煤礦電網(wǎng)三相H橋串聯(lián)型高壓SVG的控制

1、煤礦電網(wǎng)三相H橋串聯(lián)型高壓SVG的控制王曉晨1 吳東兵 2 1合肥工業(yè)大學(xué)(宣城校區(qū))信息工程系， 安徽 宣城2420002 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥230009摘要：煤礦電網(wǎng)為提高供電電能質(zhì)量，已普遍采用SVG進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。本文對(duì)最為實(shí)用的三相H橋串聯(lián)型高壓SVG進(jìn)行深入研究。首先分析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本工作原理，用電容代替附加直流電源。然后介紹載波移相的調(diào)制方式，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，并詳述控制原理和控制過程。采用無功電流閉環(huán)控制，省去了一般PWM整流器所帶的直流電壓控制閉環(huán)。最后用MATLAB仿真整個(gè)系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，完全可

2、用于工作現(xiàn)場。關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器；H橋串聯(lián)；載波移相；無功電流控制；MATLAB仿真0 引言隨著采掘、運(yùn)輸?shù)让旱V機(jī)械自動(dòng)化程度的提高，大量大功率的電動(dòng)機(jī)和電力電子變流裝置投入使用。這些用電設(shè)備對(duì)于煤礦供電系統(tǒng)產(chǎn)生了許多不利影響，如功率因數(shù)低、無功功率沖擊、諧波電流大、供電損耗增加等。因此，為確保整個(gè)煤礦的供電質(zhì)量，必須對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合改善。SVG是靜止無功發(fā)生器的英文縮寫（Static Var Generator)，又稱靜止同步補(bǔ)償器，主要功能是通過對(duì)電網(wǎng)的并網(wǎng)無功補(bǔ)償，可以提高變電所進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)，使供電線路電壓穩(wěn)定、增加線路輸出的有功功率。相對(duì)于傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)、以晶閘管控制感性

3、電流的SVC（靜止無功補(bǔ)償器）等方案，SVG具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。以前普通使用基于晶閘管電抗器的SVC對(duì)電網(wǎng)實(shí)施無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是SVC有諧波分量大、運(yùn)行效率低、體積大等缺點(diǎn)。所以近年來，煤礦電網(wǎng)已開始采用性價(jià)比更高的SVG。通常將SVG裝置直接并接在6kv、10kv的電網(wǎng)中，所以SVG的容量比較大，電壓等級(jí)比較高，一般多采用H橋串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。H橋串聯(lián)的SVG裝置又分為有輔助直流電源及無輔助直流電源兩類。本文對(duì)無輔助直流電源的H橋串聯(lián)的SVG的控制策略進(jìn)行了深入研究，給出系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖、理論分析、以及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，旨在為煤礦電氣工程類研究、技術(shù)人員提供理論參考。1、 無輔助直流電源的H橋串聯(lián)SV

4、G的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相SVG的主電路如圖1所示，Ed為輔助直流電源，全控器件v1v4工作在正弦波脈寬調(diào)制狀態(tài)。v1v4的驅(qū)動(dòng)脈沖是由參考正弦波ura和三角載波ut比較后生成，如圖2所示，采用單極式調(diào)制，即載波ut為單極性信號(hào)。生成的4路脈沖信號(hào)為ug1、ug2、ug3、ug4，波形如圖3所示。經(jīng)分析，得到調(diào)制電路的輸出電壓uAB波形，uAB為脈沖序列波，uAB亦記為調(diào)制電壓up。單個(gè)H橋的輸出電壓為三個(gè)電平：+Ed、0、-Ed。up的基波的相位與參考正弦信號(hào)ura相同，基波分量的幅值與ur的幅值成正比。改變ura的幅值就可以改變up基波分量的幅值。圖1 單相SVG主電路圖2 H橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖1中，

