sacom系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)及仿真研究

sacom系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)及仿真研究

近年來(lái)，非線性能源裝置，尤其是能源電子裝置，在電氣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，許多能源電子裝置的功率較低，工作期間的基波電流低于電網(wǎng)的電壓，因此需要大量的無(wú)功率，這也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)額外的負(fù)荷，影響供電質(zhì)量。因此，提高供電效率是能源電子技術(shù)和能源系統(tǒng)科學(xué)研究所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，引起了越來(lái)越多的人的關(guān)注。為了建設(shè)節(jié)能社會(huì)，提高供電質(zhì)量，必須研究新型高效補(bǔ)償裝置，這是國(guó)內(nèi)外能源系統(tǒng)中的中心主題之一。無(wú)功補(bǔ)償電容器、并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、飽和電抗器(簡(jiǎn)稱SR),都是早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置,靜止同步補(bǔ)償器STATCOM(StaficSynchronousCompensator)和傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置相比具有運(yùn)行范圍大、響應(yīng)速度快、儲(chǔ)能元件容量小、控制靈活,能對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行雙向動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,而成為現(xiàn)代靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究的熱點(diǎn).國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)STATCOM的控制方法的研究主要有電流間接控制、電流直接控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制、差拍控制等,對(duì)STATCOM電流檢測(cè)技術(shù)的研究主要有傅立葉和FFT算法自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換法、瞬時(shí)無(wú)功功率法.本文采用在瞬時(shí)無(wú)功功率理論基礎(chǔ)上改進(jìn)的id-iq法并驗(yàn)證其優(yōu)越性,采用電流間接控制的雙環(huán)控制方法.外環(huán)控制為直流側(cè)電容電壓控制,內(nèi)環(huán)控制采用電流控制,調(diào)制方法采用PWM調(diào)制,在此基礎(chǔ)上搭建STATCOM的仿真模型并仿真在感性容性和變化負(fù)載時(shí)的補(bǔ)償效果圖.1statcom電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.1statcom結(jié)構(gòu)STATCOM的主電路一般分為兩類:電壓型橋式電路和電流型橋式電路.在本文中的STATCOM是指采用運(yùn)行效率高的電壓型橋式電路作為其動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置.STATCOM的結(jié)構(gòu)由3部分組成:連接電抗器,其作用是濾除逆變器輸出電壓中可能存在的高次諧波,另外還起到將變流器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)這兩個(gè)交流電壓源連接起來(lái)的作用;電壓型逆變器,其交流側(cè)輸出接入電網(wǎng).它由三對(duì)橋臂并聯(lián)組成,每對(duì)橋臂串聯(lián)兩只IGBT功率開(kāi)關(guān)管,每只IGBT管反并聯(lián)一個(gè)快速恢復(fù)二極管,起到續(xù)流的作用,開(kāi)關(guān)器件的通斷通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制,使得電容器上的直流電壓變換為具有一定幅值和頻率的交流電壓;直流側(cè)電容,其主要作用是為裝置提供一個(gè)電壓支撐.1.2statcom工作原理STATCOM的工作原理是將自換相橋式電路通過(guò)連接電抗器或者直接并聯(lián)接在電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側(cè)的電流,就可以使該電路發(fā)出或者吸收滿足要求的無(wú)功電流,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?STATCOM的工作原理可以用如圖2所示的單相等效電路圖來(lái)表示.電網(wǎng)電壓用向量˙UU˙S表示,STATCOM輸出的交流電壓用˙UU˙I表示,電抗器X上的電壓˙UL就是˙US和˙UI的向量差,STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流用˙Ι表示,如圖2所示,當(dāng)˙UI大于˙US時(shí),電流超前于電網(wǎng)電壓90°,STATCOM向系統(tǒng)提供無(wú)功功率;當(dāng)˙UI小于˙US時(shí),電流滯后于電網(wǎng)電壓90°,STATCOM從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率.2脈沖觸發(fā)電路STATCOM的控制系統(tǒng)主要由參考電流檢測(cè)、控制方法、脈沖觸發(fā)3部分構(gòu)成.STATCOM的工作性能很大程度上取決于對(duì)參考電流的實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的檢測(cè).