基于vsi的svg直接功率控制

基于vsi的svg直接功率控制

1gm技術(shù)在新的領(lǐng)域大有可為近年來，能源系統(tǒng)中的忽視和聲波問題日益突出。能源系統(tǒng)的無聲補(bǔ)償和波形抑制已成為國內(nèi)外的研究熱點之一。靜止無功發(fā)生器SVG又稱為靜止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator—STATCOM)或靜止同步調(diào)相機(jī)(staticsynchronouscondensor—STATCON),是柔性交流輸電設(shè)備的重要成員之一。它具有實時向電力系統(tǒng)注入感性或容性無功功率、支撐網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓、阻尼系統(tǒng)振蕩、補(bǔ)償高次諧波等功能,引起了國內(nèi)外研究與工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)研制成功以及正在運(yùn)行的SVG所使用的功率器件大多為GTO,電壓及容量較小的配電系統(tǒng)用SVG(D-STATCOM)使用IGBT。德國西門子公司已生產(chǎn)出用于高電壓的IGBT,電壓可達(dá)到5000V以上;日本東芝公司于1993年開發(fā)研制出的IEGT(電子注入增強(qiáng)門極晶體管)已經(jīng)形成商用產(chǎn)品,其額定參數(shù)可達(dá)到4.5kV/3000A;ABB公司于1996年開發(fā)研制出了IGCT(集成門極換向晶閘管),開通、關(guān)斷時間與開關(guān)損耗進(jìn)一步減小(關(guān)斷時間小于5μs),目前IGCT的額定參數(shù)可達(dá)到10kV/4500A/20kHz,而且可在無關(guān)斷吸收電路條件下工作。目前人們正在對碳化硅和金鋼石等禁帶很寬、擊穿電場很高、同時又具有高熱導(dǎo)率的新型半導(dǎo)體材料進(jìn)行不斷探索與研究,并已獲得了初步成果。將此類新型電力電子功率器件用于SVG中,替代原先的GTO,開關(guān)頻率提高、裝置損耗降低、體積減小、運(yùn)行效率提高、使PWM技術(shù)在中壓中小容量SVG中的直接應(yīng)用成為可能。西南交通大學(xué)與貴州工業(yè)大學(xué)研制的SVG,以及清華大學(xué)研制的三電平D-STATCOM(配電用STATCOM)均直接采用了PWM控制技術(shù)。在中小容量SVG的場合,應(yīng)用多重化技術(shù)的SVG裝置結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜,占地面積大,功率密度小,成本較高,而直接采用PWM控制技術(shù)的SVG裝置可以克服上述缺點,同時省去了多重化變壓器,避免了由于多重化變壓器的非線性磁飽和引起的過電流,而且可以將研究成熟的多種三相PWM變流器控制方法(如相幅控制、滯環(huán)電流控制、三角波比較電流控制、空間矢量控制、直接功率控制等)直接運(yùn)用于SVG裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中。2在三相vsi的6kv200kvapwmsv的主電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計中2.1svd工作原理基于三相VSI的6kV±200kVAPWM型SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖中:TA為電流互感器;TV為電壓互感器;T為整流變壓器;L為平波電抗器;T1～T6為主功率器件;C為電力電容器;QS為隔離開關(guān);QF為真空斷路器;ControlSystem為控制系統(tǒng)。SVG的工作過程簡述如下:控制器根據(jù)實時檢測到的接入點系統(tǒng)電壓uabc、補(bǔ)償前負(fù)載電流iLabc,計算出需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率瞬時值,作為指令信號;根據(jù)接入點電壓uabc與SVG實際注入電流iLabc,計算出SVG注入電網(wǎng)的無功功率瞬時值,作為反饋信號;將指令信號與反饋信號進(jìn)行比較,并結(jié)合直流側(cè)電容電壓,根據(jù)一定的控制算法產(chǎn)生六路PWM控制信號,再經(jīng)過光電隔離與功率放大,控制T1～T6的開通與關(guān)斷,在變流器的交流側(cè)生成基波為工頻50Hz的SPWM波;經(jīng)過平波電抗器L濾除高次諧波,得到相位與幅值可調(diào)的基波正弦電流,從而產(chǎn)生相位與幅值可調(diào)的三相電流,實現(xiàn)電力系統(tǒng)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。