低壓靜止無功發(fā)生器的綜合起動(dòng)策略

李彩林， 施 偉， 孫新望， 廖桂源

(桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004)

低壓靜止無功發(fā)生器的綜合起動(dòng)策略

李彩林， 施 偉， 孫新望， 廖桂源

(桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004)

由于傳統(tǒng)控制方法下靜止無功發(fā)生器(SVG)起動(dòng)時(shí)沖擊電流大。提出了綜合起動(dòng)策略，該策略運(yùn)用改進(jìn)型解耦控制方法，有效分離了三相系統(tǒng)電流兩相同步旋轉(zhuǎn)后的有功分量()和無功分量()，增加了補(bǔ)償精度；設(shè)計(jì)了直流預(yù)充電和直流側(cè)電壓階梯式抬升方式以及無功電流的線性遞增方法，減小了SVG起動(dòng)時(shí)直流側(cè)電壓超調(diào)，緩解了沖擊電流。仿真實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)原型表明，與傳統(tǒng)控制方法相比，綜合起動(dòng)策略有效抑制了SVG起動(dòng)時(shí)的沖擊電流。

靜止無功發(fā)生器；軟起動(dòng)；改進(jìn)解耦控制；沖擊電流

由于大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)很低，給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì)量。因此，提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)所面臨的一個(gè)重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注[1-3]。為改善電能質(zhì)量，靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)應(yīng)運(yùn)而生，它具有補(bǔ)償反應(yīng)速度快、平滑連續(xù)調(diào)節(jié)、不給電網(wǎng)帶來大量諧波等優(yōu)點(diǎn)，因此在維持電壓穩(wěn)定和補(bǔ)償系統(tǒng)功率因數(shù)方面發(fā)揮著重要作用。SVG起動(dòng)時(shí)沖擊電流過大將影響到補(bǔ)償裝置元件的使用壽命以及給電網(wǎng)帶來諧波污染?，F(xiàn)有的SVG主要是基于電壓型逆變器。其直流側(cè)電壓的穩(wěn)定直接影響起動(dòng)時(shí)沖擊電流的大小，傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)控制法在一定時(shí)間能穩(wěn)住直流電壓，但不能在起動(dòng)時(shí)控制直流電壓的超調(diào)。文獻(xiàn)[4]提出了改進(jìn)解耦控制方法，該方法具有電網(wǎng)電流波形質(zhì)量高、功率脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但沒考慮沖擊電流問題。文獻(xiàn)[5-6]分析和比較了直流電壓控制算法和無功電流反饋控制算法，但只分析了對補(bǔ)償電流的影響。

為此，本文提出了綜合起動(dòng)策略。該策略分別在電壓外環(huán)通過軟啟動(dòng)方式、直流側(cè)電壓階梯抬升和PI調(diào)節(jié)控制抑直流側(cè)電壓超調(diào)，電流內(nèi)環(huán)運(yùn)用改進(jìn)解耦控制法分離內(nèi)環(huán)電流的有功分量()和無功分量()。采用綜合起動(dòng)策略能夠解決SVG起動(dòng)時(shí)沖擊電流過大問題。

1 SVG的結(jié)構(gòu)和原理

靜止無功發(fā)生器在工況下運(yùn)行系統(tǒng)框圖(圖1)。

圖1所示為靜止無功發(fā)生器接入電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)圖，它的核心結(jié)構(gòu)為一個(gè)三相PWM整流器。其工作原理是，在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中檢測出系統(tǒng)電流反饋給主控制器，通過計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)信號，再由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成SVPWM觸發(fā)信號，控制無功補(bǔ)償裝置逆變產(chǎn)生所需的無功電流，補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功容量，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟起動(dòng)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1中虛線框1中所示。它的主要作用是：首先在SVG起動(dòng)前，通過A、C兩相對直流側(cè)電容預(yù)充電，防止直流側(cè)電壓出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)而導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流；其次，無功補(bǔ)償裝置電操機(jī)構(gòu)合閘后，電網(wǎng)電壓直接由反并聯(lián)的二極管續(xù)流繼續(xù)給電容充電，維持電容電壓的穩(wěn)定；直流側(cè)電容充電完成后，軟起動(dòng)開關(guān)斷開，由控制器控制補(bǔ)償無功電流線性遞增，SVG投入正常工作。