控制方法是對(duì)檢測(cè)值和給定參考值進(jìn)行處理,從而得到控制信號(hào)來(lái)控制STATCOM裝置的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能.脈沖觸發(fā)電路是根據(jù)控制算法部分輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖以驅(qū)動(dòng)功率器件工作.2.1基于改進(jìn)的id-icp檢測(cè)算法的仿真分析瞬時(shí)無(wú)功功率理論,是以瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q的定義為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算得到瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的補(bǔ)償電流檢測(cè)方法與其他方法相比,在實(shí)現(xiàn)的難易程度和檢測(cè)性能上具有優(yōu)越性.在三相電路的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用,瞬時(shí)無(wú)功功率理論不但適用于正弦波情況下,也適用于非正弦波的瞬時(shí)有功和無(wú)功功率.傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如圖3所示,需要用到與a相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號(hào)sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cosωt,它們由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到.從系統(tǒng)獲得負(fù)荷側(cè)的三相電壓和電流值,并分別對(duì)其進(jìn)行abc三相坐標(biāo)變換到αβ兩相坐標(biāo)后,求出在dq坐標(biāo)下的電流值,經(jīng)低通濾波器得到的直流分量值,由αβ反變換即可計(jì)算出被檢測(cè)電流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf,再與被檢測(cè)電流相減即可以得到諧波和無(wú)功電流iah、ibh、ich.傳統(tǒng)的檢測(cè)算法的推導(dǎo)前提是電網(wǎng)電壓平衡且為正弦,電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),檢測(cè)負(fù)載電流中的基波有功電流和基波無(wú)功電流時(shí)有檢測(cè)誤差.本文在傳統(tǒng)的檢測(cè)法基礎(chǔ)上,提出了一種新的檢測(cè)方法如圖4所示,其基本思想就是利用虛擬對(duì)稱三相系統(tǒng)的合成電壓矢量來(lái)形成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系這一思路,該方法不需要鎖相環(huán),消除了PLL產(chǎn)生的不利影響,且在電網(wǎng)電壓不平衡條件下能夠?qū)崿F(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓基波正序頻率的變化.如下圖所示諧波和無(wú)功電流檢測(cè)法.為了驗(yàn)證本章所提出檢測(cè)方法的正確性和有效性,在Matlab/simulink仿真環(huán)境下,在電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用改進(jìn)的id-iq檢測(cè)方法對(duì)電流的檢測(cè)做了仿真分析,仿真結(jié)果如圖5所示.通過(guò)圖5對(duì)比可以看出,當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),無(wú)虛擬對(duì)稱三相系統(tǒng)構(gòu)造電路檢測(cè)法檢測(cè)出的基波正序有功電流中仍含有負(fù)序和諧波分量,其值要大于采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法所得到的基波正序有功電流,這表明當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí),無(wú)虛擬對(duì)稱三相系統(tǒng)構(gòu)造電路檢測(cè)法不能精確地檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流.而采用本文所改進(jìn)的檢測(cè)方法,檢測(cè)效果有明顯改善,證明了本文所提出的改進(jìn)的檢測(cè)方法的正確性和有效性.2.2與配合控制電流間接控制,就是將STATCOM當(dāng)作交流電源來(lái)看待,通過(guò)控制STATCOM裝置中逆變器所產(chǎn)生的交流電壓基波的相位和幅值,來(lái)間接控制STATCOM交流側(cè)電流.本文采用δ角和θ角配合控制,即控制δ角(即控制STATCOM交流側(cè)輸出電壓相對(duì)于系統(tǒng)電壓的相角差)的同時(shí),配合控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通角,從而調(diào)節(jié)STATCOM交流側(cè)輸出電壓的幅值.這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,對(duì)裝置的運(yùn)行有利,而且動(dòng)態(tài)性能更好.