静止无功发生器的简单控制方法

王 维 军

(中铁建设集团有限公司, 北京　100131)



静止无功发生器的简单控制方法

王 维 军

(中铁建设集团有限公司, 北京100131)

摘要：针对静止无功发生器提出了一种简单的控制方法。利用d-q变换将三相交流系统变换到旋转的正交坐标系,利用PI调节器控制静止无功发生器的补偿电流,使其跟踪参考电流。控制方法无需对控制系统解耦,控制简单,只需要d-q变换模块和低通滤波器。控制策略鲁棒性高,对系统电压波动有较高的抑制能力。仿真结果验证了理论分析的正确性和控制系统的可行性。

关键词：静止无功发生器; 无功功率; 有功功率; d-q变换

0引言

静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)可有效补偿负载中的无功功率,同时对负载中的谐波也有一定的治理效果。SVG通过控制电压源型逆变器的输出电压以调节流过接入电感的电流,使其跟踪非线性负载中的无功电流,保证系统电流中只含有基波有功电流。SVG补偿性能取决于所采取的控制方法。根据SVG指令电流生成的不同,可将控制方法分为检测负载电流和检测电源电流两种。SVG输出补偿的无功电流控制常采用的方法有滞环比较、三角载波调制和无差拍电流控制,但由于控制系统复杂,导致设备运行稳定性降低,设备对控制系统的硬件依赖性强。

本文基于三相三线制供电系统的SVG提出一种简单控制方法,与传统的控制方法相比,只需一个d-q变换模块,便可生成控制信号。

1控制系统

1.1SVG工作原理

主电路结构图如图1所示。

图1中,isa、isb、isc分别为A、B、C相电网电流;ila、ilb、ilc分别为A、B、C相非线性负载电流,负载电流中包含基波有功电流、谐波电流和无功电流。电压源型逆变器通过连接电抗Lf并联方式接入电网。ifa、ifb、ifc分别为SVG的A、B、C相的输出电流。采用适当的控制方式,可使补偿电流等于非线性负载中的无功电流。由于负载电流和SVG的电流汇总到电网中,如果SVG输出的无功电流与负载中的无功电流大小相等、方向相反,则可保证系统电流中只含有基波有功电流,这就是有源型补偿原理。SVG直流侧以电容作为储能元件来维持直流电压恒定。电容容量并不决定设备的无功补偿容量,电容在电路中只起直流电压支撑的作用。理想情况下直流电容很小,但为了保证设备的稳定运行需适当地选取直流电容值。由图1可得

图1　主电路结构图

(1)

式中:UaM、UbM、UcM——A、B、C相的输出电压;

ea、eb、ec——A、B、C相系统的接入电压。

假设三相系统对称和基尔霍夫定律,就可以得到ea+eb+ec=0,ifa+ifb+ifc=0。

由式(1)可以得到

UNM=(UaM+UbM+UcM)/3

(2)

通过变换矩阵T2/3和Tdq,可以将三相系统中的变量变换到正交的旋转坐标系中。T2/3可以将三相系统变换到正交的静止坐标系,Tdq可以将静止的坐标系变换到旋转坐标系:

(3)

(4)

式中: ω——旋转坐标系的旋转电角。

本文选择工频,即ω=100π。三相电路中的变量通过变换矩阵T2/3和Tdq,存在变换关系式:

(5)

式中:[xaxbxc]′——A、B、C坐标系下的变量;

[xdxq]′——旋转坐标系下的变量。

式(5)可以将式(1)变换到d-q坐标系,则式(1)可以表示为

(6)

式中: ifd、ifq——d-q坐标系下SVG输出电流;

ed、eq——d-q坐标系下的系统电压;

Ud、Uq——d-q坐标的逆变器输出电压。

负载电流变换到d-q坐标中,可以表示为

(7)

