fc-cr型scv控制系统的设计与控制

fc-cr型scv控制系统的设计与控制

0动态无功补偿装置svc近年来，大量电弧炉、钢丝绳等脉冲负荷被引入电网，这严重影响了电网的供电质量。这些冲击性负荷使电网功率因数降低,增加电网损耗。同时,冲击性负荷产生的无功冲击还会引起电网电压降、电压波动及闪变等,降低了电能质量。在这些冲击性负荷接入点装配静止型动态无功补偿装置SVC(StaticVarCompensator),可消除无功冲击,提高功率因数,平衡三相电流。SVC典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器FC+TCR(FixedCapacitor+ThyristorControlledReactor)。TCR型动态无功补偿装置通过调节TCR晶闸管的触发延迟角来实现动态无功补偿,使补偿点的功率因数得到提高。瞬时无功功率理论突破了以周期为基础的传统功率定义,能够计算系统的瞬时功率值,正好满足了无功补偿装置快速连续动作的要求,所以目前大多数的静止无功补偿装置都基于这种理论。模糊控制是一种典型的智能控制方法,它可以不依赖于被控对象的精确数学模型,克服非线性因素的影响,对被控对象的参数具有较强的鲁棒性。文中提出的模糊-PI双模控制方法综合了PI控制和模糊控制的优点,具有较高的精度和鲁棒性,对静态无功补偿装置的补偿性能有很大的提升。1基于滤波的静物补偿方法准确、实时地检测出电网中瞬时无功功率的变化,以确定SVC的无功补偿量,是决定SVC动态补偿性能的前提。目前的SVC装置比较多的运用基于瞬时无功功率理论的算法来检测无功功率。下面介绍检测算法的实现。将三相电路各相电压瞬时值(ua、ub、uc)和电流瞬时值(ia、ib、ic)变换到两相正交的a-β坐标系上,分别为uα、uβ及iα、iβ。变换如下:变换矩阵的形式如下:在α-β坐标系上,uα、uβ以及iα、iβ分别可以合成为电压矢量u和电流矢量i,即基于瞬时无功功率理论,三相电路的瞬时有功和无功功率为以三相三线制系统为例,若电压、电流含有谐波且三相不平衡时,三相电流、电压的瞬时值可表示为其中,为第h次谐波电流、电压正序分量的有效值;为第h次谐波电流、电压负序分量的有效值;Φ1,h、φ1,h为第h次谐波电流、电压正序分量的相位角;Φ2,h、φ2,h为第h次谐波电流、电压负序分量的相位角。把式(1)(5)(6)代入式(3),可得:从式(7)和式(8)可以得到各次谐波在α-β坐标系下的物理意义,下面进行分析。当三相系统含有h次正、负序电压和电流谐波分量时,经过坐标转换后在α-β坐标系下为一系列旋转矢量,其中第h次正序电压和电流谐波分量所产生的旋转矢量的角速度为hω;第h次负序电压和电流谐波分量所产生的旋转矢量的角速度为-hω。各次谐波分量在α-β坐标系下与在abc坐标系下的关系如图1所示。如果想得到m次电流正序谐波分量,可以对式(7)左右两边都乘上e-jmωt,就可以得到如下表达式:其中,直流分量为交流分量为显然,通过低通滤波器就可以把其中的直流分量分离出来,得到该矢量的模和相角,由此就可以得到m次电流正序谐波分量的幅值和相角。文中,使用平均值滤波器进行滤波。对于无功补偿设备,需要的参数为原系统中的正序电压、电流基波分量和负序电流基波分量。根据上述算法,对式(7)左右两边乘上e-jωt(ejωt),对式(8)左右两边乘上e-jωt,在通过平均值滤波器后,即可分离出正序电压、电流基波分量和负序电流基波分量对应的直流量,分别为:Ud1,Uq1,Id1,Iq1,Id2,Iq2。它ffl的表法成为通过式(12)可以很容易得出基波正序电压的幅值和相角、基波正序电流的幅值和相角、基波负序电流的幅值和相角。2补偿导纳的计算如文献所述,根据叠加定理,静止无功补偿器可以看作是由2个部分组成的:一部分三相电纳是平衡的,在正序对称电压下仅产生正序电流,用来提供负荷所需的无功电流或维持电压,称作正序补偿器;另一部分三相电纳不平衡,在正序对称电压下仅产生负序电流,用来抵消不平衡负荷引起的负序电流,称作负序补偿器。