在間接控制方法中為了提高控制精度和響應(yīng)速度,δ與θ配合控制方法引入了STATCOM吸收的無(wú)功和有功電流的反饋控制,其控制框圖如圖6所示.3statcom模擬與分析3.1交流側(cè)電容的確定整個(gè)系統(tǒng)分為3部分:主電路、測(cè)量電路和控制器部分.主電路主要由三相電壓源、連接電抗器、三相橋式電壓源型逆變器、直流側(cè)電容以及三相負(fù)載組成,其中交流側(cè)的三相負(fù)載可以通過(guò)斷路器投切來(lái)模擬其動(dòng)態(tài)變化情況.電網(wǎng)相電壓峰值:Us=925V;頻率均為50Hz;相位根據(jù)三相對(duì)稱依次設(shè)為0°、-120°、120°;直流側(cè)電容電壓給定值Udc=2350V;直流側(cè)電容值C=1350μF;交流側(cè)連接電感值L=4.10mH;裝置額定無(wú)功功率為400kVar.3.2模擬結(jié)果分析3.2.1電容電壓調(diào)節(jié)模塊tp-ssc圖7(a)為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形,圖7(b)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形,通過(guò)比較可以看出,投入裝置前,由于系統(tǒng)所帶的三相負(fù)載為感性負(fù)載,需要從電網(wǎng)側(cè)吸收感性無(wú)功,致使系統(tǒng)電流滯后于系統(tǒng)電壓,功率因數(shù)很低;在投入STATCOM裝置之后,裝置輸出滯后于系統(tǒng)電壓90°的無(wú)功電流,提供了負(fù)載所需要的感性無(wú)功電流,STATCOM裝置投入運(yùn)行后,負(fù)載所需要的無(wú)功電流不必由電源提供而由STATCOM裝置提供.大約在半個(gè)周期后,系統(tǒng)電流和電壓同相位,系統(tǒng)電流變?yōu)榧冇泄﹄娏?圖7(c)為直流側(cè)電容電壓波形圖,可以看出0.02s后,電壓幅值穩(wěn)定在給定值2350V附近,說(shuō)明了電容電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)直流電壓的穩(wěn)定作用;圖7(d)為無(wú)功電流的跟蹤效果圖,無(wú)功電流給定值為0,補(bǔ)償效果說(shuō)明電壓和電流環(huán)的跟蹤效果都是良好的.3.2.2電容電壓調(diào)節(jié)模塊t圖8(a)為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形,圖8(c)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形.通過(guò)比較可以看出,由于三相負(fù)載為容性負(fù)載,在投入STATCOM裝置前,需要系統(tǒng)提供容性無(wú)功來(lái)滿足運(yùn)行要求,致使系統(tǒng)電流超前于電網(wǎng)側(cè)電壓,功率因數(shù)很低,僅為0.60.圖8(b)為投入裝置后,裝置輸出超前于系統(tǒng)電壓90°的無(wú)功電流,提供了負(fù)載所需要的容性無(wú)功電流.大約在半個(gè)周期后,功率因數(shù)為1,如圖8(d)所示.系統(tǒng)電流和電網(wǎng)側(cè)的電壓同相位,也就是說(shuō)系統(tǒng)電流變?yōu)榧冇泄﹄娏?并且電流幅值也明顯減小.圖8(e)為直流側(cè)電容電壓波形圖,可以看出,電壓幅值穩(wěn)定在給定值2350V附近,說(shuō)明了電容電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)直流電壓的穩(wěn)定作用;圖8(f)為無(wú)功電流的跟蹤效果圖,無(wú)功電流給定值為0,補(bǔ)償效果說(shuō)明兩個(gè)控制環(huán)的跟蹤效果良好.3.2.3感性無(wú)功系統(tǒng)圖9(a)為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形,圖9(b)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形,圖9(c)為電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM產(chǎn)生的電流的波形.通過(guò)比較可以看出,在0.1s時(shí)刻前,由于負(fù)載為感性,需要系統(tǒng)提供感性無(wú)功,裝置輸出滯后于系統(tǒng)電壓90°的無(wú)功電流,系統(tǒng)電流和電網(wǎng)側(cè)電壓同相位,其變?yōu)榧冇泄﹄娏?而且可以看出,電流的幅值明顯減小了.在0.1s時(shí)刻,將負(fù)載由感性狀態(tài)切換到容性狀態(tài),可以看出,裝置輸出的電流也很快由感性電流變?yōu)槿菪噪娏?經(jīng)過(guò)不到一個(gè)周期的過(guò)渡時(shí)間,系統(tǒng)的電流依然是純有功電流.圖(d)為直流側(cè)電容電壓波形圖,在t=0.1s時(shí),由于負(fù)載的性質(zhì)發(fā)生了變化,直流側(cè)電壓有一個(gè)小擾動(dòng),但是經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡過(guò)程后,其電壓穩(wěn)定在給定值2350V附近.圖(e)和(f)為有功電流和無(wú)功電流的跟蹤效果圖.在0.1s前,STATCOM投入運(yùn)行,負(fù)載為感性;在0.1s時(shí)刻,裝置仍舊運(yùn)行,只是將負(fù)載由原來(lái)的感性變?yōu)槿菪载?fù)載.4電壓不平衡時(shí)stat國(guó)際仿真本文在id-iq檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),該方法利用單相電網(wǎng)電