5、ea為電源電壓，其頻率和幅值基本不變，若ura的頻率與相位與ea相同，那么改變ura的幅值，即改變調(diào)制電壓up的基波分量電壓幅值，就可以改變交流電路電流ia的大小和相位。若忽略交流電路的電阻，則交流回路的電壓平衡方程為 （1）若up的基波幅值小于ea的幅值，則ia滯后ea 90，為感性電流；若up的基波幅值大于ea的幅值，則ia超前ea 90，為容性電流。那么，改變up基波的幅值就可以改變網(wǎng)側(cè)電流ia的大小和極性（感性或容性）。這就是SVG的基本工作原理。 多個(gè)H橋串聯(lián)，可構(gòu)成高壓SVG裝置，三相H橋串聯(lián)SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，每橋?yàn)?個(gè)H橋串聯(lián)。通常根據(jù)母線電壓以及全控器件的電壓等級(jí)

6、不同來決定采用幾個(gè)H橋串聯(lián)。Ed通常用單相不控整流器提供，而單相橋的交流電源ua1、ua2，ub1、ub2，uc1、uc2來自同一臺(tái)輔助變壓器，此輔助變壓器有多個(gè)二次繞組。目前，煤礦已有無輔助直流電源的H橋串聯(lián)SVG裝置投入使用。將圖4中的輔助電源及二極管整流器撤去，即為無輔助直流電源的H橋串聯(lián)SVG。它本質(zhì)上是一個(gè)空載的單相PWM整流器。采用2個(gè)H橋串聯(lián)的SVG的調(diào)制電壓波形如圖5所示，每個(gè)橋的調(diào)制電壓為三電平，2個(gè)H橋串聯(lián)的調(diào)制電壓波形為五電平。為了減少調(diào)制電壓以及交流側(cè)電流的諧波分量，采用載波移相的方法。即若每相有n個(gè)H橋串聯(lián)，則各H橋的載波電壓ut相位依次移相360/n。在圖4中，每相

7、有2個(gè)H橋串聯(lián)，則兩個(gè)H橋的載波電壓ut1與ut2相位相差180。在圖5中，給出第1個(gè)H橋（載波為ut1）的驅(qū)動(dòng)脈沖波形以及H橋的調(diào)制電壓up1波形，還給出第2個(gè)H橋的調(diào)制電壓up2波形，以及總的調(diào)制電壓up的波形。圖3 單相SVG波形圖4 三相H橋串聯(lián)SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2、三相H橋串聯(lián)SVG控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理三相H橋串聯(lián)的SVG控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，HA1、HA2、HAn表示A相主電路的第一個(gè)H橋、第二個(gè)H橋、第n個(gè)H橋的框圖，B相、C相亦如此?？驁D內(nèi)的主電路同圖4所示H橋電路。L為每相主電路里串聯(lián)的電抗器。 2.1各控制單元（1） H橋驅(qū)動(dòng)脈沖生成單元GA1、GA2、GAn分別是A橋各橋

8、的驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路，亦稱為脈寬調(diào)制電路，如圖2所示。波形分析如圖3所示。GA1、GA2、GAn電路相同，正弦參考信號(hào)uprA相同，但載波信號(hào)的相位不同，ut1、ut2、utn等三角載波的相位依次相差2/n周期。單極性調(diào)制，調(diào)制原理如前所述。B相、C相的驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路與原理同A相。（2） 正弦參考信號(hào)的生成uprA、uprB、uprC為A、B、C各相脈寬調(diào)制電路的正弦參考信號(hào)，其幅值取自無功調(diào)節(jié)器AQR的輸出量，其相位取自網(wǎng)側(cè)A相電壓uA的相位角t（經(jīng)程序處理后為角，亦為三相電源電壓合成的空間矢量電壓的空間相位角）。那么，uprA、uprB、uprC分別與ABC三相電源電壓uA、 uB、uC同

9、相。改變upm*只是改變參考信號(hào)的幅值,即改變H橋調(diào)制電壓基波分量的幅值。（3） 無功電流環(huán)對(duì)無功電流iq采用閉環(huán)控制，無功電流調(diào)節(jié)器AQR為比例積分調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，還可提高動(dòng)態(tài)跟隨和抗擾性能。由于iq的偏差是靠改變調(diào)制電壓up的基波幅值upm來調(diào)節(jié)的，所以無功調(diào)節(jié)器AQR的輸出量作為upm的期望值。在電網(wǎng)輸出感性無功時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電流滯后于電壓，三相網(wǎng)側(cè)電流對(duì)應(yīng)的合成空間電流的無功電流分量iq為負(fù)極性。當(dāng)電網(wǎng)輸出容性無功時(shí)，iq為正極性，那么iq是雙極性的量，同樣，無功電流給定也是雙極性的。當(dāng)iq*為負(fù)極性時(shí)，表示期望的SVG系統(tǒng)提供無功電流為感性的，當(dāng)iq*為正極性時(shí)，表示期望的SV

