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

26、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 SVG 在补偿效果最好的条

27、件下 11 Singh B N, Chandra A, Al-Haddad A. DSP-based indirect-current-controlled statcomJ. IEE Proceedings on Electrical Power Application, 2000, 147 2 118 12 IEEE Std 1459-2000: IEEE trial-use standard definitions for the measurement of electric power quantities under sinusoidal, nonsinusoidal, balan

28、ced, or unbalanced conditionsC. IEEE Press, USA, 2000 作者简介 李 旷 男 1977 年生 博士研究生 研究方向为电能质量及其 107 Pillay P, Manyage M. Definitions of voltage unbalanceJ. IEEE Power Engineering Review, 2001, 21 51 5 50 3 中国国家标准 GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压 允许不平衡度S. 北京 中国标准出版社 1995 李晓露, 段献忠, 何仰赞. 不平衡系统中 ASVG 动态 建模研究J. 中国电机

29、工程学报, 1999, 19 9 80 Li Xiaolu, Duan Xianzhong, He Yangzan. Dynamic model of ASVG in unbalanced systemsJ. Proceedings of the CSEE, 1999, 19(9: 7680 76 4 控制技术 刘进军 男 电力电子装置的实际应用 1970 年生 教授 博士生导师 研究方向为电力电子 技术在电能质量控制 输配电系统以及分布式发电系统中的应用 仿真 分析和控制 电力电子电路和系统的建模 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 作者： 作者单位： 刊名： 英文

30、刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 李旷， 刘进军， 王兆安， 魏标， Li Kuang， Liu Jinjun， Wang Zhaoan， Wei Biao 西安交通大学电气工程学院,西安,710049 电工技术学报 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY 2006，21(8 0次 参考文献(12条 1.Jouanne A.Banerjee B Assessment of voltage unbalance 2001(04 2.Pillay P.Manyage M Definitions of voltage unbalance 2001

31、(05 3.GB/T 15543-1995.电能质量三相电压允许不平衡度 1995 4.李晓露.段献忠.何仰赞 不平衡系统中ASVG动态建模研究期刊论文-中国电机工程学报 1999(09 5.公茂忠.刘汉奎.顾建军 并联型有源电力滤波器参考电流获取的新方法期刊论文-中国电机工程学报 2002(09 6.戴潮波.林海雪.雷林绪 两种谐波电流检测方法的比较研究期刊论文-中国电机工程学报 2002(01 7.Jiang Y.Ekstrom A Applying PWM to control overcurrents at unbalanced faults of forced-commutated

32、VSCs used as static var compensators 1997(01 8.Hochgraf C.Lasseter R H Statcom controls for operation with unbalanced voltages 1998(02 9.Cavaliere C A C.Watanabe E H.Aredes M Multi-pulse statcom operation under unbalanced voltages 2002 10.Li Kuang.Liu Jinjun.Wang Zhaoan Static Var generator control

33、strategy for unbalanced systems in medium voltage applications 2004 11.Singh B N.Chandra A.Al-Haddad A DSP-based indirect-current-controlled statcom 2000(02 12.IEEE Std 1459-2000:IEEE trial-use standard definitions for the measurement of electric power quantities under sinusoidal.nonsinusoidal.balan

34、ced.or unbalanced conditions 2000 相似文献(7条 1.学位论文 郑红平 链式STATCOM系统与控制及诊断保护的研究 2005 电能质量问题，严重威胁着电网的安全运行，发展STATCOM是解决我国电能质量问题的有效手段。链式STATCOM是综合了多种优越性能的最新型的装置，论文针对链式结构 STATCOM的控制、保护和智能报警与诊断进行了相关的研究。 论文深入分析了变压器多重化主电路、二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和链式多电平逆变器4种逆变器的结构和原理，对它们进行比较后，得出他们应用于 STATCOM时存在的优点和不足；指出在对大容量STATC

