引言

靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator縮寫(xiě)為SVG,又稱(chēng)STATCOM)是柔性交流輸電(flexible AC transmissionsystem,縮寫(xiě)為FACTS)系統(tǒng)中重要的電力電子裝置,是用于無(wú)功補(bǔ)償、平衡接入點(diǎn)電壓的有效手段之一。在電力工業(yè)中,由于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)在工廠供電、民用住宅和城市供電等電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,其中的零線(xiàn)電流、無(wú)功功率和三相不平衡問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視,而三相四線(xiàn)制SVG可以對(duì)以上情況進(jìn)行有效的補(bǔ)償。隨著SVG在這一領(lǐng)域的逐漸發(fā)展,它的控制方法已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前SVG的控制主要從控制策略和外閉環(huán)反饋控制量的選取兩方面來(lái)考慮,可以分為電流間接控制和電流直接控制。單周控制(one-cycle control,縮寫(xiě)為OCC)法作為一種非線(xiàn)性控制方法,最早由美國(guó)學(xué)者Keyue Ma Smedley和Slobodan Cuk提出[1],在近年來(lái)的研究中,單周控制理論已經(jīng)在DC-DC變換、功率因數(shù)校正和開(kāi)關(guān)變換器中得到了成功應(yīng)用,文獻(xiàn)[2]首先提出可以把OCC應(yīng)用到APF中。目前,OCC已被應(yīng)用到單相和三相APF中,并獲得了一系列的改進(jìn)[3-5]。本文提出一種單周控制的三相四線(xiàn)制SVG,經(jīng)理論分析和仿真結(jié)果證實(shí),該方案能有效地補(bǔ)償三相四線(xiàn)制系統(tǒng)中的零線(xiàn)電流、無(wú)功功率,解決三相不平衡問(wèn)題,從而提高輸電線(xiàn)功率因數(shù)和傳輸效率。

1單周控制的三相四線(xiàn)制靜止無(wú)功發(fā)生器

單周控制的基本原理是保持開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)占空比,使每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)變量的平均值與控制參考信號(hào)相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。根據(jù)單周控制的調(diào)制方法,單周控制分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制,本文討論的方法采用雙極性調(diào)制。單周控制靜止無(wú)功發(fā)生器的控制目標(biāo)是補(bǔ)償無(wú)功功率、調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近于1,因此當(dāng)靜止無(wú)功發(fā)生器有效工作時(shí),控制SVG功率開(kāi)關(guān)的占空比,使電網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形,這樣從電源側(cè)看SVG與非線(xiàn)性負(fù)載并聯(lián)以后的等效電路,在穩(wěn)態(tài)時(shí)可視為一個(gè)等效的線(xiàn)性電阻負(fù)載,即

式中:ua,ub,uc為電網(wǎng)電壓,isa,isb,isc為電網(wǎng)側(cè)的電流,Re為系統(tǒng)的等效電阻。圖1示出SVG主電路[6]。它采用電壓型橋式變流電路,功率單元采用IGBT全控器件,經(jīng)電抗器并入電網(wǎng)。作為主電路的變流器,在補(bǔ)償無(wú)功電流的過(guò)程中處于逆變狀態(tài),同時(shí)在給直流電容充電時(shí)處于整流狀態(tài)。因?yàn)橄到y(tǒng)在不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí),負(fù)序、零序電流成為有害電流的主要部分,為了補(bǔ)償負(fù)序、零序電流,SVG采用三相四線(xiàn)制兩電平逆變橋,對(duì)三相四線(xiàn)制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。圖中對(duì)直流側(cè)電壓的控制也成為控制電路的主要組成部分,因?yàn)橄到y(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)序和零序電流將使直流側(cè)電容電壓產(chǎn)生波動(dòng),影響其正常工作,所以平衡電容電壓也是控制的重點(diǎn)。

在圖1所示采用單周控制的SVG中,Qa1,Qa2…Qc2分別為開(kāi)關(guān)Sa1,Sa2…-Sc2的觸發(fā)信號(hào)。因?yàn)槟芰吭诮涣麟娫春碗娙蓍g雙向流動(dòng),逆變器工作在4象限狀態(tài),Sa1,Sa2的占空比分別為da1和1-da1(其余兩相同)。文獻(xiàn)[7-8]在分析開(kāi)關(guān)周期平均模型的基礎(chǔ)上,給出了其等效電路。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用開(kāi)關(guān)函數(shù)分析了其數(shù)學(xué)模型。本文僅討論逆變器的連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),等效電路如圖2。

設(shè)系統(tǒng)電壓對(duì)稱(chēng),器件的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)頻率,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),A,B,C點(diǎn)對(duì)逆變橋“O”點(diǎn)的電壓可以寫(xiě)為:

