動態(tài)無功補償控制算法

動態(tài)無功補償器的控制算法摘要：針對無功動態(tài)補償問題，通過分析單相系統(tǒng)結構原理，提出一種新型的基于直流側電容電壓控制和系統(tǒng)無功電流反饋控制的算法，直接對裝置輸出的電流進行控制，避開監(jiān)測有功和無功電流分量的繁瑣過程，簡化了監(jiān)測諧波的過程。所提出算法的控制目標是使補償裝置發(fā)出的電流為系統(tǒng)的無功電流，該算法包括電流和電壓2個反饋環(huán)。電流環(huán)采用滯環(huán)比較的方式，將計算得到的目標電流和補償裝置實際輸出的電流進行閉環(huán)比較；電壓環(huán)采用周期控制思想。通過說明直流側電壓和變流器兩側功率傳輸?shù)年P系，推導出損耗電流與直流側電壓的變化關系公式;提出損耗有功電流和負荷無功電流的計算方法，以及直流側電壓的控制策略;數(shù)值仿真計算和動態(tài)模擬實驗結果表明該算法無功補償效果良好。關鍵詞：控制算法；直流側電壓控制；損耗電流；無功電流；仿真Abstract：Comparisonbetweensimulativeandrecordeddataofshort-circuitcurrentAbstract:thesimulativeresultsandtheactualrecordeddataofashort-circuitfaultinpowergridarecompared.Itshowsthattheyarematchedwellwithsmallerror,whichconsistedofthewaverecordingerrorandthesimulativecalculation.TheformerincludesCTerror,relayprotection(faultrecorder)errorandvirtualvaluecalculationerror.Thelatterincludesoperationmodesimulationerrorandelementparametererror.Thepropercontrolofinfluencingfactors,suchascalculationmethod(basedonpowerflowornot),zero-sequencemutualinductance,lowvoltagesmallgenerators,loadmodels,etc,theerrorcanbecontrolledwithin5%,whichmeansthat,thecurrentshort-circuitcurrentcalculationmethodisadvisable.Keywords：short-circuitcurrent,virtualvalue,instantaneousvalue,simulation,waverecord引言各種非線性、沖擊性裝置的廣泛應用，給電網帶來了大量的諧波和無功功率污染，如何有效地治理諧波和無功功率的污染已經成為一個備受關注的問題。對于一個補償裝置而言，其補償性能決定于諧波及無功電流檢測方法以及補償電流控制方法。這些年，無功諧波電流的檢測方法和補償電流控制算法發(fā)展很快。當前的算法研究中大都采用瞬時無功功率理論或其他檢測方法進行相應的控制，這些方法需要進行大量的數(shù)學運算，對系統(tǒng)的實時性能有一定的影響。文獻［6］中指出在實際系統(tǒng)的負荷電流中含有容性無功分量時，存在著在控制算法中引入正反饋的肯能，從而導致補償效果差及系統(tǒng)電流震蕩?；诖?，本文提出了一種新型的基于直流側電容電壓控制和系統(tǒng)無功電流反饋控制的算法，直接對裝置輸出的電流進行控制，避開了檢測有功和無功電流分量的繁瑣過程，簡化了檢測諧波的過程。該算法針對系統(tǒng)基波無功電流進行補償，載系統(tǒng)基波無功很大，功率因數(shù)較低的情況下，補償效果良好。利用數(shù)值仿真對該算法進行了大量的計算，仿真結果表明，使用該算法對系統(tǒng)進行具有保持系統(tǒng)電流無畸變的優(yōu)點，可以工作在感性區(qū)和容性區(qū)，無功補償范圍廣，穩(wěn)定性能好。系統(tǒng)單相結構圖如圖1所示。圖1中所示系統(tǒng)基波無功很大，功率因數(shù)較低。is為電源電流，iL為負載電流，ic為補償電流，Udc為變流器直流側電容電壓，us為電源電壓，設電網電壓為無畸變正弦波，直接以us的相位為參考相位，變流器交流側電感L上輸出的補償電流ic包含基波有功電流、基波無功電流和諧波電流。所提算法的控制目標是使補償裝置發(fā)出的電流為系統(tǒng)的無功電流。系統(tǒng)電流提供負荷的有功電流分量和補償裝置的損耗等有功電流分量，同時使系統(tǒng)的電流和系統(tǒng)電壓同相位，達到基波功率因數(shù)為1的目標。