基于无功开环的SVG控制方法研究

许敏敏，韩如成，渠爱霞

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



基于无功开环的SVG控制方法研究

许敏敏，韩如成，渠爱霞

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

摘要：针对系统中非线性负载引起的功率因数低、无功缺额大及谐波含量高等电能质量问题，本文提出了一种无功功率开环控制的策略。该控制策略对于常规的间接电流控制方法进行改进，利用无功控制的电压外环对于功率因数参量进行控制。即给定一个理想的功率因数，与实际功率因数比较后经过一系列的控制来控制系统的无功电流。最后，利用PSCAD工具对于系统进行仿真建模，仿真结果证明了SVG利用该改进的控制策略，能够准确的响应系统之中的无功的动态变化来补偿系统的无功。

关键词：电能质量；开环；SVG；功率因数

随着工业现代化的发展，用户对于电能质量的要求越来越高。电网存在的功率因数低，无功功率不足等问题，使得发供电设备的有效利用率降低，并且在输电线路上的损耗变大，给国家和社会造成巨大经济损失。由于系统中的负荷随着时间时时变化的，所以动态无功补偿对于维持系统的稳定运行以及有效改善电能质量意义重大。静止无功发生器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)SVG因为调节速度更快，运行范围宽，谐波含量低，体积小成本低等优点，使之在无功补偿的应用上越来越广泛[1-2]。影响SVG控制精度的因素主要有以下几个方面：无功电流的检测方法，PWM调制方法和无功补偿的控制策略等。近年来，许多学者针对以上几个方面都有比较深入的研究。

在无功电流检测方面，文献[3]指出在电网电压不对称情况下，传统的无功电流检测方法不能准确提取系统中的无功电流，提取A相正序电压作为锁相环的输入，改进后能够提高无功电流检测精度。文献[4]提出一种无锁相环且适合电网电压畸变且不对称的提取正序电压相位的方法，消除了锁相环对于电流检测的影响，提高了电流检测精度。

在PWM调制方法方面，文献[5]分别对双极性CPS-SPWM调制方法和单极倍频CPS-SPWM调制方法分析建模，仿真分析得知，采用单极倍频CPS-SPWM调制方法比双极性其输出波形更接近正弦波，等效开关频率高，具有更好的消除谐波的特性。文献[6]研究一种基于60°坐标系的空间矢量脉宽调制方法，降低了电容电压的不平衡性。SVPWM比SPWM直流电压利用率提高了15.47%，但是通常局限于小于五电平的电路。

在无功补偿的控制策略方面，无功电流控制方式一般分为直接电流控制和间接电流控制两类。间接电流控制主要适用于大功率高电压装置，静态特性好，但由于实现方法复杂，控制精度往往不高，动态响应速度比较慢，适合于大容量高电压场合；直接电流控制可以实现对电流瞬时值的快速跟踪，具有控制精度高、动态响应速度快的优点，能够快速满足系统需求，适合低电压小容量场合[7]。

本文采用链式H桥星型连接的拓扑连接，针对系统中非线性负载引起的功率因数低，无功缺额大及谐波含量高等电能质量问题，提出一种对于功率因数直接控制的方法，该控制方法能够动态的快速补偿系统中的无功。

1链式H桥SVG的主电路结构和工作原理

SVG电路结构可以分为电压型桥式电路(VSI)和电流型桥式电路(ISI)两种，主要考虑运行效率原因，一般选用电压型桥式结构。

链式H桥SVG主电路结构如图1所示。SVG主电路采用星型连接。其中isi，ili和ici(i=a，b，c)分别为网侧系统中电流，负载侧电流和流入SVG的电流。每相上H桥功率单元进行串联组成每相的换流链A、B、C.