2.2濾波過濾系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計整流變壓器T的作用主要有三個:一是在容量一定的情況下降低裝置及IGCT、直流側(cè)電容器上的電壓等級,提高裝置電流,以充分合理地利用IGCT的額定電壓、電流容量;二是利用整流變壓器的漏抗作為濾波電抗器的一部分,起到一定的濾除網(wǎng)側(cè)電壓與電流諧波的作用;三是在SVG裝置容量一定的情況下,可以成變壓器變比平方倍地減小平波電抗器的電感值。整流變壓器的參數(shù)設(shè)計如下:SN=200×1.2=240kV·A,U1N=6kV,U2N=600V,K=10,I1N=24A,I2N=144A,連接方式為Y/D0。需要特別指出的是,必須選用具有一定漏抗值的整流變壓器,其漏抗值將在平波電抗器設(shè)計一節(jié)確定。2.3u2009dv產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中a、c、e的關(guān)系平波電抗器L的作用主要有五個:濾除SVG交流側(cè)PWM電壓與電流諧波;減小因高頻諧波電流引起的整流變壓器的磁滯與渦流損耗;承受電網(wǎng)電壓與SVG網(wǎng)側(cè)基波電壓的向量差,形成超前或滯后系統(tǒng)電壓的電流,從而實現(xiàn)向系統(tǒng)注入無功功率的功能;使SVG控制系統(tǒng)獲得一定的阻尼特性,從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;抑制主功率器件IGCT開通過程中的電流上升率di/dt。平波電抗器電感的取值不僅影響到SVG的動、靜態(tài)性能,而且制約著SVG的容量、功率因數(shù)以及直流側(cè)電容電壓的大小。首先為滿足SVG的輸出無功功率與調(diào)節(jié)性能的要求,降落在平波電抗器上的電壓最多為相電壓的30%。其次為滿足SVG注入電網(wǎng)電流波形的品質(zhì)要求,電感值應(yīng)盡可能大。因此,由第一個條件確定電感的上限值,由第二個條件確定電感的下限值。首先根據(jù)第一個條件確定平波電抗器電感的上限值。即L≤0.3U2ΝΙgΝω(1)L≤0.3U2NIgNω(1)式中:U2N為整流變壓器二次側(cè)相電壓,即600V;IgN=SN/(3U2N)=200000/3/600=111.1A為整流變壓器二次側(cè)額定相電流;ω為基波工頻角頻率。計算得到電感的上限值為5.16mH。根據(jù)第二個條件確定平波電抗器電感的下限值。即L≥|(usa-Ria-23Udc)(usa-Riam)ΤsΔigmax(2usa-2Riam-23Udc)|(2)L≥|(usa?Ria?23Udc)(usa?Riam)TsΔigmax(2usa?2Riam?23Udc)|(2)式中:Ts為PWM開關(guān)周期,當(dāng)采用SPWM時即為三角載波周期,當(dāng)f=1600Hz時,Ts=1/fs=0.625ms;Udc為直流側(cè)電容電壓,當(dāng)SVG發(fā)出容性無功時取為2800V,發(fā)出感性無功時取為500V;R為SVG損耗的交流側(cè)等效電阻R=0.05SΝ3Ι2gΝ=0.05×2000003×111.12=0.2701ΩΔigmax=ΤΗD×Ιgm=5%×157.1=7.86A;iam=Ιgm=√2ΙgΝ=157.1ASVG一般運(yùn)行于容性或感性無功狀態(tài),即電流超前或滯后電壓約90°,因此當(dāng)電流處于峰值時刻時,相電壓瞬時值正好處于零處,即usa=0。將各變量的值代入式(2),并計算得到電感的下限值在發(fā)出容性無功時為3.35mH,在發(fā)出感性無功時為3.11mH,故電感的取值范圍為3.11mH≤L≤5.16mH,取5mH,并且此電感由整流變壓器與平波電抗器共同分擔(dān)。最后確定整流變壓器的漏感值為1.5mH,平波電抗器的電感值為3.5mH。