基于vsi的svg直接功率控制

基于vsi的svg直接功率控制

1gm技术在新的领域大有可为近年来，能源系统中的忽视和声波问题日益突出。能源系统的无声补偿和波形抑制已成为国内外的研究热点之一。静止无功发生器SVG又称为静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator—STATCOM)或静止同步调相机(staticsynchronouscondensor—STATCON),是柔性交流输电设备的重要成员之一。它具有实时向电力系统注入感性或容性无功功率、支撑网络节点电压、阻尼系统振荡、补偿高次谐波等功能,引起了国内外研究与工程领域的广泛关注。目前已经研制成功以及正在运行的SVG所使用的功率器件大多为GTO,电压及容量较小的配电系统用SVG(D-STATCOM)使用IGBT。德国西门子公司已生产出用于高电压的IGBT,电压可达到5000V以上;日本东芝公司于1993年开发研制出的IEGT(电子注入增强门极晶体管)已经形成商用产品,其额定参数可达到4.5kV/3000A;ABB公司于1996年开发研制出了IGCT(集成门极换向晶闸管),开通、关断时间与开关损耗进一步减小(关断时间小于5μs),目前IGCT的额定参数可达到10kV/4500A/20kHz,而且可在无关断吸收电路条件下工作。目前人们正在对碳化硅和金钢石等禁带很宽、击穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料进行不断探索与研究,并已获得了初步成果。将此类新型电力电子功率器件用于SVG中,替代原先的GTO,开关频率提高、装置损耗降低、体积减小、运行效率提高、使PWM技术在中压中小容量SVG中的直接应用成为可能。西南交通大学与贵州工业大学研制的SVG,以及清华大学研制的三电平D-STATCOM(配电用STATCOM)均直接采用了PWM控制技术。在中小容量SVG的场合,应用多重化技术的SVG装置结构与控制复杂,占地面积大,功率密度小,成本较高,而直接采用PWM控制技术的SVG装置可以克服上述缺点,同时省去了多重化变压器,避免了由于多重化变压器的非线性磁饱和引起的过电流,而且可以将研究成熟的多种三相PWM变流器控制方法(如相幅控制、滞环电流控制、三角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功率控制等)直接运用于SVG装置的控制系统设计当中。2在三相vsi的6kv200kvapwmsv的主电路结构和参数设计中2.1svd工作原理基于三相VSI的6kV±200kVAPWM型SVG的系统结构原理如图1所示。图中:TA为电流互感器;TV为电压互感器;T为整流变压器;L为平波电抗器;T1～T6为主功率器件;C为电力电容器;QS为隔离开关;QF为真空断路器;ControlSystem为控制系统。SVG的工作过程简述如下:控制器根据实时检测到的接入点系统电压uabc、补偿前负载电流iLabc,计算出需要补偿的无功功率瞬时值,作为指令信号;根据接入点电压uabc与SVG实际注入电流iLabc,计算出SVG注入电网的无功功率瞬时值,作为反馈信号;将指令信号与反馈信号进行比较,并结合直流侧电容电压,根据一定的控制算法产生六路PWM控制信号,再经过光电隔离与功率放大,控制T1～T6的开通与关断,在变流器的交流侧生成基波为工频50Hz的SPWM波;经过平波电抗器L滤除高次谐波,得到相位与幅值可调的基波正弦电流,从而产生相位与幅值可调的三相电流,实现电力系统无功功率的动态补偿。2.2滤波过滤系统的参数设计整流变压器T的作用主要有三个:一是在容量一定的情况下降低装置及IGCT、直流侧电容器上的电压等级,提高装置电流,以充分合理地利用IGCT的额定电压、电流容量;二是利用整流变压器的漏抗作为滤波电抗器的一部分,起到一定的滤除网侧电压与电流谐波的作用;三是在SVG装置容量一定的情况下,可以成变压器变比平方倍地减小平波电抗器的电感值。整流变压器的参数设计如下:SN=200×1.2=240kV·A,U1N=6kV,U2N=600V,K=10,I1N=24A,I2N=144A,连接方式为Y/D0。