該算法包含電流和電壓2個反饋環(huán)。電壓環(huán)采用周期控制思想，通過PI調節(jié)控制，與直流側電壓Udc形成負反饋，保持直流側電容電壓為恒定值。電流環(huán)控制采用滯環(huán)比較的方式，將計算得到的目標電流和補償裝置實際輸出的電流進行閉環(huán)比較。國i系統(tǒng)單相結構匪采用周期控制，設電網電壓為無畸變正弦波：u(t)二Usin31負荷瞬時電流如下式："(t)=Isin(31+0)=Isinwt+Icos3t補償目標為電源電流i(t)中只含有基波的有功分量ip(t),即補償后系統(tǒng)電流為i(t)=I；sinwt,從而達到無功補償?shù)哪康?。P由于基波有功電流與基波電壓產生有功功率，其他電流與基波電壓產生無功功率，各功率的計算如下：負荷瞬時功率為p(t)=u(t)i(t)=p+q=IUsinwt+IwL s L LLpsM qUsirwtcosnt瞬時無功功率qL在任一個周期［t0,t0+T內的積分為零，如下式Piidt=ffL&i僉句/coswJj1df=0電源輸出功率為負荷有功功率和補償裝置的損耗功率之和：p(t)二注p=IU sin^wt+IU Xsin231=(I+I)wS LA pL sM pA s pL pAsinwtu(t) s _ 一一補償裝置輸出功率為負荷的無功功率，計算如下所示：p二-p二IU simtcosnt有功電流和無功電流sM即i(t)=i(t)-i(t)=i(t)+i(t),為負荷的無功電流和裝置的損耗電流之和。有功電流為電源側流向補償裝置的損耗電流；無功電流與負荷的無功電流分量大小相同，由補償裝置產生，流向負荷進行無功補償。根據以上原理設計的算法結構圖可以簡單表示為圖2,即計算目標電流i3c中的有功分量和無功分量，以i3c為目標電流與采集到的系統(tǒng)補償電流［進行比較，作為電流滯環(huán)控制的輸入，進行滯環(huán)電流比控制算法結構圖算法的關鍵部分在于直流側電壓控制和對目標電流i3c的求取，由以上分析可知，主要在于求出補償?shù)臒o功電流iq(t)和裝置的需補償?shù)挠泄﹄娏鱥pA(t),有功電流又分為2部分：損耗電流和動態(tài)時直流側電容電壓充放電電流。其中，通過對電容電壓的周期變化進行PI變換，得到需要補償?shù)挠泄﹄娏?，通過對采樣進行周期控制，保證在電網電壓過零時刻發(fā)生變化，使得電網電壓和電流畸變較小。無功計算部分包含了sin?信息(。為基波電流超前系統(tǒng)電壓的電角度)，它表明了系統(tǒng)中負荷電流含有的是感性分量還是容性無功分量及無功分量含量大小，將無功計算結果直接作用于無功補償設備發(fā)出的電流信號，因此系統(tǒng)電流為感性或容性時均可以得到有效的補償。算法設計直流側電壓控制按照PWM控制規(guī)律，要有效地對系統(tǒng)無功電流進行補償，變流器的直流側電容就必須保持恒定。保持直接側電容電壓恒定是系統(tǒng)控制目標之一。無功功率Ql通過變流器與直流側儲能元件電容C產生能量交換，引起直流側電容電壓波動，但其在一個周期內的積分為零，因此一個無損的無功補償設備系統(tǒng)其直流側電容電壓載一個周期內的周期平均值保持為一個定值。由于電力電子器件開斷不可避免地會消耗能量，有功率的存在將要消耗電容上儲存的能量，似的電容電壓不斷下降，有以上式子可得，實際補償裝置存在的損耗功率在一個周期內的積分不為零，所以會引起電容電壓周期值的變化，即電容電壓周期值的變化反映了逆變器二側有功功率的傳遞。在該算法里對電容電壓進行周期采樣，進行比較，即找出電容電壓的周期值期變化值計算等效的損耗電流，控制有功的傳遞情況，保證直流側電壓穩(wěn)定在某一值附近波動。穩(wěn)態(tài)時直流側電容的電壓如圖3所示。圖3為電容電壓參考值為U卡=ref380V時的真結果圖。圖3(a)表示穩(wěn)態(tài)時的直流側電容電壓；圖3(b)為局部放大圖，從圖中可以到，穩(wěn)態(tài)時直流側電容電壓在固定值附近上下波動，該波動是無功功率的傳遞引起的，波動變化幅度與變流器兩側無功傳遞大小有關。正常運行后，在0.1s時投入大容量無功負荷，直流側電流的變化如圖4所示，可見大量無功負荷投入后，補償裝置輸出的無功電流增加，損耗相應增大，穩(wěn)態(tài)時r> z\TOC\o"1-5"\h\z直流側的電壓穩(wěn)定值下降，電壓波動也有 —— ——400r ky kyAd350-300 ' 1 ' ?0 0.08 0.16 0.24 0.32〃s(a)直流側電容電壓382P80378 1 1 ? ' ? ?0.070.080.090.100.110.120.13〃s(b)局部效果圖圖3直流例I電容電壓的變化Fig.3VariationofDCcapacitorvoltage400r、350TOC\o"1-5"\h\z300 1 ? * ?0 0.08 0.16 0.24 032z/s圖4負荷波動時直流側電壓的變化Fig.4VariationofDCcapacitor |voltagewhenloadfluctuates通過以上分析可得：由于損耗電流的存在電容電壓值會使直流側電壓不斷下降；并且在系統(tǒng)動態(tài)過程中，功率平衡會短時被破壞，電容電壓也發(fā)生波動。