静止无功发生器双环控制研究

郭　克，高舜宇，郑　雷，汤　键

（广东工业大学自动化学院，广东广州510006）

静止无功发生器双环控制研究

郭克，高舜宇，郑雷，汤键

（广东工业大学自动化学院，广东广州510006）

研究了一种基于电压源型变流器（VSC）的静止无功发生器的双环控制策略，该系统能够根据参考电流实时发出系统所需要的无功电流，速度响应快，补偿性能好。建立了两相同步坐标系下的VSC的数学模型，在此基础上，采用改进的电压外环、电流内环的双环控制策略。电压外环采用直流侧电容电压快速响应PI控制器计算出的增益来代替传统PI控制器的增益，在不改变控制结构的基础上，使其既能维持直流母线电压稳定，又能获得更快的动态响应速度；电流内环采用前馈解耦控制实现对有功和无功电流的独立控制。仿真和实验结果表明了该控制策略的正确性及有效性。

SVG；双环控制；解耦控制

0　前言

柔性交流输电系统（FACTS）作为一项能够有效改善电网电能质量的新兴技术，得到了快速发展。而静止无功发生器（SVG）作为FACTS中的一项核心装置［1-2］，由于具有良好的控制性能和补偿效果，成为了电力系统中柔性交流输电装置的研究热点。

在静止无功发生器的控制策略中，文献［3］采用间接电流的控制方式，其控制简单，但存在着动态响应较慢，对系统相关参数敏感的问题；文献［4］采用直接电流的控制方式，实现网侧电流的闭环控制，使得SVG的电流动态和静态特性得到较大的提高，但电压外环控制采用传统的PI控制方式，使其直流侧电压控制较慢，影响系统的响应速度。文献［5］中电压外环采用自适应的PI控制器解决以上问题，但其控制复杂，不利于工程实现。

本文电压外环采用直流侧电容电压快速响应PI控制器计算出的增益来代替传统PI控制器的增益，在不改变控制结构的基础上，使其既能维持直流母线电压稳定，又能获得更快的动态响应速度；电流内环采用前馈解耦控制，通过对有功无功电流的独立控制解决了对系统参数敏感的问题，增强了SVG控制系统的鲁棒性。仿真和实验结果均证明该控制策略可行。

1　静止无功发生器dq坐标系下数学模型

SVG装置的主电路如图1所示，其中ea、eb、ec为三相电网电压瞬时值，L为输出连接电抗器滤波电感，R为SVG装置的等效电阻，C为直流侧电容，ua、ub、uc为SVG装置桥式换流器交流侧输出相电压，ia、ib、ic为SVG装置桥式换流器输出相电流，udc为直流侧母线电压，idc为直流侧母线电压。

根据KVL，得到SVG装置在三相静止坐标系（abc）下的方程［6-7］：

图1　SVG装置主电路拓扑

2　静止无功发生器双环控制

由于系统的复杂性和多种扰动因素，控制策略首先要保证系统的稳定性和抗扰能力。其次，SVG系统还强调对输入指令（补偿无功电流）的跟踪能力，控制策略还应兼顾跟踪能力。又由于系统的快速动态特性要求，不可能在极短暂的时间内实现复杂算法，故控制策略还应简洁高效［8］。因此，SVG控制系统采用基于dq坐标系下的双环前馈解耦控制［9］，系统由电压外环、电流内环组成，其系统控制框图如图2所示。

图2　系统控制框图

（1）电压外环控制

由于传统电压环PI控制器在负载突变情况下补偿无功较慢，本文拟采用直流侧电容电压快速响应PI控制器计算出的增益，代替传统PI控制器的增益，在不改变控制结构的基础上，使其即能维持直流母线电压稳定，又能获得更快的动态响应速度，如图3所示。