图1　链式H桥SVG主电路结构

每相上由n个H桥功率单元串联而成，开关器件选用具有自行关断能力的IGBT，SVG通过电感L和电阻R连接在电网和负载之间。SVG每个功率单元的直流侧采用电容C作为储能元件和电压支撑元件。

SVG在正常工作时，可以通过控制IGBT的开通和关断，将直流侧电压通过逆变转化成与交流电网同频率的交流电压[8]。

由于SVG本身不消耗无功功率，所以U_SVG和I的相位差为90°.系统电压US和电流I的相位不再为90°，而是比90°小了δ角。说明系统提供了部分有功功率来补偿电路之中的损耗，用来维持SVG直流侧的电压稳定。相对于系统电压来讲，电流I不仅仅包括无功分量，而且还包括部分有功分量。在电流超前的情况下，δ<0，SVG工作在容性工况，SVG补偿容性无功功率；在电流滞后的情况下，δ>0，SVG工作在感性工况，SVG补偿感性无功功率[9]。

2SVG的数学模型

建模之前需要有以下的假设条件：

(1)系统电压Usa、Usb、Usc三相对称并且没有谐波。

(2)三相连接电感L相同。

(3)逆变器装置内部的损耗用等效电阻R表示。

各相逆变桥的参数完全相同。系统的三相电压为以下表示：

(1)

SVG三相输出的电压为：

(2)

其中，N为每相级联H桥单元的个数，M为调制比。根据SVG的单相等效电路图可以列出SVG的三相数学模型：

(3)

将方程(3)进行abc/dq转换，得到以下方程：

(4)

其中abc/dq转换的变换矩阵为：

当电网电压Us与d轴重合时:

(5)

3SVG控制策略

3.1反馈解耦控制

将表达式(2)写成矩阵形式，经过变换矩阵C处理，可得：

(6)

由此可得Ucd和Ucq的控制策略如下所示：

(7)

图2　SVG交流侧反馈解耦控制框图

3.2直流电容电压控制

由于在实际中三相逆变器的功率模块损耗存在差异，同时开关器件的脉冲也存在延时等多方面因素，使得H桥直流侧电容电压不平衡。而直流侧电压不平衡会引起有功电流的给定值不定，影响整个系统的电流跟随性能。

基于上述情况，本文采用分层控制策略来解决直流侧电容电压不平衡[10]。 第一层控制总的有功电流，第二层控制直流侧各电容电压均衡。

直流侧电容的能量关系可以表示为：

(8)

将式(2)带入式(8)经过abc/dq变换得到：

(9)

M为调制比，C为直流侧电容总电压。

由于δ很小，所以(9)式中Udc与id可以视为线性关系。所以直流侧电容电压上层控制可以设计为有功电流外环控制。即对直流侧电压给定值与平均值做差，通过PI控制得到有功电流的给定理想值。

图3表示的是针对于每相直流侧电压损耗存在差异而设计的电压均衡策略，即直流侧电压控制的下层控制策略。

图3　直流侧电容电压均衡控制图

其中所得到的调制波电压的调节量与桥臂电流有关[11]，即将每相中直流侧电压的实际值和直流侧电容电压的平均值比较后，经过一个PI控制器调节，所得的值与所在的每相桥臂H桥模块单元的电流相乘，即得到了SPWM每相的调制波微调指令。微调指令再与调制策略所得到的调制波相加，得到实际应用中的调制波，以此来维持直流侧电容电压平衡。

3.3控制策略

图4　SVG控制系统结构框图

瞬时无功功率，瞬时有功功率以及无功电流给定值的表达式分别为以下：

P=Usdid+Usqiq=Usdid

Q=Usdiq-Usqid=Usdiq

(10)

4仿真分析

为了验证本文所提出的控制策略的可行性，在PSCAD仿真软件中搭建H桥级联SVG模型。具体的模型参数如下表1所示。本文设置的数值均为标幺值。

在实际中功率因数在0.95左右就可符合实际要求，因此本文设定的功率因数值为0.95.SVG在0.1 s后解锁动作，负载采取星型连接(有功4 MW，无功3 Mvar).

