控制方法 按照PI控制规律,在动态过程中,PI调节器输 出量y决定于输入量(X 一X)的比例积分,在到 达稳态时,输入量(X 一X)一0,而输出量y所代 表物理量的稳态值则与输人变量无关。根据控制 目标的需要,y可以是任选的控制对象,约束条件 是通过反馈控制能保证输入偏差(X 一X)一0[1 。 根据上述PI控制的特点,可以将其输出量设 置为所需的电压指令,而输人量为影响电压并且稳 态值趋向于零的电流偏差。可得控制方程为 uga—kdp(Z~d—id)+忌 I( 一id)dt r 舶一是 (iq--iq) ̄ko I( 一 q) (6) √ 考虑到 的影响后,式(6)与式(5)中调节器 参数不相同。根据式(6),可得到控制系统框图如 图4所示。图4中,由所得到的 和 经dq坐 标系到abc坐标系的变换后得到三相参考正弦波 给定值 、“ 、“ ,与三角波比较后得到所需要的 PWM波。与经典控制方法相比较,省去了调制比 M和控制角 计算环节,简化了计算过程,改善了 控制效果。 f 一I PWM 相 驱 调 [=> 动 翡lc}r]  l 制1号 亩 动 电 直流电压调节器 Q PI卜J 用飘潋 图4 SVG控制原理图 3)直流侧电压平衡控制 基于级联H桥逆变器的SVG在运行时,由于 各功率单元的器件参数、初始状态和多种损耗存在 差异以及开关模式不平衡等,使得各功率单元直流 侧电压不对称,因此基于对称条件下的SVG运行 性能就不能实现。 已有许多文献提出了直流电压平衡的控制方 法。这些方法主要包括:(1)直流母线和交流母线 进行能量交换的控制方法;(2)采用专门用于直流 电压平衡的PWM开关模式;(3)改变功率单元结 构,增加损耗调节回路;(4)改变功率单元中参考 正弦波的相角等l这些方法在原理上、控制精度上 以及工程实用性等方面各有千秋。本文利用级联 H桥逆变器功率单元与电网进行能量交换的原理 及计算技巧,在不改变电路结构和保持现有的载 波移相PwM控制模式的条件下,经过较为简单 的计算和调节就能控制功率单元直流侧电压平 衡。 图4中,直流电压调节器为PI调节器,将一相 中各功率单元直流电压平均值作为直流电压的反 馈值,与直流电压指令值比较后的差值经PI调节, 得到有功电流指令 ,控制目标为每相直流电压 平均值等于直流电压指令值。 为了实现每一相中各个功率单元的直流电压 平衡,还要对每个功率单元单独控制。在理想情况 下,SVG中的相电流为无功电流,与功率单元的输 出电压相差90。,该电流每半个工频周期对电容进 行一次充、放电,使得电容上电压有两倍频波动,但 电压平均值不变。每相中各个功率单元直流侧电 压的大小与其吸收的有功功率有关。如果在一相 电路中各功率单元的吸收有功功率不同,就会使各 功率单元直流侧电压不平衡,所以可以通过控制功 率单元输出电压的有功分量来控制其吸收的有功 功率。为此,在每个功率单元为生成PWM波所需 的参考正弦波上叠加一个补偿电压信号/Xuj。当 第J个功率单元的直流侧电压高于平均值时,取 zSuj与输出电流相位相反,电容释放能量,直流侧电 压降低。反之,取△ ,与输出电流同相位,电容充 电,直流侧电压升高。每个功率单元通过这种单独 控制使得其直流侧电压维持在平均值。可得补偿 电压信号为 / 、 /Xuj一( ~ 一M出f)(k k + )/ ki (7) 式中, ~ 为功率单元电压平均值,甜出,为第J个功 率单元直流侧实际电压,k。表示与相电流i同相位 的电压信号。 由于相电流为非正弦波,并且不便于提取,为 此利用同相位的电压信号来代替相电流信号,如对 于A相,用线电压U 代替i。,如图5所示。 图中,乱 为电网A相 相电压,i。为A相电流,i。 超前“ 90。,表示SVG吸 收容性无功功率。根据电 压对称关系,线电压 与 图5负载电流 及电压矢量图 i。同相位,由此,式(7)可改 为 △ 一(Umean- ̄dcj)(走 +争)忌 (8) 2014年第6期 计算机与数字工程 4仿真结果 仿真系统参数为:S~一±4MVar,己厂Ⅳ一lOkV, 一 一 一 L—lOmH,U —9600V,JL一233A每相功率单元 数N一12,Y连接。仿真时,在第0.055s突加 一湖 ㈣ 姗 _一  才 一川一  一叭   r. :_=:h:¨ : :r. + _ l4MVar无功功率指令信号,第0.35s突加4MVar 图1O直流电压波形 无功功率指令信号。 图6为无功电流给定及响应波形,可以看出, 动态过程中无功电流能跟随其给定值,超调量及振 荡次数小。图7为无功功率指令值由一4Mvar变 为+4Mvar时相电流响应波形,可以看出,电流超 前或滞后电压90。。无功功率指令突变时,电流超 调小。图8为有功电流给定及响应波形,图9为功 率单元直流电压响应波形,图10为每相直流电压 波形。可以看出,由于补偿的电压信号的调节作 用,能控制每相及单个功率单元的直流平均电压。 图6无功电流给定及响应波形 gs 图7相电流响应波形 一 』,i 1L id …邢’ 图8有功电流给定及响应波形 图9功率单元直流电压波形 5 结语 针对SVG传统控制方法的局限性,本文基于 功率单元的数学模型和瞬时无功功率理论,将参考 电流信号直接变换为电压参考信号,省去了电流一~  电压转换器,简化了计算过程,在工程应用上易于 实现。还在参考电压矢量中叠加一个与输出电流 矢量平行的有功电压矢量,用来实现电容的充放电 从而达到功率单元的直流电压平衡。仿真结果表 明,本文提出的控制策略能实现对SVG的无功功 率及直流电压的有效控制,在工程应用上有实用参 考价值。 参考文献 Eli Runbaum R A Powerful Means for Dynamic Voltage and Power Quality Control in Industry and Distribution [c]//Proceedings of English International Conference on Power Electronic and Variable Speed Drives.Lon— don(UK).IEEE,2000:404—409. 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