图3　电压外环控制

传统电压外环控制器输出：

快速响应的电压外环控制器输出：

即：

简化为，

其中，

则有，

（2）电流内环控制

采用基于瞬时无功功率理论地改进的检测方法得到负载电流中的无功指令，这里设为。在有功和无功指令已确定的情况下，未加前馈解耦的桥式换流器的输出电压指令式如下：

由以上数学模型可知，系统在dq同步旋转坐标系下是相互耦合的，这样不利于PI调节器对有功和无功电流进行闭环控制，故在电流内环中引入前馈解耦环节［9］。

再将上式代回至（13）式中得到有功和无功电流解耦控制的表达式：

其中，把Δvd和Δvq当作桥式换流器交流侧输出电压v*d和v*q的控制量，通过PI调节器调节得到Δvd、Δvq：

采用两个独立的补偿网络，控制相应的有功电流分量和无功电流分量。这样即实现对有功功率和无功功率的独立控制。

3　仿真分析

利用MATLAB/Simulink工具箱建立了基于电压外环、电流内环控制的SVG系统仿真模型，其仿真参数如表1所示。

表1　SVG系统仿真参数

系统仿真中，分别对静止无功发生器控制系统的稳态、动态无功补偿进行了研究研究，具体分析如下。

当负载侧为阻感性负载时，系统仿真波形如图4所示，0～0.04 s，SVG系统先经不控整流对直流侧电容充电至600 V左右，从0.04 s～0.084 s，直流侧电压由桥式换流器经整流从电网获取能量，并通过软启动控制达到所需稳定的直流侧电压700 V，待直流侧电压稳定后，即0.084 s后切换至SVG补偿工作状态，图4（a）即直流侧电压建立过程波形，在补偿过程中直流侧电压一直维持在700 V附近，波动较小；图4（b）为a相电压Ua、系统a相电流isa及负载侧电流ifa补偿前后波形，补偿前，系统电流isa滞后于a相电压Ua，0.084 s后SVG正常工作，不到一个电压周期，系统电流isa与a相电压Ua基本同相，负载突切至一半时，能够快速达到稳定；且功率因数由补偿前的0.8以下快速达到0.99以上，如图4（c）所示；图4（d）为SVG系统输出a相电压、补偿电流波形，系统输出电流波形正弦度良好，反应迅速。稳定工作一段时间后，在0.14 s时刻，负载突切至一半，系统在半个工频周期内即达到稳态，响应速度快，且补偿效果明显。对于阻容性负载，其仿真波形与阻感性负载类似。

图4　阻感负载突变动态无功补偿波形图

4　实验分析

图5是搭建的低压静止无功发生器实验平台，在实验室条件下进行了低压小功率实验，其中交流侧线电压经调压器输出为80 V，直流侧电压给定200 V，阻感负载（2 Ω/5 mH），阻容负载（2 Ω/1 mF），其他参数与仿真参数一致。

图5　SVG实验装置实物图

当负载接阻感性负载，通过示波器测量出补偿前负载端相电压、电流波形如图6（a）所示，横坐标轴为10 ms/div，纵坐标轴负载侧电流对应为25 A/div，电压对应为30 V/div，直流侧电压对应80 V/div；其中电压超前电流38°左右，功率因数约为0.79；图6（b）所示为补偿后的负载电压、电流相位关系图，可以看出，补偿后电压、

图6　阻感性负载补偿前后电压与电流波形

电流相位已经接近同相，功率因数基本为1，正弦度较好，且感性无功基本补偿，电流幅值减小，补偿效果明显。对于阻容性负载，其实验波形与阻感性负载波形类似。

5　结论

本文基于电压源型VSC的拓扑结构和数学模型，对低压静止无功发生器的双环控制策略进行了研究，通过仿真和实验验证，该控制策略能保证SVG能够根据参考电流实时发出系统所需要的感性和容性无功电流，补偿性能良好。

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Dual Loop Control Research of Static Var Generator

GUO Ke，GAO Shun-yu，ZHENG Lei，TANG Jian
（Guangdong University of Technology，Automation Faculty，Guangzhou510006，China）

This study based on voltage source converter（VSC）Static Var Generator double loop control strategy，the system can send out real-time systems require reactive current according to the reference current，fast response speed，good compensation performance. First，make a mathematical model of two-phase synchronous VSC coordinates，and on this basis，adopt an improved outer loop voltage，current loop double loop control strategy.Voltage outer side capacitor voltage DC fast response PI controller calculates the gain to replace the traditional PI controller gain，without changing the control structure based on it both to maintain the DC bus voltage stability，but also faster dynamic response speed；current loop feedforward decoupling control to achieve independent control of active and reactive current. The simulation and experimental results show the validity and effectiveness of the control strategy.

SVG；bicyclic control；decoupling control

TM401

A文献标识码：1009-9492（2015）12-0014-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.004

郭克，男，1988年生，河南平顶山人，硕士研究生。研究领域：电力电子功率变换器、电缆绝缘检测。

（编辑：阮毅）

2015-06-30