2.4電容下限值的確定首先為滿足SVG的動態(tài)特性,電容器的取值應(yīng)盡可能小,其次為保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定,電容器的取值則應(yīng)盡可能大。因此,可由第一個條件確定電容的上限值,由第二個條件確定電容的下限值。首先根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)性能要求設(shè)計電容的上限值。將裝置上電時電容器充電的動態(tài)過程等效為恒壓源為RC串聯(lián)支路充電,要求在規(guī)定時間內(nèi)使電容電壓達(dá)到穩(wěn)定值,經(jīng)推導(dǎo)得到C≤tr0.74R(3)式中:tr為直流側(cè)電容電壓上升到穩(wěn)定值所需的上升時間;R代表SVG裝置損耗的直流側(cè)等效電阻。設(shè)要求上電時在六個工頻周期內(nèi)直流側(cè)電容電壓從零上升到穩(wěn)定值,即tr=0.12s,設(shè)裝置損耗為裝置容量的5%,即R=U2dc5%×SΝ=170025%×200000=289Ω,則根據(jù)式(3)求得電容的上限值為561μF。然后根據(jù)直流側(cè)電容電壓的紋波要求設(shè)計電容的下限值。為C≥Udc2ΔUdcRdc(4)式中:ΔUdc為直流側(cè)電容電壓最大波動幅值;Rdc為直流側(cè)負(fù)載電阻。由于SVG直流側(cè)無負(fù)載電阻,故Rdc=∞,因此理論上電容器下限值為0。綜合考慮以上各個因素,將直流側(cè)電容值確定為470μF。3直接功率控制svd基于瞬時無功功率理論的SVG直接功率控制方式(directpowercontrol—DPC)原理框圖見圖2。它應(yīng)用了瞬時無功功率理論與PWM電流跟蹤控制技術(shù),參與反饋控制的不是SVG的三相網(wǎng)側(cè)電流,而是SVG注入電力系統(tǒng)的瞬時有功功率與瞬時無功功率,因此稱其為直接功率控制。它實現(xiàn)了瞬時功率與直流側(cè)電容電壓的雙閉環(huán)控制。圖中:ua、ub、uc為經(jīng)圖1中的電壓互感器檢測到的接入點系統(tǒng)三相電壓瞬時值;iLa、iLb、iLc為經(jīng)圖1中的電流互感器TA1檢測到的負(fù)載電流;iSa、iSb、iSc為經(jīng)圖1中的電流互感器TA2檢測到的SVG網(wǎng)側(cè)電流;qL為利用檢測到的三相瞬時電壓、電流信號,應(yīng)用瞬時功率理論計算得到的待補(bǔ)償瞬時無功功率;pR為有功功率給定值,用于補(bǔ)償裝置有功損耗與維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定;pS、qS為SVG實際注入電網(wǎng)的瞬時有功功率與無功功率。為了維持直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定,并使其與功率具有相同的量綱,以便于進(jìn)行比較控制,將udc經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)后與原信號相乘,再送入瞬時有功功率通道,瞬時有功功率與瞬時無功功率的誤差值經(jīng)過PI控制器后,進(jìn)行pq逆變換,得到三相指令電流值,然后利用SPWM調(diào)制控制方法產(chǎn)生三相上橋臂驅(qū)動信號Sa、Sb、Sc,經(jīng)反向得到三相下橋臂驅(qū)動信號S′a、S′b、S′c,再經(jīng)隔離放大后控制SVG的功率開關(guān)管T1～T6的開通與關(guān)斷。圖2中用pq變換以及pq逆變換,得{p=uαiα+uβiβ=uaia+ubib+ucicq=uβiα-uαiβ=1√3[(ub-uc)ia+(uc-ua)ib+(ua-ub)ic](5)[i*ai*bi*c]=C-1αβC-1pq[pq]=1u2CΤαβCpq[pq](6)其中CΤαβ=√23[1-12-120√32-√32]Τ=√23[10-12√32-12-√32]Cpq=[uαuβuβ-uα]由此可見,直接功率控制方式具有如下優(yōu)點:1)以瞬時有功功率與無功功率作為比較反饋控制量,用PWM電流跟蹤控制技術(shù),使SVG控制更直接,有利于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度與控制性能。