的工作特性及其对不平衡电压的补偿

1、2006年8 月电工技术学报Vol.21 No.8 第21卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2006静止无功发生器在电压不平衡下的工作特性及其对不平衡电压的补偿李旷刘进军王兆安魏标 西安交通大学电气工程学院西安 710049摘要电网电压不平衡对并网的电力电子装置有着十分重要的影响本文详细分析了采用传 统控制方法时静止无功发生器 SVG 在电网电压不平衡下的工作特性为了降低不平衡电压对SVG 的危害及其对负载的影响在SVG 补偿无功的基础上 提出一种多目标补偿控制策略当 电网电压严重不平衡时SVG 就从补偿无功的功能切

2、换到补偿电压不平衡的功能扩展了SVG 的功能 仿真和实验结果验证了该方法的正确性 关键词静止无功发生器电压不平衡基波负序电压电压控制电压源 中图分类号TM761Operation and Control of Static Var Generator forVoltage Unbalance MitigationLi Kuang Liu Jinjun Wang Zhaoan Wei BiaoXian Jiaotong University Xian 710049 ChinaAbstract Voltage unbalance has a great impact on power electr

3、onics equipment. This paper provided a detailed analysis of SVG performance under unbalanced voltage with traditional control method. Furthermore, a novel control strategy was proposed to mitigate voltage unbalance and at the same time extend the functions of SVG. Besides compensating reactive power

4、, SVG can also mitigate unbalanced voltage at the point of common coupling PCC when severe negative sequence voltage exists. The SVG operates as a voltage source controlled by the negative sequence voltage at the PCC.The relationships between all the parameters and the compensating characteristics w

5、ere analyzed in detail. Simulation and experiment results verify the satisfactory performance of the SVG in mitigating voltage unbalance with the proposed control strategy. Keywords SVG, voltage unbalance, fundamental negative sequence voltage, voltage controlled voltage source1引言三相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一

6、个 重要指标 随着人们对电能质量要求的提高电压不平衡问题正受到越来越多的关注 1IEEE和IEC 均对电压不平衡度的定义最大允许值等做了明确的规定 2我国国家技术监督局颁布的国家标准GB/T 15543 1995电能质量三相电压允许不平衡 度中规 定电力系统公共连接 点Point of Common Coupling PCC正常电压不平衡度允许值为 2%短时不得超过4% 3文献1 表明大约有10%的配电系统电压不平衡度大于等于 3% 随着电力电子装置的普及电压不平衡对并网的电力电子装置的危害问题受到了更大的重视4 10 对整流性负载而言不平衡的电压会在交流侧产生 大量的非特征次谐波如2 次4

7、次等 同时电压不平衡也会增加系统损耗降低系统效率 因此如何利用各种电力电子补偿装置来抑制电网电压的收稿日期 2005-07-06改稿日期2006-03-2970电 工 技 术 学 报 2006年8月不平衡是近年来电能质量控制领域的研究热点之一811 静止无功发生器Static Var GeneratorSVG 是并联于公共连接点的电力电子装置往往用来补 偿负载的无功功率或者通过对无功功率的控制来 调节电网电压的幅度传统的SVG 装置大都控制为 电压源并且不输出负序电压当系统电压不平衡 时就会导致SVG 过流而无法正常工作5文献8, 9提出了避免此类过流现象的控制方法但是该方 法不能抑制PCC

8、点的不平衡电压此外如何在补偿无功的基础上进一步扩展SVG 的功能也是目前SVG 的发展趋势之一811本文在SVG 补偿无功功率的基础上提出一种多目标补偿控制策略当 系统电压严重不平衡时SVG 就从补偿无功的功能 切换到补偿电压不平衡的功能这种控制方法可以有效地发挥SVG的作用保证PCC 的电压在允许 的电压不平衡度范围内 2 主电路结构 SVG 系统的结构如图1所示它由IGBT 三相变流器信号检测电路基于TMS320F2812型DSP 的控制电路驱动电路和基于89C196的触摸屏监控系统构成信号检测电路需要检测PCC 点三相电 压三相负载电流SVG 输出三相电流和SVG 直 流侧电容电压单片机

9、89C196控制电路完成系统 电压电流信号采 集处理以及与触摸显示屏和F2812之间的数据交换基于F2812的控制电路为 控制系统的核心主要完成信号采集处理数据 交换PWM脉冲生成保护信号输出等 图1 SVG 系统结构框图Fig.1 System configuration of the SVG 3 电压不平衡下SVG 工作特性 SVG 的单相基波正序和负序等效电路分别如图2a 和2b 所示其中p 表示正序分量n 表示负序分量Z s 和Z L 分别表示电网内阻和负载的基波阻抗Z c 表示SVG与电网之间的连接电抗器的阻抗U cp 表示SVG输出的基波正序电压a基波正序等效电路b基波负序等效电路