(8)

ild′、ilq′——负载电流在d、q轴的交流成分,为负载电流中的谐波电流成分。

1.2输出电流控制

SVG控制系统根据检测到的参考电流对电压源型逆变器进行PWM控制,使其产生的补偿电流跟踪其参考值。由式(6)可知,ifd和ifq之间存在耦合关系,且与系统电压有关。传统的控制方法先将其解耦,然后分别设计其控制系统,可达到较好的控制效果,但使控制系统复杂,导致控制系统鲁棒性降低。

为了设计方便,并使控制系统简化,将d-q轴之间的耦合关系和系统电压视为系统前向通道的扰动。由式(6)可知,其被控制对象为一阶系统,利用PI控制器就可以得到较好的动态性能和零稳态误差。将式(6)变换到频域,并考虑到PI控制器,电流控制环如图2所示。

图2　电流控制环

图2中,将SVG实际输出电流反馈并与参考值进行比较,将其差值输入给PI调节器,PI调节器的输出为控制信号,在此信号控制下的输出电压为Ud.q。KSVG为SVG传递函数,描述的是电压源型逆变器调制信号与实际输出电压之间的关系,如果忽略开关频率附近的高频谐波,并将控制信号进行标幺化,则KSVG=Udc,其中Udc为实际的直流电压值。在控制系统设计过程中,Udc可以用直流电压的目标值代替。GPI(s)为PI调节器在频域的传递函数,可表示为

(9)

式中:kp、ki——PI调节器比例系数和积分系数。

kp、ki决定了电流闭环系统的动态性能。为了使SVG正常工作,其直流电压要高于其电源电压的峰值。KSVG较大,可以近似忽略其前向通道上的扰动,得到其闭环传递函数为

(10)

k′=kpKSVG/Lf

k″=kiKSVG/Lf

通过式(8),可以对电流控制环进行简单设计,使其满足控制要求。

1.3直流电压调节

为了保证SVG正常工作,必须控制其直流侧电压为恒值。本文采用传统的控制方法直流电压调节,即将直流电压与其参考值比较后经PI调节器的输出加到有功参考电流中。由于SVG直流侧利用大电容平衡其直流电压,要求的动态响应速度比电流控制环慢,因此在电流控制系统基础上设计电压环较容易。

2控制系统组成

控制系统如图3所示。

由电流控制环和电压控制环可以组成SVG的控制系统。首先,为了得到非线性负载在d、q轴的参考电流,需要将负载电流变换到d-q坐标系中,将d轴电流经过高通滤波器后得到SVG输出电流的参考值ild′。对于非线性负载的q轴电流,存在两种情况:

(1) 当谐波和无功同时补偿时,变换后的电流ilq反极性后就是q轴参考电流。

图3　控制系统

得到参考电流后,与实际输出电流比较,将其偏差值输入给电流环的PI调节器。为了平衡SVG直流电压,将直流电压偏差值经过PI调节器后加到d轴电流。电流环要求的动态响应速度较快,而动态响应速度较慢。为了增强控制系统稳定性,减少直流电压波动对补偿电流的影响,所以其电压环的PI输出加入点最好放到电流PI控制之后,参见图3(a)。

图3(a)中,Tabc/dq为a、b、c坐标系到d-q坐标系的变换矩阵,其值为TdqT2/3。由于SVG输出电流ifd中只含有交流成分,因此可以将输出电流if与负载电流比较后再经过d-q变换,就减少了一个变换模块,使控制系统更简单,参见图3(b)。

3仿真结果

采用MATLAB仿真软件,对控制系统进行仿真。电流、电压波形如图4所示。图4中,is为补偿后的系统电流,if为补偿电流。

当系统存在15%的3次谐波时,电压、电流波形如图5所示。由图5可以看出,系统电流仍可得到较好的补偿效果。

图4　电流、电压波形

图5　当系统存在15%的3次谐波时,

4工程应用

对安装在某选煤厂配电室6/0.4 kV、2 000 kVA变压器低压侧的SVG(补偿容量为500 kvar)进行实际挂网运行测试,测试仪器为HIOKI 3196电能质量分析仪。系统电压、电流测试波形如图6所示。谐波电压如图7所示。

图6　系统电压、电流测试波形

图7　谐波电压

6结语

提出了一种简单的静止无功发生器控制方法。该电流控制方法在旋转的正交坐标系中利用PI调节器分别控制其有功电流和无功电流,无需解耦,控制系统简单,对系统电压波动有较好的抑制效果。仿真结果证明了控制系统的有效性。该控制系统简单,鲁棒性高,无需确切的系统参数,有较高的实用价值。

参考文献

[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]胡明红.动态无功补偿装置在配电系统中的应用[J].现代建筑电气,2013,4(1):27-30.