需要特别指出的是,必须选用具有一定漏抗值的整流变压器,其漏抗值将在平波电抗器设计一节确定。2.3u2009dv产品标准中a、c、e的关系平波电抗器L的作用主要有五个:滤除SVG交流侧PWM电压与电流谐波;减小因高频谐波电流引起的整流变压器的磁滞与涡流损耗;承受电网电压与SVG网侧基波电压的向量差,形成超前或滞后系统电压的电流,从而实现向系统注入无功功率的功能;使SVG控制系统获得一定的阻尼特性,从而有利于控制系统的稳定运行;抑制主功率器件IGCT开通过程中的电流上升率di/dt。平波电抗器电感的取值不仅影响到SVG的动、静态性能,而且制约着SVG的容量、功率因数以及直流侧电容电压的大小。首先为满足SVG的输出无功功率与调节性能的要求,降落在平波电抗器上的电压最多为相电压的30%。其次为满足SVG注入电网电流波形的品质要求,电感值应尽可能大。因此,由第一个条件确定电感的上限值,由第二个条件确定电感的下限值。首先根据第一个条件确定平波电抗器电感的上限值。即L≤0.3U2ΝΙgΝω(1)L≤0.3U2NIgNω(1)式中:U2N为整流变压器二次侧相电压,即600V;IgN=SN/(3U2N)=200000/3/600=111.1A为整流变压器二次侧额定相电流;ω为基波工频角频率。计算得到电感的上限值为5.16mH。根据第二个条件确定平波电抗器电感的下限值。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为PWM开关周期,当采用SPWM时即为三角载波周期,当f=1600Hz时,Ts=1/fs=0.625ms;Udc为直流侧电容电压,当SVG发出容性无功时取为2800V,发出感性无功时取为500V;R为SVG损耗的交流侧等效电阻R=0.05SΝ3Ι2gΝ=0.05×2000003×111.12=0.2701ΩΔigmax=ΤΗD×Ιgm=5%×157.1=7.86A;iam=Ιgm=√2ΙgΝ=157.1ASVG一般运行于容性或感性无功状态,即电流超前或滞后电压约90°,因此当电流处于峰值时刻时,相电压瞬时值正好处于零处,即usa=0。将各变量的值代入式(2),并计算得到电感的下限值在发出容性无功时为3.35mH,在发出感性无功时为3.11mH,故电感的取值范围为3.11mH≤L≤5.16mH,取5mH,并且此电感由整流变压器与平波电抗器共同分担。最后确定整流变压器的漏感值为1.5mH,平波电抗器的电感值为3.5mH。2.4电容下限值的确定首先为满足SVG的动态特性,电容器的取值应尽可能小,其次为保持直流侧电压稳定,电容器的取值则应尽可能大。因此,可由第一个条件确定电容的上限值,由第二个条件确定电容的下限值。首先根据系统的动态性能要求设计电容的上限值。将装置上电时电容器充电的动态过程等效为恒压源为RC串联支路充电,要求在规定时间内使电容电压达到稳定值,经推导得到C≤tr0.74R(3)式中:tr为直流侧电容电压上升到稳定值所需的上升时间;R代表SVG装置损耗的直流侧等效电阻。设要求上电时在六个工频周期内直流侧电容电压从零上升到稳定值,即tr=0.12s,设装置损耗为装置容量的5%,即R=U2dc5%×SΝ=170025%×200000=289Ω,则根据式(3)求得电容的上限值为561μF。然后根据直流侧电容电压的纹波要求设计电容的下限值。为C≥Udc2ΔUdcRdc(4)式中:ΔUdc为直流侧电容电压最大波动幅值;Rdc为直流侧负载电阻。由于SVG直流侧无负载电阻,故Rdc=∞,因此理论上电容器下限值为0。综合考虑以上各个因素,将直流侧电容值确定为470μF。3直接功率控制svd基于瞬时无功功率理论的SVG直接功率控制方式(directpowercontrol—DPC)原理框图见图2。它应用了瞬时无功功率理论与PWM电流跟踪控制技术,参与反馈控制的不是SVG的三相网侧电流,而是SVG注入电力系统的瞬时有功功率与瞬时无功功率,因此称其为直接功率控制。它实现了瞬时功率与直流侧电容电压的双闭环控制。