2)無需專門的無功電流檢測系統(tǒng),避免了變換所需要鎖相環(huán)、同步信號以及復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算。所用pq變換只是乘積與求和運(yùn)算,特別適合于DSP編程。大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,降低了硬件與軟件的實現(xiàn)難度,同時提高了系統(tǒng)的控制精度。3)系統(tǒng)為三相正弦對稱時,參與比較控制的瞬時功率值仍為直流量,便于信號處理與控制。4pi控制器參數(shù)設(shè)計根據(jù)上述SVG主電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)以及圖2所示直接功率控制方式,在Matlab/Simulink&PSB仿真環(huán)境下建立的SVG系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。圖中的6kV電力系統(tǒng)帶有600kW有功負(fù)載、200kVar感性無功負(fù)載與200kVar容性無功負(fù)載,Line為15km的電力傳輸線,B1、B2、B3為系統(tǒng)母線檢測點,Breaker為斷路器。SVG的主電路由整流變壓器T、平波電抗器L、PWM電壓型變流器Converter以及直流側(cè)電容器C組成,主功率器件采用IGBT,主電路參數(shù)設(shè)置如圖中所示。Controller為控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖2所示,其參數(shù)設(shè)置為PR=0.13,電容電壓通道比例系數(shù)P=0.8×10-10,PI控制器的Kp=4,Ki=500,PI控制器的參數(shù)設(shè)計可參考文獻(xiàn),三角載波頻率取1600Hz,Viewer為測量模塊。采用PowerGui模塊與離散仿真方法,步長Ts設(shè)置為2×10-6s,仿真時間設(shè)置為0～0.6s,兩個斷路器均在0.3s時刻動作,切除感性無功負(fù)載,投入容性無功負(fù)載。電壓、電流與瞬時功率的仿真波形如圖4、5所示,圖中各量均采用了標(biāo)么值(p.u.)。圖4中自上而下分別為補(bǔ)償前、SVG注入電網(wǎng)與補(bǔ)償后的A相電壓ua與ia電流波形,此處僅取過渡過程前后的波形細(xì)部。圖5所示的分別為系統(tǒng)補(bǔ)償前、SVG注入電網(wǎng)與補(bǔ)償后的瞬時有功功率p與無功功率q波形。圖6所示的為直流側(cè)電容電壓波形。由圖可見,在0～0.3s時間段,電網(wǎng)帶600kW/200kVar感性負(fù)載,補(bǔ)償前母線B2處的電流明顯滯后于電壓。直流側(cè)電容經(jīng)過充電后電壓基本穩(wěn)定2800V,經(jīng)過檢測與控制,SVG向系統(tǒng)注入200kVar容性無功功率,母線B3處的電流滯后于電壓近90°。補(bǔ)償后母線B1處的電流與電壓同相,瞬時無功功率q為零,使系統(tǒng)實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行,電流幅值減小。在0.3～0.6s時間段,電網(wǎng)帶600kW/-200kVar容性負(fù)載,過渡過程結(jié)束后直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在500V,補(bǔ)償原理與補(bǔ)償過程與上文相同,此處不再贅述。由此說明基于直接功率控制方式的SVG具有優(yōu)良的靜態(tài)補(bǔ)償效果。在0.3s時刻,兩個斷路器均動作,切除感性無功負(fù)載,投入容性無功負(fù)載,經(jīng)過檢測與控制,SVG從發(fā)出200kVar容性無功功率自動切換到發(fā)出200kVar感性無功功率,直流側(cè)電容電壓由2800V降到500V。由圖4、5、6可見,過渡過程可以在80ms以內(nèi)完成。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)PI控制器的參數(shù),可以獲得較好的動態(tài)性能。另外,直流側(cè)的電容大小也影響系統(tǒng)動態(tài)特性:當(dāng)電容值較大時,響應(yīng)時間長,