10、G系統(tǒng)提供的無功電流為容性的。此系統(tǒng)無需對(duì)電容兩端直流電壓做閉環(huán)控制。因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)SVG幾乎不消耗有功功率，故有功電流一直為0，直流側(cè)電壓就不會(huì)波動(dòng)。這樣有功電流也不需要加閉環(huán)控制。這與一般PWM整流器的電壓電流雙閉環(huán)矢量控制相比，結(jié)構(gòu)更簡化。（4） 角的檢測角是SVG控制系統(tǒng)的重要物理量，它是電網(wǎng)A相電壓的相位角，是0至2的不停變化的電角度。通過同步電路得到uA的正半周起始點(diǎn)，經(jīng)過軟件鎖相程序的運(yùn)行可得時(shí)變量角。有了準(zhǔn)確的角就可以使三相調(diào)制電壓的基波分量與電網(wǎng)電壓同步。（5） iq的檢測圖6中，通過電流傳感器得到三相網(wǎng)側(cè)電流iA、iB、iC，經(jīng)信號(hào)處理電路送給DSP芯片，經(jīng)坐標(biāo)變換得到網(wǎng)側(cè)電流

11、空間矢量的兩個(gè)分量id（有功分量）、iq（無功）。(2) 圖5 兩個(gè)H橋串聯(lián)的SVG調(diào)制電壓波形2.2無功電流調(diào)節(jié)過程（1）無功電流期望值iq*為負(fù)極性的調(diào)節(jié)過程當(dāng)無功電流期望值iq*為負(fù)極性時(shí)，即為感性無功電流期望值，若實(shí)際的無功電流iq（亦為負(fù)極性）與iq*相等，AQR調(diào)節(jié)器的輸入為i=iq*-iq=0,其輸出upm為穩(wěn)定的正極性值，與其對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓up的基波幅值小于電源電壓幅值，電抗器上的壓降為正極性，iA比電源電壓uA滯后90。若iq*（負(fù)極性）增加，則AQR的輸入i=iq*-i0,upm增加，調(diào)制電壓基波幅值增加，電抗器上的壓降減小，滯后的無功電流iq減小，直到新的穩(wěn)定狀態(tài)iq=i

12、q*，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。當(dāng)iq*=0時(shí)，iq=iq*=0，但此時(shí)AQR的輸出并不等于零，與此值對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓up的基波幅值與電源電壓幅值相等，電抗器上的工頻壓降為零。（2） 無功電流期望值iq*為正極性的調(diào)節(jié)過程在iq*、iq、upm均為穩(wěn)定值時(shí)，iq*=iq，與upm對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓up的基波幅值比電源電壓高，電抗器上的壓降為負(fù)極性，iA比電源電壓超前90。若iq*（正極性）增加，則AQR的輸入i=iq*-i0,經(jīng)AQR使upm增加（見圖6），調(diào)制電壓up的基波幅值增加，電抗器上的壓降（負(fù)極性）增加，超前的無功電流增加，直到新的穩(wěn)定狀態(tài)iq=iq*，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。若iq*（正極性）減小，則AQR的

13、輸入i0,經(jīng)AQR使upm減小，即調(diào)制電壓up的基波幅值減小，電抗器上的壓降（負(fù)極性）減小，超前的無功電流減小，直到新的穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。圖6 三相H橋串聯(lián)的SVG控制結(jié)構(gòu)3、 系統(tǒng)仿真與分析為了驗(yàn)證圖6給出的H橋串聯(lián)SVG的控制結(jié)構(gòu)是否正確，本文用MATLAB仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真。3.1 仿真系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)（1）采用3個(gè)H橋串聯(lián)；（2）直流側(cè)濾波電容為1000uF；（3）交流側(cè)串聯(lián)電抗器的電感量為2mH，含直流電阻0.01；（4）SVG啟動(dòng)時(shí)，每相交流回路串10電阻，起動(dòng)之后將電阻短接；（5）A相交流電壓有效值2000V;（6）無功電流期望值iq*為正極性50A。圖7 A相交流電壓uA