表1　级联H桥SVG仿真参数

如图5所示SVG逆变器侧交流电流值。在0.1 s时SVG开始动作，逆变器侧电流符合要求。

图5　SVG逆变交流侧电流

图6　系统侧功率因数

由图6可以看出，在0.1 s之前因为负载侧的电容充电，容性无功逐渐增大，使得系统的功率因数逐渐降低，而在SVG投入动作之后系统的功率因数保持在0.95，达到所需要的目标。

图7中在0.1 s之前直流电压外环的电流和理想的电流之间存在偏差，0.1 s时SVG动作之后两者电流相同，外环电流可以跟随理想值。

由图8可以看出在0.1 s之前无功电流的给定值在变小，这与本文控制策略相吻合，在0.1 s之前给定的无功电流正比于系统之中的无功。0.1 s时SVG动作之后两者电流相同，内环无功电流可以跟随理想值。

图7　直流电压外环电流

图8　内环电流

由图9可以看出网侧系统进线的有功和无功在0.1 s之前，有功逐渐增大，无功逐渐减小主要原因为开始时系统对电感和电容进行充电状态。在0.1 s之后系统有功无功维持在恒定值，与图6系统侧的功率因数相对应。

由图10可以看出SVG输出的有功和无功在0.1 s之后数值发生变化，SVG输出侧的无功根据系统的需要进行动态补偿。可以证明本文所用的控制策略可以达到较好的控制效果。

图9　系统进线的有功和无功

5结束语

通过对于链式H桥SVG工作原理，数学模型进行研究分析，提出了改进SVG的控制策略，以此来完成系统的动态无功补偿。通过在PSCAD仿真平台上仿真，结果证明该控制方法有效，能够动态的补偿系统中的无功。

图10　SVG输出侧有功和无功

参考文献：

[1]李可，卓放，李红雨.直接电流控制的静止无功发生器研究[J].电力电子术，2003，37(3)：8-11.

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[3]王彩娟，韩如成，智泽英.基于载波移相技术的静止无功发生器(STATCOM)的研究[J].电气技术，2013，6(6)：19-21.

[4]吴超，常鲜戎.D-STATCOM 的一种无锁相环补偿电流检测法[J].电力科学与工程，2014，30(10)：31-35.

[5]常志琴，孙丽玲，谢欢.H桥级联SVG的载波移相调制技术研究[J].电测与仪表，2014，51(4)：66-71.

[6]赵辉，李瑞，王红君.60°坐标系下三电平逆变器SPWM方法的研究[J].中国电机工程学报，2008，28(24)：39-43.

[7]王轩，林嘉扬，滕乐天.d-q-0 坐标系下链式 STATCOM 电流控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32(15)：48-52.

[8]李玲玲，谢实平，杨超.静止无功发生器的直接电流控制方法的研究[J].电气应用，2014，33(11)：74-77.

[9]丁宁，张加胜.静止同步补偿器的建模与控制方法研究[J].电测与表，2011，48(550)：47-50.

[10] 周轩，赵剑锋.桥级联式结构直流电压平衡控制研究[J].电气应用，2010，29(4)：46-48.

[11] 彭智育.基于H 桥级联的链式STATCOM 仿真研究[J].软件，2014，35(7)：129-133.

Research on SVG Control Method Based on Open Loop Reactive Power

XU Min-min，HAN Ru-cheng，QU Ai-xia

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：Aiming at power quality problems of low power factor，large shortage of reactive power and high harmonic content caused by nonlinear load in the system，this paper proposes a reactive power open-loop control strategy.This control strategy is used to control the power factor in the voltage outer ring，which is based on the conventional indirect current control method.This control strategy gives an ideal power factor，which is compared with the actual power factor，to control the system's reactive current after a series of control.In the end，the PSCAD tool is used to simulate the system.The simulation results show that SVG can compensate reactive power in the system quickly with the improved control strategy.

Key words：power quality，open loop，SVG，power factor

收稿日期：2015-10-14

作者简介：许敏敏(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为电能质量分析与控制；通讯作者：韩如成，教授，E-mail：rucheng59@126.com

文章编号：1673-2057(2016)04-0251-05

中图分类号：TM714

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.001