35、OM装置主电路拓扑结构的选型中，链式多电平逆变器作为STATCOM主电路的结构形式，综合了多种优越性能，是今后一段时期 STATCOM主电路选型必然趋势。 文中分析了11电平链式逆变器STATCOM的系统结构和基本工作原理，重点提出了逆变器主电路器件的基频丌关法(FFS，此方法可大大减少丌关器件的损耗，增加STATCOM主电路 的安全裕度；在FFS法的基础上，提出了选定次谐波最小化(SHtM控制策略，以实现逆变器总输出电压中选定次低次谐波最小化；同时随丌关角度的不同，既可控制输出电压基波分 量大小，又可消除可选定的低次谐波，达到一举两得的目的；针对求解丌关角度存在非线性超越方程组时初值较难选择

36、的问题，采用了解轨迹微分预估初值算法；利用Matlab的SIM Power Systems模块进行仿真，仿真结果表明文中所提出基于FFS的SHM控制策略是正确的。 电容电压不平衡及其控制是链式STATCOM安全可靠运行必须解决的关键问题。论文深入分析了直流电容电压不平衡现象，建立了链式STATCOM直流电容稳态数学模型，通过数学模 型反映了可能造成的直流电容电压不平衡问题。在讨论控制电容电压的各种手段基础上，提出了一种基于单工频周期同相各H桥脉冲循环换位的直流电容电压平衡控制策略，最后用 仿真验证了所提方法是正确的。 论文分析了STATCOM装置及各子系统的故障情况，提出了相应的保护措施和装置

37、安全运行的判据；为最大限度地发挥STATCOM的补偿作用，提出了在正常运行状态之外的异常状态 下控制性保护方式和紧急或故障下保护方式的STATCOM分级保护体系方案。 论文最后研究了STATCOM逆变器主电路故障诊断方案，指出STATCOM的主回路故障诊断系统的主要任务应该是故障报警和故障记录；对STATCOM的报警处理和故障诊断系统进行了 探索性的研究，给出了报警处理和故障诊断子系统的体系结构及工作流程。 2.期刊论文 李旷.刘进军.魏标.王兆安.LI Kuang.LIU Jin-jun.WEI Biao.WANG Zhao-an 静止无功发生器补偿电网电压不平衡的控制及 其优化方法 -中国

38、电机工程学报2006,26(5 针对电网电压不平衡问题,提出了一种用静止无功发生器(SVG抑制公共连接点(PCC不平衡电压的控制方法.该方法既发挥了SVG补偿系统无功功率的优势,又在电网电压严重不平 衡时扩展了SVG的补偿功能,充分地利用了补偿装置.文中详细讨论了SVG补偿电网电压不平衡的原理,将SVG控制作为受负载端负序电压控制的电流源,分析了其补偿性能与各个参数的 相互关系.在补偿效果相同的前提下,对系统的控制参数进行了优化,使SVG的补偿容量最小.最后介绍了PCC处负序电压的实时检测方法.仿真和实验结果表明,该方法可以有效地补偿电 源或负载引起的电压不平衡问题. 3.会议论文 李旷.赵国

39、鹏.刘进军.王兆安 静止无功发生器补偿电网电压不平衡的控制方法研究 本文提出了一种用静止无功发生器抑制公共连接点处不平衡电压的控制方法。文章将静止无功发生器控制为受负载端负序电压控制的电流源,通过此补偿电流的作用来降低PCC处 电压的不平衡度。文章同时分析了其补偿性能与各个参数的相互关系,并介绍了PCC处负序电压的适时检测方法。 4.学位论文 王德昌 模块化有源无功补偿器的研究 2004 静止无功发生器是(ASVG是柔性交流输电系统中的一个重要组成部分,并且开始得到应用.该文对比了实现大容量无功功率补偿的电路拓扑,并选择基于现场总线(CANBUS的模块 式结构ASVG作为研究对象.对ASVG实际运行中存在的一些问题进行了较为深入的研究.针对ASVG的dq轴下控制方式在电压不平衡时存在电流不对称的问题,提出了采用abc轴下的控制策 略.仿真结果证明在电压不平衡下采用后者的补偿效果优于前者.在电压对称时,采用空间电压矢量调制方法(SVPWM跟踪给定电压矢量,来控制ASVG的电流产生,仿真结果证明此种方法 具有直流侧电压利用率高,开关频率近于优化等优点.在交流电流跟踪控制中,引入交流PI调节器(P+Resonant,解决了普通PI调节器在稳态时不能达到无静差调节的问题,使补偿精度 得到提高.论文设计和实现了基于DSP的无功电流检测