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一种新型静止无功发生器单周控制仿真研究

引言

静止无功发生器(static var generator缩写为SVG,又称STATCOM)是柔性交流输电(flexible AC transmissionsystem,缩写为FACTS)系统中重要的电力电子装置,是用于无功补偿、平衡接入点电压的有效手段之一。在电力工业中,由于三相四线制系统在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中广泛应用,其中的零线电流、无功功率和三相不平衡问题越来越引起人们的重视,而三相四线制SVG可以对以上情况进行有效的补偿。随着SVG在这一领域的逐渐发展,它的控制方法已成为近年来国内外研究的热点。目前SVG的控制主要从控制策略和外闭环反馈控制量的选取两方面来考虑,可以分为电流间接控制和电流直接控制。单周控制(one-cycle control,缩写为OCC)法作为一种非线性控制方法,最早由美国学者Keyue Ma Smedley和Slobodan Cuk提出[1],在近年来的研究中,单周控制理论已经在DC-DC变换、功率因数校正和开关变换器中得到了成功应用,文献[2]首先提出可以把OCC应用到APF中。目前,OCC已被应用到单相和三相APF中,并获得了一系列的改进[3-5]。本文提出一种单周控制的三相四线制SVG,经理论分析和仿真结果证实,该方案能有效地补偿三相四线制系统中的零线电流、无功功率,解决三相不平衡问题,从而提高输电线功率因数和传输效率。

1单周控制的三相四线制静止无功发生器

单周控制的基本原理是保持开关器件的开关频率,通过控制开关占空比,使每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差。根据单周控制的调制方法,单周控制分为单极性调制和双极性调制,本文讨论的方法采用双极性调制。单周控制静止无功发生器的控制目标是补偿无功功率、调节功率因数接近于1,因此当静止无功发生器有效工作时,控制SVG功率开关的占空比,使电网侧电流波形跟踪电压波形,这样从电源侧看SVG与非线性负载并联以后的等效电路,在稳态时可视为一个等效的线性电阻负载,即

式中:ua,ub,uc为电网电压,isa,isb,isc为电网侧的电流,Re为系统的等效电阻。图1示出SVG主电路[6]。它采用电压型桥式变流电路,功率单元采用IGBT全控器件,经电抗器并入电网。作为主电路的变流器,在补偿无功电流的过程中处于逆变状态,同时在给直流电容充电时处于整流状态。因为系统在不对称运行时,负序、零序电流成为有害电流的主要部分,为了补偿负序、零序电流,SVG采用三相四线制两电平逆变桥,对三相四线制系统进行补偿。图中对直流侧电压的控制也成为控制电路的主要组成部分,因为系统产生的负序和零序电流将使直流侧电容电压产生波动,影响其正常工作,所以平衡电容电压也是控制的重点。

在图1所示采用单周控制的SVG中,Qa1,Qa2…Qc2分别为开关Sa1,Sa2…-Sc2的触发信号。因为能量在交流电源和电容间双向流动,逆变器工作在4象限状态,Sa1,Sa2的占空比分别为da1和1-da1(其余两相同)。文献[7-8]在分析开关周期平均模型的基础上,给出了其等效电路。文献[9]运用开关函数分析了其数学模型。本文仅讨论逆变器的连续导电模式(CCM),等效电路如图2。

设系统电压对称,器件的开关频率远大于系统频率,在一个开关周期内,A,B,C点对逆变桥“O”点的电压可以写为:

由于Re是随负载而变化的未知量,不能作为控制的依据。通过分析可知Re的变化可通过检测储能电容上的电压变化确定[10]。因为系统稳态运行时,在不考虑损耗的情况下,静止无功发生器仅提供无功和谐波电流,没有有功电流流入。由功率平衡可知,在稳态运行时,即等效输入电阻Re为常数时,电容电压保持不变。若负载电流中的有功电流变化,即等效电阻Re发生变化,导致电源提供的基波有功电流与负载电流中的基波有功电流分量不等,这样将有部分电源提供的有功电流流入SVG,这部分有功电流产生的有功功率导致SVG中储能电容上的电压变化。这样只需要检测电容电压变化的情况就可以获得Re变化的信息,令Um= (Rs/Re)E,其中Rs为连接电抗器的等效电阻值,将Um带入式(5)得:

式(6)描述了电源电流、开关占空比和直流电压补偿器输出量之间的关系,也是单周控制实现的依据。因为系统的开关频率远大于电网电压的频率,这样在一个开关周期内Um几乎不变,可以认为是个常数,则:

式中:τ= KTs为积分常数,Ts为开关周期。如果令τ=1/2T,T为电网电压的周期,则式(7)就变为式(6)。但实际上电容电压要波动,Uc1与Uc2不等,令ΔU=Uc1-Uc2,Uc1= E,根据式(2)得:

与式(6)比较可以看到直流侧电压不平衡对SVG的影响。如果电容电压波动太大将影响SVG的正常工作。这就需要加入负反馈环,消除ΔU,使电容电压平衡。文献[11]提出一个基于电流滞环控制的解决办法,对ΔU滤波限幅后采用简单的PI调节,取得较好效果。本文将两电容电压的误差ΔU与参考电压(本文取0)相比较,然后经PI调节送入控制器。通过这个简单的方法可以有效抑制直流侧两电容电压不平衡。为了实现式(9),可以通过对Um进行积分获得,设计控制器如图3。工作波形图4[12]清楚地描述了单周控制的过程:时钟脉冲到,积分器开始对直流电容电压的误差信号积分,当Rs*isa与Um(1-2da1)相等,及满足式(9)时,产生复位信号,积分器复位,输出保持Um,等下一周期时钟脉冲到时,又重复上一周期的动作。可以看出单周控制通过控制开关占空比,在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差,前一周期的误差不会带到下一周期,瞬态响应快。

2仿真结果

A、B、C三相电源接晶闸管整流桥(阻感负载,R=30Ω,L=15 mH),B相同时还接有一个单相整流桥(R=20Ω)。仿真电路的参数为:SVG的接入电感为0.8 mH,电源电压为380 V,直流侧的电容电压通过调节达到950V,开关频率为20kHz。补偿前的电源电流和中线电流iO的仿真波形如图5所示

从图中可以看出补偿前三相电流严重不平衡,波形畸变严重,其中A相、C相电流的THDi约19%,B相电流的THDi约48%,中线电流iO很大。经SVG补偿后三相电源电流有很大改善,电流波形接近对称正弦波,畸变很小,且中线电流近似为零,如图6、图7。单周控制的三相四线制SVG能有效地补偿非线性负载所带来的系统谐波、无功和零线电流,具有较好的补偿效果,且无需谐波和无功电流检测模块,电路结构简单可靠。

3结论

本文提出了一种基于单周控制的静止无功发生器控制方案,无需谐波和无功电流基准、采样,控制器具有电路结构简单、开关频率低等优点。在分析其等效模型的基础上,导出了静止无功发生器的单周控制关系,据此建立电路模型,进行仿真验证,仿真结果证明本文所提出的采用单周控制的静止无功发生器能够有效地补偿三相四线制系统中的无功和中线电流,解决三相不平衡问题,效果良好。

摘自:中国计量测控网


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