2 綜合起動(dòng)控制策略

2.1 抑制直流側(cè)電壓超調(diào)控制

直流側(cè)的電壓主要由SVG的有功電流控制，然而逆變器是一個(gè)非線性控制對象，所以將給定直流電壓與實(shí)際直流電壓比較，再把誤差值送入比例積分(PI)控制器，得出有功電流指令，保證穩(wěn)態(tài)直流電壓值，如圖2所示。

圖2 直流電壓PI調(diào)節(jié)器

SVG起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)對直流側(cè)電容充電，PI控制器并不能有效地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤控制，直流側(cè)電壓也會出現(xiàn)超調(diào)，并產(chǎn)生沖擊電流。因此在SVG起動(dòng)合閘瞬間加入直流側(cè)階梯抬升控制有助于抑制直流電壓的超調(diào)，給定直流電壓值由直流電壓抬升初始值分個(gè)階梯抬升，則表達(dá)式如下：

直流側(cè)電壓抬升到預(yù)期給定直流電壓值后，實(shí)際直流電壓值應(yīng)該為：

表1 階梯抬升直流電壓值

2.2 改進(jìn)控制方法的解耦算法

改進(jìn)解耦控制原理框圖如圖3所示。

由于SVG是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，利用Puck變換能有效分離電流內(nèi)環(huán)的有功電流()和無功電流()，再分別和電網(wǎng)參考電流的有功分量()和無功分量()比較，得到結(jié)果通過PI調(diào)節(jié)器得出Δ和Δ，實(shí)現(xiàn)了輸出的無靜差調(diào)節(jié)。改進(jìn)控制方法將和代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的和作為解耦分量，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及增強(qiáng)了電網(wǎng)電流波形質(zhì)量。

圖3 改進(jìn)解耦原理框圖

從圖3可以看出，有功電流和無功電流主要是通過連接電抗器相互耦合，有功電流()的波動(dòng)變化將會引起無功電流()的變化；同理，無功電流()的波動(dòng)變化也會引起有功電流()的變化。因此，坐標(biāo)系下三相電流變換到坐標(biāo)系之后成兩相直流分量，這對控制帶來極大好處?？紤]到SVG是基于LC濾波器的三相并網(wǎng)逆變器，從而可得SVG三相電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相橋臂輸出的有功和無功電壓和，由圖3可得傳統(tǒng)控制方法下和分別為:

由式(6)和式(7)可知，改進(jìn)控制方法有效濾除了脈動(dòng)量，防止了脈動(dòng)分量的互相耦合，降低了有功分量和無功分量的耦合影響，得出的有功分量更加純凈，抑制了直流側(cè)電壓的超調(diào)，也就間接控制了沖擊電流。

2.3 無功補(bǔ)償電流線性遞增控制

通過解耦控制后,SVG并網(wǎng)起動(dòng)合閘時(shí)，有較大的沖擊電流，如果合閘過后，同時(shí)又發(fā)出補(bǔ)償電流，這時(shí)補(bǔ)償電流和沖擊電流形成疊加，形成了更大的沖擊電流。為了解決這個(gè)問題，本文引入無功補(bǔ)償電流線性遞增控制，在SVG合閘之時(shí)，不立即發(fā)出補(bǔ)償電流，而是隔開一段時(shí)間，然后在一定時(shí)間t內(nèi)SVG發(fā)出補(bǔ)償電流呈線性遞增。該控制方法原理表達(dá)式如下：

由式(9)可知，補(bǔ)償電流與沖擊電流的時(shí)間有效間隔，有利于抑制沖擊電流的產(chǎn)生。補(bǔ)償電流呈線性遞增，緩解了大電流對SVG設(shè)備的沖擊，減少了對IGBT的損傷，也增強(qiáng)了SVG設(shè)備的使用壽命。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

根據(jù)上述方法，利用Matlab/Simulink仿真軟件對SVG起動(dòng)時(shí)的過程進(jìn)行仿真。本文仿真的SVG在線電壓380 V低壓系統(tǒng)，設(shè)定直流側(cè)電容容量和電壓分別為8 000 μF和700 V，濾波電抗0.25 mH，濾波電容50 μF。三相平衡負(fù)載阻值為3 Ω、電感值為10 mH。