通過PI調節(jié)對直流側電壓進行控制，其中比例環(huán)節(jié)使得電容電壓快速接近給定值，積分環(huán)節(jié)用來調節(jié)靜差，使得電容上電壓在給定參考電壓值附近波動，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。直流側電壓的控制框圖如圖5所示。由上圖可以看書，當電容電壓偏高時，ipa就會減小，即有功電流從無功補償裝置側流向系統(tǒng)側。此時系統(tǒng)電流會相應有所減小。反之，當電容電壓偏低時，ipa就會增大即有功電系統(tǒng)側流向無功補償裝置。此時，系統(tǒng)電流會相應有所增大。由此可見，通過調節(jié)，直流側電容電壓的控制形成了負反饋，達到直流側電容電壓始終在某一固定值附近流動的目標。損耗電流的計算由下式可得損耗電流等效幅值Ipa的計算公式：通過上式可得，變流器直流側電容電壓上的變化可以反映損耗電流的大小。通過比例積分環(huán)節(jié)將采樣的電壓比較值修正后可以得到損耗電流的幅值大小。損耗電流與系統(tǒng)電壓同電位，基于二者可以得到系統(tǒng)的損耗電流。由于損耗電流的存在，電容電壓值會在某一個固定值附近，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)結構確定，CUmT都是已知參數(shù)，因此損耗電流的變化與Udc和Udc的大小變化有關，故可以由式（9）確定損耗電流的大小并進行相應的補償，準確地表示這種變化可以控制直流側電壓的穩(wěn)定值變化。無功電流的計算利用三角函數(shù)系的正交性，將系統(tǒng)電壓采樣后延遲1/4周期，得到其相應的弦值us'（t）=UsMcos①（t），與采樣得到的負荷電流相乘，在一個周期積分內平均以提取基波無功電流分量。下面介紹周期平均無功電流的計算。首先計算無功功率周期平均值，用符號q表示。在任意一個周期內，計算公式如下：J Ifq=二如3ift)df=— iXf4血⑶!FgcosAJyd;=—.J*”co扣，＜8瀘rdr=T"帝4=4^sin(1由上式可以得到無功電流幅值為Iq=ILsin。=2q/UsM。實際中，系統(tǒng)電壓經過PLL鎖相環(huán)后，由檢測到的相位可得到us'(t)=cos31，其相位和系統(tǒng)電壓相位相差90°，幅值為1。使用u‘t代替u's(t)可得到更簡潔的結果Iq=2q，從而避免了計算系統(tǒng)電壓的幅值，減小計算量，同時避免系統(tǒng)電壓突變等情況的影響。無功電流的計算框圖如上所示。由上式可以看出，該算法僅僅用了一個延時器，一個乘法器和一個周期平均環(huán)節(jié)就可以得到系統(tǒng)的無功電流分量，結構簡單。數(shù)值仿真與動態(tài)模擬實驗結果在0.08s時投入無功補償裝置，得到仿真結果。在0.08s前為補償前系統(tǒng)電壓和電流，此時，電流相位超前電壓約60度。投入時經過一個小時擾動后，系統(tǒng)電流與電壓波形相位重合無功補償裝置投入的時間直接影響其動態(tài)過程，如選擇在系統(tǒng)電壓過零點處投入，可使動態(tài)過程縮短。0.08s投入補償時系統(tǒng)的電壓和電流采用該算法的樣機裝置投入時的實驗波形如下圖所示。其中錄波器橫坐標為t單位為S。上一波形為系統(tǒng)電壓波形，錄波器下一波形為系統(tǒng)電流波形。

-IDJ i————1 1 1I5J315,16 E土盼LL22IS.25 l^.2BMa檢人運行時我統(tǒng)電.氐七盛維電旗波股10芝10芝fvWVWXA?qSAAA/VWW_|01 J—T ? ? IS29.18529.8?52^8*529.90529W5的朋EW稽定運行時束壕電氏與養(yǎng)短電流波形圖9(a)采用了軟啟動直流電容充電方式，從圖9(a)可以得到，裝置未投入運行時，系統(tǒng)電壓的過零時超前系統(tǒng)電流0.003s，裝換成電角度為喧X36O==5廣Q02cow山=0588從圖9(b)可以得到，當裝置穩(wěn)定運行時，系統(tǒng)電壓幾乎與系統(tǒng)電流同相，通過實際檢測，此時cos@=0.992，無功補償效果良好。