[3]徐瑞新,石兆磊.有源电力滤波器补偿电流的性能分析[J].现代建筑电气,2014,5(6):24-29.

[4]REDL R,TENTI P,VAN WYK J.Power Electronic Polluting Effects[J].IEEE Spectrum,1997,34(5):33-39.

[5]杨守胜.低压电容电抗器补偿装置的故障分析与探讨[J].现代建筑电气,2014,5(2):18-22.

[6]况东,刘小芳.某数据中心无功补偿装置故障分析[J].现代建筑电气,2012,3(1):27-30.

[7]李葆申.一种新的不平衡负荷的低压无功功率混合补偿方式[J].现代建筑电气,2011,2(11):57-58.

[8]RAO P,CROW M L,YANG Z P.STATCOM control for power system voltage control applications[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2000,15(4):1311-1317.

[9]熊桥坡,罗安,马伏军.模块化多电平SVG负序补偿容量比较[J].中国电机工程学报,2014,34(24):61-68.

[10]殷波,陈允平.abc坐标系下广义无功电流和功率的定义及补偿[J].电网技术,2003,27(7):43-51.

[11]AKAGI H,KANAZAWA Y,NABAE A.Instantaneous reactive power compensators comprising switching device without energy storage components[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1984,20(3):625-630.

[12]戴列峰,蒋平,田大强.无锁相环d-q谐波电流检测法的实现[J].电网技术,2003,27(8):46-49.

[13]高大威,孙孝瑞.基于神经元网络的用于有源电力滤波器的电流检测[J].电网技术,2000,24(1):72-75.

[14]武漫漫,万弢.滞环控制策略在SVG中的应用研究与实现[J].电气应用,2014,33(20):64-68.

[15]黄敏,查晓明,陈允平.并联型电能质量调节器的模糊变结构控制[J].电网技术,2002,26(7):11-14.

[16]徐欣慰,涂春鸣,魏承志,等.一种应用于微网的多目标SVG优化控制方法[J].电源技术,2014(7):156-160.

[17]沈中元.配电网静止同步补偿器技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.

[18]DAVID M E,ROUND S D.Fully digital hysteresis current controller for an active power filter[J].International Journal of Electronics,1999,10(86):1217-1232.

[19]MORAN L A,DIXON J W,WALLACE R R,Three-phase active power filter operating with fixed switching frequency for reactive power and current harmonic compensation[J].IEEE Tran.Ind.Electron.,1995,42(4):402-408.

[20]GOKHALE K P,KAWAMURA A,HOFT R G.Dead beat microprocessor of PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1987,23(5):901-909.

[21]HAMASAKI,SHIN-ICHI,KAWAMURA.Improvement of current regulation of line-current-detection-type active filter based on dead beat control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(2):536-541.

Simple Control Method for of Static Var GeneratorWANGWeijun

(China Railway Construction Group Co., Ltd., Beijing 100131, China)

Abstract：This paper presented a simple control method based on voltage source static var generator(SVG).By the d-q transformation,the 3-phase AC system was transformed into a rotating orthogonal coordinates,in which the PI controller was used to adjust the injected reactive power currents by SVG to the reference reactive power current.This control method is simple that no decoupled control method is employed,and only one d-q transforming module and one low-pass filter are employed.The control method performs a strong robustness,and highly eliminating ability to the system voltage perturbation.The simulation results confirm the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the control system.

Key words:static var generator(SVG); active power; reactive power; d-q transformation

收稿日期：2015-02-30

中图分类号：TM 743

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2015)06-0046-06