級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)仿真?

李月英 宋長健

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)航空航天學(xué)院 天津 300350）

1 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)中大量感性負(fù)載和沖擊性負(fù)載的接入，帶來了無功、諧波污染、電壓跌落、三相不對稱等電能質(zhì)量問題［1］。無功功率雖然不消耗電能，但一段時間內(nèi)電力系統(tǒng)中流動著大量的無功功率，會產(chǎn)生大量的電能損耗，造成電壓漲落，影響電能的質(zhì)量和用電設(shè)備的壽命。級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）作為無功補(bǔ)償領(lǐng)域的最新技術(shù)，SVG具有控制性能優(yōu)良、綜合補(bǔ)償能力強(qiáng)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)性顯著等特點(diǎn)，能夠綜合補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無功損耗、提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)、抑制電網(wǎng)中的諧波電流并在不平衡負(fù)載的情況下保持三相電流平衡等優(yōu)勢［2］。因此，目前的電網(wǎng)質(zhì)量治理領(lǐng)域，SVG技術(shù)成為爭相研究的熱點(diǎn)［3］。

國內(nèi)外專家學(xué)者在無功優(yōu)化補(bǔ)償方面做了很多研究，得出了很多有價(jià)值的理論成果。1995年，諾布斯瓦提出了一種投影梯度法，有效解決了傳統(tǒng)矩陣運(yùn)算不穩(wěn)定問題［4］。2003年，賽科提出了一種無需對雅可比矩陣求逆的線性規(guī)劃法，把原本目標(biāo)函數(shù)與約束條件在雅可比矩陣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，將問題轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)電壓的線性靈敏度的問題，提高了算法的運(yùn)算效率［5］。2007年，萊恩將遺傳算法引入到的無功補(bǔ)償中，遺傳算法在相當(dāng)規(guī)模電力系統(tǒng)的收斂速度較慢，計(jì)算耗時較長［6］。

但是，由于SVG要使用數(shù)量較多的大容量全控型功率元件，工程造價(jià)相對較高，且我國在此領(lǐng)域相比發(fā)達(dá)國家來說研究水平還有差距，SVG成功投運(yùn)的項(xiàng)目還很少，對靜止無功裝置的研究還有待提高。因此，在驗(yàn)證算法的有效性和對一些要進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)捻?xiàng)目進(jìn)行前期的論證方面，搭建仿真系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值［7］。

本文模擬了某用電企業(yè)分別在電網(wǎng)平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載的情況，在Matlab/Simulink環(huán)境下，采用移相載波控制略搭建了級聯(lián)的SVG系統(tǒng)，分析出了主要模塊的功能和參數(shù)，完成了無功補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)。

2 仿真模型和仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 電源系統(tǒng)

根據(jù)某用電企業(yè)的實(shí)際情況的復(fù)雜性，電源系統(tǒng)，電源的仿真模型的三相電源，不考慮非對稱三相電源的情況。電網(wǎng)線電壓有效值3500V，電網(wǎng)頻率50Hz，電源內(nèi)阻為0.000314Ω。系統(tǒng)仿真的架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)仿真架構(gòu)圖

2.2 負(fù)載部分

某大型用電企業(yè)供配電線路各級配電網(wǎng)絡(luò)中的存在著大量的變壓器、電抗器。各動力區(qū)域存在很多電動機(jī)負(fù)載，它們在正常情況下一般工作在線性區(qū)域，由于負(fù)載本身產(chǎn)生無功功率從而導(dǎo)致功率因數(shù)降低。這些負(fù)載有些是三相電源供電，如10KV，6KV，380V等級供電的變壓器和電動機(jī)、電感器等，屬于三相平衡負(fù)載，有些則是AC 380V，AC 220V單相供電，在負(fù)載投切時必然會引起三相的不平衡［8］。因此仿真模型中的阻感負(fù)載分為三相平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載兩種情況進(jìn)行模擬。

3 SVG無功與諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)

3.1 電流電壓檢測運(yùn)算模塊

該部分是整個仿真模型的核心部分。從結(jié)構(gòu)上來分，系統(tǒng)圖中的SVG-a、SVG-b、SVG-c分別是SVG裝置A相B相C相電流發(fā)生部分。每一相由5個H橋單元級聯(lián)而成。從控制功能角度來分，SVG主要包括電量檢測、計(jì)算電路和補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路。如圖2所示，為電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊。