14、與電流iA過渡過程波形3.2 仿真結(jié)果與分析（1）網(wǎng)側(cè)A相交流電壓uA與電流iA波形圖7給出了網(wǎng)側(cè)A相交流電壓uA與電流iA在SVG起動(dòng)過程與穩(wěn)態(tài)時(shí)的過渡過程波形。受串聯(lián)10電阻的限流作用，在整個(gè)起動(dòng)過程中，iA幾乎都小于200A(有效值）。起動(dòng)初期，直流側(cè)電容兩端電壓比較低，電阻和電感上的壓降比較大，故電流iA的幅值比較大。隨著直流側(cè)電容上的壓降上升，調(diào)制電壓up的基波幅值升高，電阻上的壓降下降，iA幅值減小。由后圖8（c）可知，在0.3秒之前，單個(gè)H橋的電容兩端的電壓ud已達(dá)到1200V,調(diào)制電壓見圖8（b）up的幅值已很高，電阻電感上的壓降很小，故iA幅值很小。在0.3秒時(shí)，串聯(lián)的10電

15、阻被切除，網(wǎng)側(cè)電流iA未有明顯變化，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，iA的相位超前于uA90，iA的幅值約為40A。根據(jù)iA、iB、iC合成空間電流矢量的概念，iA的有效值為29A(),合成的空間電流矢量的幅值為50A（)。由于ip=0A,故iq=50A。（2） 網(wǎng)側(cè)電流無功分量iq、有功電流ip波形圖8（a）給出網(wǎng)側(cè)電流無功分量iq、有功電流id的過渡過程波形。在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，id=0A,iq=50A.由于交流回路的電阻為0.01，29A的相電流有效值產(chǎn)生的損耗不到10w，故電流的有功分量id=0A。Iq=50A,與iq*相等，達(dá)到了iq*的要求。這說明SVG閉環(huán)控制系統(tǒng)是無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。（3）

16、調(diào)制電壓up波形圖8（b）為3個(gè)H橋串聯(lián)的調(diào)制電壓up波形，含七個(gè)電平：即+3600V、+2400V、+1200V、0V、-1200V、-2400V、-3600V。（4） 直流側(cè)電壓ud波形圖8（c）為一個(gè)H橋的直流電壓ud波形，穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud約為1200V，且紋波很小。這說明無需直流側(cè)電壓閉環(huán)，仍然保持它的穩(wěn)定。（5） 流經(jīng)電容的電流ic波形圖8（d）為流經(jīng)電容的電流ic波形。ic極性為負(fù)說明對(duì)電容C充電，ic為正極性時(shí)說明電容器放電。當(dāng)ud偏低時(shí)，ic的平均值為負(fù)，為充電趨勢(shì)。當(dāng)ud偏高時(shí)，ic的平均值為正，為電容放電趨勢(shì)。當(dāng)ic的平均值為零時(shí)，說明電容器兩端的平均電壓穩(wěn)定不變，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)

17、。由上所述，圖6給出的控制結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋串聯(lián)SVG的無功電流的控制，跟隨性能良好，且未附設(shè)直流電源。（a）、波形（b）調(diào)制波形(c) 直流側(cè)電容電壓（d）直流側(cè)電容電流波形圖8 過渡過程波形4、 結(jié)論1） 對(duì)于煤礦電網(wǎng)使用的H橋串聯(lián)的SVG系統(tǒng)，用電容代替附加直流電源是可行的，對(duì)無功電流的控制沒有影響。這樣可以簡化主電路，降低SVG裝置的造價(jià)。2） 經(jīng)仿真驗(yàn)證，圖6給出的三相H橋串聯(lián)的SVG的控制結(jié)構(gòu)正確可行?？刂平Y(jié)構(gòu)的幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)為： （1）采用三角載波移相的脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多電平逆變器能有效減少網(wǎng)側(cè)電流的諧波分量。 （2）三相正弦參考信號(hào)的相位取決于網(wǎng)側(cè)A相電源電壓的相位角。 （3）三相正弦參考信號(hào)的幅值取決于