本文仿真先對直流側(cè)電容預(yù)充電至530 V，然后在電流環(huán)PI調(diào)節(jié)中后加入解耦算法，以及在A、C兩相加入軟起動(dòng)電阻。當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷需要大量無功電流時(shí)，在相同負(fù)載條件下，未加入綜合起動(dòng)策略的SVG進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果波形圖分別如圖4～圖7所示。

在同樣條件下，圖4中未加綜合起動(dòng)策略的直流側(cè)電壓波形出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，而圖4中經(jīng)過起動(dòng)策略直流側(cè)電壓比較平滑并且電壓很快穩(wěn)定在700 V。將圖4和圖5進(jìn)行比較，可得出如下結(jié)論：無論是否加入綜合起動(dòng)策略，SVG直流側(cè)電壓最后都能穩(wěn)定；加入綜合起動(dòng)策略后，能有效抑制SVG直流側(cè)電壓超調(diào)。

圖6和圖7分別為未加起動(dòng)策略和加入起動(dòng)策略SVG起動(dòng)時(shí)電流波形圖。從圖6中可知，在未加起動(dòng)策略時(shí)起動(dòng)電流約800 A；圖7運(yùn)用本文提出的起動(dòng)策略能有效抑制SVG并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，使電流沖擊下降至小于150 A。通過比較，可得出以下結(jié)論：是否加入綜合起動(dòng)策略對補(bǔ)償電流的影響不大；未加入綜合起動(dòng)策略后的起動(dòng)電流是加入后起動(dòng)電流的大約5倍多。

圖4 未加起動(dòng)策略直流側(cè)電壓

圖5 加入起動(dòng)策略直流側(cè)電壓圖

圖6 未加起動(dòng)策略起動(dòng)電流圖

圖7 加起動(dòng)策略起動(dòng)電流圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對本文提出的起動(dòng)策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其中三相交流側(cè)輸入線電壓有效值380 V，給定直流母線電壓=700 V，= 0.25 mH，=8 400 μF，電感內(nèi)阻=1 Ω，載波頻率=12.8 kHz。圖8示出未加起動(dòng)策略起動(dòng)沖擊電流波形，可見，最大沖擊電流已經(jīng)達(dá)到約360 A，這對IGBT有沖擊損傷；圖9示出加入起動(dòng)策略后SVG起動(dòng)時(shí)沖擊電流波形圖，最大沖擊電流只有約200 A。因此，本文提出的綜合起動(dòng)策略對抑制SVG起動(dòng)時(shí)沖擊電流具有良好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

圖8 未加起動(dòng)策略沖擊電流波形圖

圖9 加起動(dòng)策略沖擊電流波形圖

5 結(jié)論

本文對SVG并網(wǎng)起動(dòng)時(shí)電流沖擊過大問題，提出了綜合起動(dòng)策略。該策略把電壓外環(huán)直流側(cè)預(yù)充電和電流內(nèi)環(huán)的解耦控制以及補(bǔ)償電流線性遞增控制法等綜合運(yùn)用到SVG裝置中，能有效抑制沖擊電流。通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該綜合起動(dòng)策略的正確性和重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Low voltage static var generator of composite start strategy

The inrush current of tradition control methods under Static Var Generator(SVG)was large when starting.A new comprehensive starting strategy was presented.The strategy used improved decoupling control method,that the active component(d)and reactive component(q)were effectively separated.The compensation accuracy was increased.Design of the DC recharges and DC voltage step-lift mode,reactive current linear incremental approach, the DC voltage overshoot was reduced when SVG start,easing the impact of current.Simulation and test show that compared with conventional control methods,the inrush current is effectively curbed when SVG start.

static var generator;soft start;improved decoupling control;inrush current

TM 933

A

1002-087(2016)03-0711-04

2015-08-17

廣西自然科學(xué)基金(2012GXNSFAA053195)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金 (12-071-11-61-003)；廣西壯族自治區(qū)教育廳高?？蒲许?xiàng)目(YB2014138)；廣西研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(YCSZ2014142)

李彩林(1975—)，男，廣西省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍团潆娋W(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化。