图中:ua、ub、uc为经图1中的电压互感器检测到的接入点系统三相电压瞬时值;iLa、iLb、iLc为经图1中的电流互感器TA1检测到的负载电流;iSa、iSb、iSc为经图1中的电流互感器TA2检测到的SVG网侧电流;qL为利用检测到的三相瞬时电压、电流信号,应用瞬时功率理论计算得到的待补偿瞬时无功功率;pR为有功功率给定值,用于补偿装置有功损耗与维持直流侧电容电压稳定;pS、qS为SVG实际注入电网的瞬时有功功率与无功功率。为了维持直流侧电容电压的稳定,并使其与功率具有相同的量纲,以便于进行比较控制,将udc经过一个比例环节后与原信号相乘,再送入瞬时有功功率通道,瞬时有功功率与瞬时无功功率的误差值经过PI控制器后,进行pq逆变换,得到三相指令电流值,然后利用SPWM调制控制方法产生三相上桥臂驱动信号Sa、Sb、Sc,经反向得到三相下桥臂驱动信号S′a、S′b、S′c,再经隔离放大后控制SVG的功率开关管T1～T6的开通与关断。图2中用pq变换以及pq逆变换,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]由此可见,直接功率控制方式具有如下优点:1)以瞬时有功功率与无功功率作为比较反馈控制量,用PWM电流跟踪控制技术,使SVG控制更直接,有利于提高系统响应速度与控制性能。2)无需专门的无功电流检测系统,避免了变换所需要锁相环、同步信号以及复杂的坐标变换运算。所用pq变换只是乘积与求和运算,特别适合于DSP编程。大大简化了系统的复杂程度,降低了硬件与软件的实现难度,同时提高了系统的控制精度。3)系统为三相正弦对称时,参与比较控制的瞬时功率值仍为直流量,便于信号处理与控制。4pi控制器参数设计根据上述SVG主电路结构与参数以及图2所示直接功率控制方式,在Matlab/Simulink&PSB仿真环境下建立的SVG系统仿真模型如图3所示。图中的6kV电力系统带有600kW有功负载、200kVar感性无功负载与200kVar容性无功负载,Line为15km的电力传输线,B1、B2、B3为系统母线检测点,Breaker为断路器。SVG的主电路由整流变压器T、平波电抗器L、PWM电压型变流器Converter以及直流侧电容器C组成,主功率器件采用IGBT,主电路参数设置如图中所示。Controller为控制系统,其结构如图2所示,其参数设置为PR=0.13,电容电压通道比例系数P=0.8×10-10,PI控制器的Kp=4,Ki=500,PI控制器的参数设计可参考文献,三角载波频率取1600Hz,Viewer为测量模块。采用PowerGui模块与离散仿真方法,步长Ts设置为2×10-6s,仿真时间设置为0～0.6s,两个断路器均在0.3s时刻动作,切除感性无功负载,投入容性无功负载。电压、电流与瞬时功率的仿真波形如图4、5所示,图中各量均采用了标么值(p.u.)。图4中自上而下分别为补偿前、SVG注入电网与补偿后的A相电压ua与ia电流波形,此处仅取过渡过程前后的波形细部。图5所示的分别为系统补偿前、SVG注入电网与补偿后的瞬时有功功率p与无功功率q波形。图6所示的为直流侧电容电压波形。由图可见,在0～0.3s时间段,电网带600kW/200kVar感性负载,补偿前母线B2处的电流明显滞后于电压。直流侧电容经过充电后电压基本稳定2800V,经过检测与控制,SVG向系统注入200kVar容性无功功率,母线B3处的电流滞后于电压近90°。补偿后母线B1处的电流与电压同相,瞬时无功功率q为零,使系统实现了单位功率因数运行,电流幅值减小。在0.3～0.6s时间段,电网带600kW/-200kVar容性负载,过渡过程结束后直流侧电容电压稳定在500V,补偿原理与补偿过程与上文相同,此处不再赘述。由此说明基于直接功率控制方式的SVG具有优良的静态补偿效果。在0.3s时刻,两个断路器均动作,切除感性无功负载,投入容性无功负载,经过检测与控制,SVG从发出200kVar容性无功功率自动切换到发出200kVar感性无功功率,直流侧电容电压由2800V降到500V。由图4、5、6可见,过渡过程可以在80ms以内完成。通过适当调节PI控制器的参数,可以获得较好的动态性能。另外,直流侧的电容大小也影响系统动态特性:当电容值较大时,响应时间长,