基于双闭环控制的SVG系统建模与仿真

代彬,杜钦君,石 翔,卢恩庆

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091)

基于双闭环控制的SVG系统建模与仿真

代彬,杜钦君,石 翔,卢恩庆

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091)

静止无功补偿器(SVG)具有动态性、灵活性等特点,从而成为无功补偿的首选方案和发展方向.从SVG基本结构的拓扑模型出发,建立SVG数学模型,提出SVG双闭环控制策略——电流内环控制设计和电压外环控制设计,并运用Matlab/Simulink仿真工具进行电路建模和仿真验证,证实其可行性和正确性.

SVG；数学模型；双闭环；仿真验证

静止无功发生器(Static Var Generator简称SVG)无功补偿装置是一种用于动态补偿无功和抑制谐波的新型电力电子装置［1］.由于SVG静止无功发生器本身的动态性和灵活性,已成为无功补偿领域的首选方案和发展方向.而这种优良的性能正是由实时的控制策略实现的.SVG控制系统主要由信号检测、控制电路、触发脉冲电路等构成.SVG能否按照其工作原理达到预期稳定系统电压和提高功率因数的效果,除了系统电路设计合理以外,在很大程度上依赖于控制器的性能.

1 基本结构

SVG能对大小和频率都变换的无功和谐波进行补偿.图1所示为SVG系统电路结构框图,系统由三相三线制配电系统、SVG装置和非线性负载构成.

2 数学模型

通过对SVG基本结构和工作原理的分析,从系统地拓扑结构建立数学模型.

图1 SVG系统电路结构框图

图2 SVG系统拓扑结构图

通过分析上图,采用基尔霍夫定律建立回路方程：

将式(2)和式(4)带入式(1)得到：

式(5)即为SVG在拓扑结构角度建立的数学模型.

3 控制策略

SVG的控制系统是一个包括检测、控制盒驱动等多个环节的负载系统［2-3］.本论文采用电流直接控制.电流的直接控制就是从用跟踪性PWM控制技术对SVG的交流侧产生的无功电流进行控制.

3.1 电流内环控制器的设计

运用Clarke变换矩阵和瞬时无功功率理论下的p―q分解法的变换矩阵,对SVG系统拓扑结构的数学模型(5)进行p―q分解变换,得到

联立式(5)、(6)、(7)、(8),并运用Clarke变换矩阵和瞬时无功功率理论下的p―q分解法的变换矩阵得到：

式(9)为SVG系统基于瞬时无功功率理论下的大信号数学模型.由式(9)可以看出瞬时有功功率和瞬时无功功率存在耦合现象.为解决这个耦合问题,特作如下假设.

图3 瞬时无功电流iq的控制结构图

3.2 电压外环控制器的设计

根据文献［4］,直流侧电流表达式为

式中,θ为开关函数基波初始相位角；m为PWM的调制比.

SVG电压外环控制结构如图4所示.

图4 电压外环控制结构图

图4为电压外环控制结构图,为分析方便,将图4简化为图5.

根据文献［5］直流侧电流指令值表达式为

从而得到直流侧电流指令值生成图.如图6所示.

图5 简化后的电压外环控制结构图

图6 直流侧电流指令值生成图

4 仿真验证

基于Matlab/Simulink仿真工具对本文设计的总体控制策略在理想电源电压和非理想电源电压的情况下进行仿真验证.

4.1 仿真模型建立

SVG主电路模块如图7所示,PWM信号产生模块如图8所示.

图7 SVG主电路模块

4.2 验证结果

4.2.1 理想电源电压情况下

在理想电源电压情况下,仿真模型中三相SVG系统地仿真参数见表1.

图8 PWM信号产生模块

表1 三相SVG系统仿真参数

图9为理想情况下的电源电压波形,图10为补偿前电压和电流的波形；图11为补偿后电压和电流的波形。

图9 理想情况下的电源电压波形

通过比较图10图11,可以看出在补偿前,电压和电流之间存在一定的相位差,经补偿后,电流波形基本与电压同相位,验证了控制策略的可行性和正确性.

4.2.2 非理想电压电压情况下

在非理想电源电压情况下,仿真模型中三相SVG系统地仿真参数见表2.

图1 O 补偿前电压和电流的波形

图11 补偿后电压和电流的波形

图12 为非理想情况下的电源电压的波形,图13为补偿后电压和电流的波形.

表2 三相SVG系统仿真参数

从图中可以看出,一开始,电压和电流均有点紊乱,当电压和电流趋于稳定后,大约在0.05s左右, SVG无功补偿系统开始工作,0.06s左右电流的相位基本和电压一致,整个补偿过程大约需要0.01s,由此可以验证本文提出的SVG双闭环控制策略的正确性和可行性.扑结构的基础上提出的电流内环电压外环的双闭环控制策略,并对其中的参数进行了优化.通过Matlab/Simulink仿真工具建立电路仿真模型并进行验证,证实了其正确性和可行的.

图12 非理想情况下的电源电压

图13 非理想情况下补偿后的电压和电流的波形

［1］刘亮,邓名高.D-STATCOM指令电流检测算法研究［J］.电力电子技术.2010(9)：31-33

［2］王小艳.静止无功发生器的电流检测和控制策略研究［D］.西安：西安理工大学2010.

［3］郑倩.静止无功发生器SVG(STATCOM)在城市电网应用研究［D］.2010.

［4］Matsuno K,Iyoda I,Oue Y.An Experience of FACTS Development 1980s and1990s［C］//2002 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition：Asia Pacific.6-10 Oct 2002：1378～1381.

［5］Blazic B,Papic I.Improved D-statcom control for operation with unbalanced currents and voltages［J］.IEEE Transactions on Power Oelivery,2006,21(1)：225-233.

(编辑:刘宝江)

5 结束语

本文通过对SVG控制策略的研究,在SVG拓

SVG system modeling and simulation based on double closed-loop control strategy

DAI Bin,DU Qin-jun,SHI Xiang,LU En-qing
(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

Static var generator(SVG)has the properties of dynamics and adaptive,which makes it become the first choice of scheme and development direction for the reactive power compensation.In this paper,the basic structure of SVG topological model is made,the mathematical model of SVG is established.And then based on the mathematical model,the double closed-loop control strategy for SVG is proposed,which is inner-loop control design for current and outer loop control design for voltage.The feasibility and correctness are proved by circuit modeling and simulation verification using the Matlab/Simulink simulation tool.

SVG；the mathematical model of SVG；the double closed-loop control；simulation verification

1672―6197(2013)01―0054―05

TM76

A

2012- 09- 18

代彬,男,dbaxyz@163.com；通信作者：杜钦君,男,duqinjun@sdut.edu.cn