仿真系統(tǒng)將采集到的三相電壓信號經(jīng)速率轉(zhuǎn)換輸入到V-dq轉(zhuǎn)換模塊［9］，從而使得三相電源信號轉(zhuǎn)換至d-q坐標(biāo)系下，得到ud和uq，然后計(jì)算提取得出正弦和余弦信號。

圖2 V-dq電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊

三相負(fù)載電流信號輸入至電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，如圖3，經(jīng)過簡單運(yùn)算后進(jìn)入abc-dq0模塊，經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出id和iq，然后經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)得出d-q坐標(biāo)系的基波分量id1和iq1。id和id1、iq1和iq分別做差得出需要補(bǔ)償?shù)目傠娏鳎?jīng)dq0-abc模塊轉(zhuǎn)換后，輸出三相坐標(biāo)系需要補(bǔ)償?shù)娜嚯娏鳎?0］。因此通過該模塊的轉(zhuǎn)換，完成了負(fù)載電流的檢測，并計(jì)算出了待補(bǔ)償電流。

圖3 電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊

3.2 補(bǔ)償電流發(fā)生模塊

以A相為例，可以看出，通過對輸入電壓和待補(bǔ)償電流、電容電壓的控制計(jì)算，在H橋控制模塊生成參考的單位PWM調(diào)制波。參考調(diào)制波輸入到電流發(fā)生模塊，經(jīng)過運(yùn)算、驅(qū)動，輸出A相正弦波電量。補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路如圖4所示。

調(diào)制波生成模塊如圖5所示，該模塊通過對采集后的補(bǔ)償電流和電壓進(jìn)行運(yùn)算，得出了單位參考調(diào)制波。為了提高控制性能，引入補(bǔ)償電流和電容直流電壓的閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)［11～12］。

圖4 補(bǔ)償電流發(fā)生電路框圖

圖5 調(diào)制波生成模塊

圖6 觸發(fā)脈沖生成模塊

仿真模型控制策略采用載波移相與單極倍頻調(diào)制，其中三角載波信號載波頻率為1kHz。幅值為1，經(jīng)信號傳輸延遲模塊達(dá)到移相作用。每個H橋的參考調(diào)制信號與對應(yīng)的直流側(cè)電容電壓控制量疊加后構(gòu)成最終的調(diào)制波，與三角載波和反相三角載波比較，從而得出H橋四個IGBT管子的觸發(fā)信號，以A相H1橋?yàn)槔溆|發(fā)脈沖波形如圖7所示。

圖7 A相H1橋單位觸發(fā)脈沖信號

在SVG控制過程當(dāng)中，對于直流電壓的均衡控制也是難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)［13～15］。本仿真模型架構(gòu)中主要采取相內(nèi)電壓平衡控制和相間平衡相結(jié)合方式。圖8所示，A相5個H橋中的電容電壓加和求平均后作為該相的參考直流電壓，然后參考電壓與各橋電壓比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出量與無功電流進(jìn)行乘除運(yùn)算，得到該橋的直流側(cè)電容電壓控制輸出量，該控制量疊加上參考PWM波形作為最終的調(diào)制波控制觸發(fā)信號，以此來保證相內(nèi)直流電壓平衡。維持相間電壓平衡的辦法主要是通過微調(diào)三相調(diào)制波的相位來實(shí)現(xiàn)的，不同于其他文獻(xiàn)采用三相所有電容電壓的平均值，本模型中而是采用統(tǒng)一恒定電容電壓值控制輸出參考PWM波形。

圖8 相內(nèi)電壓平衡控制模塊

4 仿真結(jié)果分析

4.1 三相平衡性負(fù)載補(bǔ)償仿真

設(shè)定系統(tǒng)整個仿真過程時間為0.2s，參數(shù)設(shè)置如下。阻感串聯(lián)平衡負(fù)載:A相電阻R為10Ω，電感L為1.83mh；B相電阻R為10Ω，電感L為1.83mh；C相電阻R為10Ω，電感L為1.83mh，其余負(fù)載由斷路器將所在支路斷開，仿真波形如圖9所示:

圖9 補(bǔ)償前的電網(wǎng)電壓、電流波形

因?yàn)槿嗥胶庳?fù)載三相對稱，所以僅取A相電壓和電流作為依據(jù)，圖9中顯示補(bǔ)償前的A相電壓與電流之間存在相位差，電流滯后于電壓30°。

圖10 補(bǔ)償電流波形

SVG裝置發(fā)出的補(bǔ)償電流波形，從仿真的開始瞬間有一個大的波動，在一個周期內(nèi)恢復(fù)規(guī)則的補(bǔ)償狀態(tài)，最大幅值大約50A。

圖11 補(bǔ)償后的電網(wǎng)電壓和電流波形

經(jīng)過SVG補(bǔ)償無功功率后，電網(wǎng)電流保持正弦波形，經(jīng)過一個周波的調(diào)整，電壓和電流保持同步。從圖12中三個變量的比較，可以清晰地看出三者之間的相位關(guān)系。

圖12 補(bǔ)償前后電壓、電流波形比較

從圖13可以看到，補(bǔ)償前的電網(wǎng)功率因數(shù)大致為0.86，而補(bǔ)償后的近似為1。

圖13 功率因數(shù)

因此對于平衡阻感負(fù)載，工作在線性區(qū)域，補(bǔ)償前后電流波形都為正弦波，所以諧波含量很低。SVG對于純無功補(bǔ)償，可將功率因數(shù)提高到1而不過補(bǔ)，達(dá)到了補(bǔ)償效果。

4.2 三相不平衡負(fù)載補(bǔ)償仿真

設(shè)定系統(tǒng)整個仿真過程時間為0.2s，負(fù)載參數(shù):阻感串聯(lián)不平衡負(fù)載，A相電阻R為10Ω，電感L為1.83mh；B相電阻R為10Ω，電感L為3.66mh；C相電阻R為10Ω，電感L為5.49mh。其余負(fù)載由斷路器將所在支路斷開，仿真波形如圖14所示。

圖14 補(bǔ)償前的三相電流波形

從圖14看出由于三相阻感負(fù)載不平衡，電網(wǎng)的三相電流大小不一致，A相幅值約為250A，B相幅值約為200A，A相幅值約為280A。這是因?yàn)殡娏髦胁坏嬖谡螂娏鳎€存在著負(fù)序電流，此時電網(wǎng)的情況較平衡負(fù)載時要復(fù)雜很多。

針對不平衡性負(fù)載無功的補(bǔ)償和諧波的治理，SVG在補(bǔ)償過程中普遍采用雙序同步控制策略，從圖15中可以看到A相B相和C相的補(bǔ)償電流無論是在波形上還是幅值上都有區(qū)別。

圖15 SVG無功與諧波發(fā)生器的補(bǔ)償電流

圖16 補(bǔ)償后的三相電流波形

通過SVG的補(bǔ)償，大約經(jīng)過一個周期的調(diào)整過程，電網(wǎng)三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)，幅值相同，最大值大約維持在280A。所以通過仿真結(jié)果得知SVG對于不平衡負(fù)載的補(bǔ)償也可以達(dá)到令人滿意的效果。

5 結(jié)語

搭建了三相各5個H橋級聯(lián)的SVG無功補(bǔ)償仿真系統(tǒng)，計(jì)算并設(shè)置了系統(tǒng)電源模塊、不同負(fù)載模塊、SVG無功與諧波發(fā)生模塊的主要參數(shù)，分析了電流電壓檢測模塊、補(bǔ)償電流發(fā)生模塊的功能和控制方式，做了三相平衡性阻感性負(fù)載和三相不平衡阻感性負(fù)載的無功補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波抑制，功率因數(shù)提高到0.98，補(bǔ)償精度較好，電流波形近似正弦且相位與電壓相位幾乎一致，沒有出現(xiàn)過補(bǔ)和欠補(bǔ)，達(dá)到了滿意的無功補(bǔ)償和諧波抑制效果。