10、图2 SVG 的单相等效电路图Fig.2 Single-phase equivalent circuits for SVG一般情况下有ZL Z s 和ZL Z c成立当忽略负载影响时对图2a 所示的基波正序分量而言流过SVG 的基波正序电流为sp cpcp s cZ Z =+U U I1其大小受SVG输出电压的控制对图2b所示的基波负序分量而言流过SVG的基波负序电流为sncn s cZ Z =+U I2可见采用传统的控制方法时I cn 大小无法由SVG 控制4而且由于SVG的负序阻抗特别小一般而言Z s +Z c0.2pu 当有0.1pu 的基波负序电压时流过SVG 的负序电流为cn 0.1

11、0.5pu 0.2=I3最严重时流过SVG 的电流总幅值为正序与负序电流幅值之和即1.5pu 从而导致SVG 因过流保护而退出系统甚至烧毁此外即使SVG 能正常工作当电网电压不平衡时还会产生其他现象4设电网A 相的正序和负序电压分别为 第21卷第8期 李 旷等 静止无功发生器在电压不平衡下的工作特性及其对不平衡电压的补偿71ap pm p sin(u t =+4 an nm n sin(u t =+5 SVG 的A 相输出电压为 as sm s sin(u t =+6电网和SVG 的B 相和C 相电压分别按正序和负序 错开120那么SVG 吸收的瞬时功率为 ap a bp b cp c p u

12、 i u i u i =+7 其中i a i b i c 分别表示流过SVG 的电流它们满 足等式d d iL t=u p +u n u s8 由式7式8可得 sm pm s p nm s n 3 sin(sin(2p U U t L=+9 上式中的第二项为交流分量它又可以表示为 dc dc c dc d d up u i Cu t=%10 根据瞬时功率守恒由式9式10可得 dc dc u U =11 从式9式11可以看出SVG 直流侧功率和电压均有2倍基波频率的脉动当直流侧电容 电压含有此脉动电压时它又会在交流侧产生3次 正序谐波电流本文在此不再赘述 4 SVG 补偿不平衡电压 在传统的控制

13、方法下SVG被控制为电压源 其对无功的调节就是通过改变SVG 输出电压的幅值和相位来实现的当电网电压不平衡且SVG 只补偿无功时为了减小流过SVG 的基波负序电流也可以使SVG 输出与PCC 点相同的负序电压来达到目的本文主要讨论如何用SVG 来补偿PCC 处的 负序电压以保证该点电压的平衡从而使其他连 接于该点的设备不受不平衡电压的影响 为了充分利用资源减少原有硬件的改动本 文仍把SVG控制为一电压源其大小受PCC 处的 负序电压控制其角度可以通过一定的优化方法得 到图3是SVG 补偿不平衡电压时的单相等效电路图中各参数的定义与图2相同其中SVG 的输出电压为 j c Ln e k =U U

14、式中 U Ln PCC 处的负序电压分量 U c 和U Ln 之间的相位差图3 SVG 补偿不平衡电压时的单相等效电路 Fig.3 Equivalent circuit for voltage unbalance mitigation在图3中如果负载开路可以求得cLn sn j s c s e Z Z Z kZ =+U U12通过控制k 和的大小就可以减小ULn此时SVG 的输出负序电压和流过SVG的正序负序电流分别为j c cn sn j s c s e e k Z Z Z kZ =+U U13j cn sn j s c s (1e e k Z Z kZ +=+I U14cp sp s c1

15、Z Z =+I U15为了估算SVG 的补偿容量本文在此引入等效电压和等效电流的概念其值均为正序分量和负序分量平方和的平方根12SVG 的等效电压U e 和等效电流I e 分别为U e =kU Ln16e I =17此时SVG 的容量近似为c S =18由以上分析可知SVG 的补偿效果补偿电流和容量与k 和密切相关k一定时确定 的最佳值就是对系统性能的优化如果Z s 为纯感性从图4a可以看到=0时ULnI cn 和S c 同时取得最小值此时的 值即为最优值为了更具一般性假设s s s Z Z =c c c Z Z =sL s c 1/Z Z Z =+=sc sc Z 72 电工技术学报 200

16、6年8月 d I e与U Ln之间的关系 e U e与U Ln之间的关系 f S c与U Ln之间的关系图4 静止无功发生器补偿不平衡电压时的特性Fig. 4 Characteristics of the SVG for voltage unbalance mitigation则Ln_min snjs c s c max11/e/U UZ Z k Z Z=+ 19当s c sc= 时 式 10取得最小值snLn_minsc s c/UUZ k Z Z=+ 20 此时SVG 系统的补偿系统性能最优 相似地当负载为Z L 时有如下的等式成立c LLn snjs c c L s L(1eZ ZZ Z

17、 Z Z k Z Z=+U U 21jLcn snjs c c L s L(1e(1ek ZZ Z Z Z k Z Z+=+I U 22Lcp sps c c L s LZZ Z Z Z Z Z=+I U 23c Lc sn js c c L s L3(1ekZ ZS UZ Z Z Z k Z Z=+ + 24 在式 21 中随着控制量k 的增大负载上的负序电压U Ln 变得越来越小从而实现补偿电压 不平衡的功能 从上面的分析可以看出SVG只输出负序电压那么SVG 就会流过较大的正序电流为此将控制方法做如下修正jc Ln Lpek=+U U U 25式中U Lp PCC点的基波正序电压此时I