二者所要提供的电纳之和即为静止无功补偿器所要补偿的电纳。基于上述思想,下面列出在α-β坐标系下2种补偿器电纳的计算方法。2.1正序级数所需的无功值设Q1为基波正序电压、电流产生的无功,换言之Q1就是提高正序功率因数所需的无功值。Q1可以通过下式得到:由此,就可以得到为了把功率因数提高到1而需要补偿器提供的电纳值:2.2偿器电纳的计算式负序补偿器电纳起到了平衡三相系统的作用。文献中给出了在三相系统中负序补偿器电纳的计算表达式:P2和Q2没有物理意义,只是该文献的作者用来简化表达式的。式(14)和式(16)相加,就可以得到无功功率补偿器所要提供的电纳:再通过式(18),就可以得到晶闸管的导通角,由此正确地触发晶闸管。3几种常用控制策略SVC的控制可以分为3种。第1种是开环控制,这种控制方法只检测负载电流,然后根据负载电流算出系统的无功和负序电流,从而算出晶闸管的触发角,其优点是控制简单可靠、响应速度快,缺点是补偿精度不高,容易受环境、温度、器件老化等因素的影响。第2种是闭环控制,这种方法检测的是电源电流,通过PI控制器或其他类型的控制器进行反馈控制,其优点是补偿精度高,缺点是控制复杂,响应速度比开环控制慢。第3种是把开环控制和闭环控制结合起来,这种方法的效果最理想,同时兼有开环控制和闭环控制的优点,缺点是控制比较复杂。这里选用第3种控制方式,同时在闭环控制中,采用了模糊-PI双模控制策略。检测系统的负载电流iLa、iLb、iLc,电源电流iSa、iSb、iS,电源电压ua、ub、uc。系统的控制框图如图2所示。4模糊-pi双边控制系统在SVC的闭环控制算法中,采用传统的PI控制算法可以得到满意的稳态控制精度,但在动态过程中的快速性和平稳性的矛盾不易解决。另外,由于SVC的非线性特性,加之SVC工作时环境和负荷的变化,控制系统的参数必然会发生波动,显然采用固定的PI参数去适应SVC控制系统的全过程,其控制性能必然会受到影响。为了改善SVC的动态性能,文中将传统PI和模糊控制相结合,利用模糊推理的策略,根据不同的偏差、偏差变化率对PI的参数KP、K1进行在线自调整,使PI控制的动态性能更加优越。模糊-PI双模控制系统的结构如图3所示。图3中,模糊控制器的输入为误差e和误差的变化率ec,输出为PI控制器的2个参量。为了便于实现,将此模糊控制器分解为2个常规的二维模糊控制器。采用单输出量的模糊控制器的方法进行设计。输入语言变量为E和Ec,其模糊集为{NB,NS,Z,PS,PB},论域为[-0.06,0.06];输出语言变量分别为KP和KI,其模糊集为{Z,PS,PM,PB,PVB},论域为[0,0.04]。由于三角形隶属度函数具有快速性的特点,所以各模糊量均采用三角形隶属度函数。模糊规则的选择是模糊控制器的核心,根据多次仿真的实验数据总结出如下的控制规则:a.在过程值与目标值差异较大时,采用较大的KP值和较小的KI值,以提高响应速度,避免产生较大的超调和长时间的波动;b.在过程值与目标值差异较小或在控制要求范围之内时,要通过设定较小的KP值和较大的KI值来减小系统的静态误差,提高控制精度。5投入svc的仿真利用Matlab/Simulink搭建仿真模型,对上述理论算法进行仿真验证。电源相电压为800V,频率为50Hz,三相不平衡负荷为。在仿真中设置5次和7次滤波器(滤波器由固定电容串联限流电感组成),控制器采用文中所述算法。在0.06s时刻投入SVC,观察线电流波形以及系统的功率因数和负序电流的变化情况。仿真结果见图4,在图4(a)中,可以看出在SVC投入之前,三相线电流严重不平衡,当投入SVC之后,经过短暂的振荡期后,三相线电流对称且无畸变;在图4(b)中,负序电流在SVC投入之前幅值很大(开始一段时间的振荡是由于测量延迟造成的),SVC投入之后,经过短暂的振荡后,负序电流幅值迅速减小到近似为0;在图4(c)中,功率因