由于Re是隨負(fù)載而變化的未知量,不能作為控制的依據(jù)。通過(guò)分析可知Re的變化可通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)能電容上的電壓變化確定[10]。因?yàn)橄到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),在不考慮損耗的情況下,靜止無(wú)功發(fā)生器僅提供無(wú)功和諧波電流,沒(méi)有有功電流流入。由功率平衡可知,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),即等效輸入電阻Re為常數(shù)時(shí),電容電壓保持不變。若負(fù)載電流中的有功電流變化,即等效電阻Re發(fā)生變化,導(dǎo)致電源提供的基波有功電流與負(fù)載電流中的基波有功電流分量不等,這樣將有部分電源提供的有功電流流入SVG,這部分有功電流產(chǎn)生的有功功率導(dǎo)致SVG中儲(chǔ)能電容上的電壓變化。這樣只需要檢測(cè)電容電壓變化的情況就可以獲得Re變化的信息,令Um= (Rs/Re)E,其中Rs為連接電抗器的等效電阻值,將Um帶入式(5)得:

式(6)描述了電源電流、開(kāi)關(guān)占空比和直流電壓補(bǔ)償器輸出量之間的關(guān)系,也是單周控制實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。因?yàn)橄到y(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓的頻率,這樣在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Um幾乎不變,可以認(rèn)為是個(gè)常數(shù),則:

式中:τ= KTs為積分常數(shù),Ts為開(kāi)關(guān)周期。如果令τ=1/2T,T為電網(wǎng)電壓的周期,則式(7)就變?yōu)槭?6)。但實(shí)際上電容電壓要波動(dòng),Uc1與Uc2不等,令ΔU=Uc1-Uc2,Uc1= E,根據(jù)式(2)得:

與式(6)比較可以看到直流側(cè)電壓不平衡對(duì)SVG的影響。如果電容電壓波動(dòng)太大將影響SVG的正常工作。這就需要加入負(fù)反饋環(huán),消除ΔU,使電容電壓平衡。文獻(xiàn)[11]提出一個(gè)基于電流滯環(huán)控制的解決辦法,對(duì)ΔU濾波限幅后采用簡(jiǎn)單的PI調(diào)節(jié),取得較好效果。本文將兩電容電壓的誤差ΔU與參考電壓(本文取0)相比較,然后經(jīng)PI調(diào)節(jié)送入控制器。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以有效抑制直流側(cè)兩電容電壓不平衡。為了實(shí)現(xiàn)式(9),可以通過(guò)對(duì)Um進(jìn)行積分獲得,設(shè)計(jì)控制器如圖3。工作波形圖4[12]清楚地描述了單周控制的過(guò)程:時(shí)鐘脈沖到,積分器開(kāi)始對(duì)直流電容電壓的誤差信號(hào)積分,當(dāng)Rs*isa與Um(1-2da1)相等,及滿(mǎn)足式(9)時(shí),產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),積分器復(fù)位,輸出保持Um,等下一周期時(shí)鐘脈沖到時(shí),又重復(fù)上一周期的動(dòng)作?？梢钥闯鰡沃芸刂仆ㄟ^(guò)控制開(kāi)關(guān)占空比,在每個(gè)周期內(nèi)使逆變器開(kāi)關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差,前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期,瞬態(tài)響應(yīng)快。

2仿真結(jié)果

A、B、C三相電源接晶閘管整流橋(阻感負(fù)載,R=30Ω,L=15 mH),B相同時(shí)還接有一個(gè)單相整流橋(R=20Ω)。仿真電路的參數(shù)為:SVG的接入電感為0.8 mH,電源電壓為380 V,直流側(cè)的電容電壓通過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)到950V,開(kāi)關(guān)頻率為20kHz。補(bǔ)償前的電源電流和中線(xiàn)電流iO的仿真波形如圖5所示

從圖中可以看出補(bǔ)償前三相電流嚴(yán)重不平衡,波形畸變嚴(yán)重,其中A相、C相電流的THDi約19%,B相電流的THDi約48%,中線(xiàn)電流iO很大。經(jīng)SVG補(bǔ)償后三相電源電流有很大改善,電流波形接近對(duì)稱(chēng)正弦波,畸變很小,且中線(xiàn)電流近似為零,如圖6、圖7。單周控制的三相四線(xiàn)制SVG能有效地補(bǔ)償非線(xiàn)性負(fù)載所帶來(lái)的系統(tǒng)諧波、無(wú)功和零線(xiàn)電流,具有較好的補(bǔ)償效果,且無(wú)需諧波和無(wú)功電流檢測(cè)模塊,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

3結(jié)論

本文提出了一種基于單周控制的靜止無(wú)功發(fā)生器控制方案,無(wú)需諧波和無(wú)功電流基準(zhǔn)、采樣,控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。在分析其等效模型的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了靜止無(wú)功發(fā)生器的單周控制關(guān)系,據(jù)此建立電路模型,進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果證明本文所提出的采用單周控制的靜止無(wú)功發(fā)生器能夠有效地補(bǔ)償三相四線(xiàn)制系統(tǒng)中的無(wú)功和中線(xiàn)電流,解決三相不平衡問(wèn)題,效果良好。

摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)