18、cp=0 26当不考虑负载时 eU= 27 c sn3S U= 28当考虑负载时 eU= 29 cS= 30第21卷第8期 李 旷等 静止无功发生器在电压不平衡下的工作特性及其对不平衡电压的补偿 73从图4b可以看出随着k的增加ULn UcU e 逐渐减小而I c I e S c 逐渐增大图4c 中ULn U cU eI cI eS c随负载阻抗的增加略有变化但 变化不大由此证明可以忽略负载的影响而不 影响结论的正确性 从图4d 4f可以看出随着PCC 处负序电压 U Ln的降低I eU eS c 均迅速增加此外 系统的补偿性能还与连接电抗Z c相关Z c越大IeS c 越 小而U e 随Z

19、c增加而增加 5 仿真和实验结果 为了验证上述方法的正确性本文对图1所示 的SVG 系统进行了仿真研究结果如图5所示SVG a电阻性负载 b整流性负载图5静止无功发生器补偿不平衡电压时的仿真波形 L f=0.3mHFig.5 Simulation waveforms of the SVG for voltage unbalance mitigation L f=0.3mH投入前PCC 点的负序电压峰值为70V SVG 在0.04s投入系统后PCC 点的负序电压峰值下降到9V以内从仿真波形还可以看出SVG 的响应速度非常快从而可以实现对PCC 点不平衡电压的快速动态补偿为了进一步验证本文所提出的

20、方法的有效性最后进行了实验研究实验中为了模拟电压不平衡的情况把可编程交流电源Chroma 6590当作电网的电源可编程交流电源的三相输出电压可以视需要任意设置其基波和谐波的幅值及相位还可以选择输出常见的矩形波阶梯波梯形波电压等为实验研究提供了很多方便实验中负载为带阻感负载的三相二极管整流桥实验结果如图6所示其中图6a 和6b 分别为SVG 投入前与投入后的负载端三相相电压可以看出补偿后PCC 点电压的不平衡度明显降低达到了很好的补偿效果图6c 和6d 分别为SVG 投入前与投入后的负载端三相电流其不平衡度也明显降低从而实现了SVG 补偿电网电压不平衡的功能验证了本文所提出的控制方法的有效性a补

21、偿前PCC 点电压b补偿后PCC 点电压c补偿前负载电流 74 电 工 技 术 学 报 5 公茂忠 刘汉奎 2006 年 8 月 顾建军等. 并联型有源电力滤波器 参考电流获取的新方法J. 中国电机工程学报, 2002, 22 9 43 47 Gong Maozhong, Liu Hankui, Gu Jianjun, et al. A novel method of calculating current reference for shunt active power filtersJ. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(9: 43 6 图6 静止无功发生

22、器补偿不平衡电压时的实验波形 f s =3.2kHz Fig.6 Experiment waveforms of the SVG for voltage unbalance mitigation f s =3.2kHz 7 47 林海雪 雷林绪. 两种谐波电流检测方法的 80 戴潮波 比较研究J. 中国电机工程学报, 2002, 22 1 84 Dai Chaobo, Lin Haixue, Lei Linxu. A study on the comparison of two harmonic current detecting methodsJ. Proceedings of the CS

23、EE, 2002, 22(1: 80 84 6 结论 本文分析了 SVG 在电压不平衡时的工作特性 Jiang Y, Ekstrom A. Applying PWM to control overcurrents at unbalanced faults of forced-commutated VSCs used as static var compensatorsJ. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12 1 273 278 提出了降低负序电流的方法 并基于传统的把 SVG 控制为电压源的控制方法 在补偿无功功率的基础 8 上 提出一种

24、在电网电压严重不平衡时用 SVG 补偿 PCC 处不平衡电压的控制策略 得出如下结论 1 当电网电压不平衡时 会有很大的负序电 流流过 SVG 此外 SVG 直流侧会出现 2 倍基波频 率的波动 2 关 3 小 参考文献 1 Jouanne A, Banerjee B. Assessment of voltage unbalanceJ. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16 782 2 790 4 Hochgraf C, Lasseter R H. Statcom controls for operation with unbalanced

25、 voltagesJ. IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, 13 2 : 538 544 9 Cavaliere C A C, Watanabe E H, Aredes M. Multi-pulse statcom operation under unbalanced voltagesC. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, New York, USA 2002 567 572 系统中还会出现 3 次正序谐波电流 把 SVG 控制为电压源来补偿电压不平衡 补偿效果与控制参数密切相 的控制方法是有效的 10 Li Kuang, Liu Jinjun, Wang Zhaoan, et al. Static Var 合理地选择 SVG 输出电压的相位可以保 其补偿容量最 generator control strategy for unbalanced systems in medium voltage applicationsC. Proceedings of the IEEE International Conference PESC2004, Yachen, Germany, 2004: 4257 4262 证