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新型静止无功发电机单向控制仿真研究

 
 


介绍

静止无功发生器(SVG,也称为STATCOM)是柔性交流输电系统(FACTS)系统中的重要电力电子设备。它用于无功功率补偿和平衡接入点电压。其中一个有效的手段。在电力行业,由于三相四线制系统广泛应用于电力供应,住宅建筑和城市供电等电力系统,中性电流,无功功率和三相不平衡问题越来越多地受到关注。注意。三相四线SVG可以有效地弥补上述情况。随着SVG在该领域的逐步发展,其控制方法已成为近年来的热门话题。目前,SVG的控制主要从两个方面来考虑:控制策略和外部闭环反馈控制的选择。它可分为电流间接控制和电流直接控制。单周期控制(OCC)方法是美国学者Keyue Ma Smedley和Slobodan Cuk [1]首先提出的非线性控制方法。在最近的研究中,单周期控制理论已经成功应用了DC-DC转换,功率因数校正和开关转换器。文献[2]首先提出OCC可以应用于APF。目前,OCC已应用于单相和三相APF,并取得了一系列改进[3-5]。本文提出了一种由单周期控制的三相四线SVG。理论分析和仿真结果表明,该方案能有效补偿三相四线制中性点电流和无功功率,解决三相不平衡问题。增加传输线功率因数和传输效率的问题。

1个单周期控制的三相四线静止无功发生器

单周期控制的基本原理是保持开关器件的开关频率。通过控制开关占空比,每个周期中的开关变量的平均值等于或与控制参考信号成比例,从而消除了稳态和瞬态误差。根据单周期控制的调制方法,单周期控制分为单极调制和双极调制。本文讨论的方法采用双极调制。一周控制静止无功发生器的控制目标是补偿无功功率并将功率因数调整到接近1,因此当静止无功发生器有效工作时,控制SVG功率开关的占空比使网格侧电流波形跟踪电压波形,使SVG与电源侧的非线性负载并联后的等效电路可视为稳态下的等效线性电阻负载,即其中: ua,ub,uc是电网电压,isa,isb,isc是电网侧的电流,Re是系统的等效电阻。图1显示了SVG主电路[6]。采用电压桥式变换电路,电源单元采用IGBT全控制器,通过电抗器集成到电网中。作为主电路的转换器在补偿无功电流的过程中处于逆变器状态,并且在对DC电容器充电时处于整流状态。由于系统处于非对称运行状态,负序和零序电流成为有害电流的主要部分。为了补偿负序和零序电流,SVG采用三相四线两电平逆变桥,三相四线制。系统补偿。图中直流侧电压的控制也成为控制电路的主要部分,因为系统产生的负序和零序电流会导致直流侧电容器电压波动,影响其正常运行,因此平衡电容器电压也是控制的重点。

在图1所示的具有单周期控制的SVG中,Qa1,Qa2 ... Qc2分别是开关Sa1,Sa2 ...... -Sc2的触发信号。由于能量在AC电源和电容器之间沿两个方向流动,因此逆变器工作在四象限状态,Sa1和Sa2的占空比分别为da1和1-da1(另外两个是相同的) 。文献[7-8]给出了基于开关周期平均模型分析的等效电路。文献[9]使用切换函数分析了其数学模型。本文仅讨论逆变器的连续导通模式(CCM),等效电路如图2所示。

让系统电压对称,器件的开关频率远大于系统频率。在一个开关周期中,指向反相器桥的“O”点的A,B,C的电压可写为:。

由于Re是一个随负载变化的未知量,因此不能用作控制的基础。从分析中可以看出,Re的变化可以通过检测存储电容器上的电压变化来确定[10]。由于系统处于稳态运行,静态无功发生器仅提供无功和谐波电流而没有任何有功电流损失,并且没有有功电流流入。从功率平衡可以看出,稳态期间电容电压保持不变操作,即当等效输入电阻Re恒定时。如果负载电流中的有功电流发生变化,即等效电阻Re发生变化,则电源提供的基波有功电流和负载电流中的基波有功电流分量不相等,从而提供一些有功电流由电源流入SVG。由该部分有功电流产生的有功功率引起SVG中的存储电容器的电压变化。这样,只需要检测电容器电压的变化以获得Re变化的信息,使得Um=(Rs/Re)E,其中Rs是连接电抗器的等效电阻值,并且Um进入等式(5)得到:。公式(6)描述了电源电流,开关占空比和直流电压补偿器输出之间的关系,是单周期控制实现的基础。由于系统的开关频率远大于电网电压的频率,因此Um在一个开关周期内几乎是恒定的,可以认为是一个常数,然后是:

其中:τ=KTs是积分常数,Ts是开关周期。如果τ=1/2T,T是电网电压的周期,则等式(7)变为等式(6)。但实际上,电容器电压应该波动,Uc1和Uc2不相等,让ΔU=Uc1-Uc2,Uc1=E,根据公式(2)得到:

与方程(6)相比,我们可以看到直流侧电压不平衡对SVG的影响。如果电容器电压波动太大,将影响SVG的正常运行。这需要增加一个消除ΔU并平衡电容器电压的负反馈环路。文献[11]提出了一种基于当前滞环控制的解决方案。调整ΔU滤波器后,使用简单的PI调整来获得更好的结果。在本文中,两个电容器电压的误差ΔU与参考电压(取0)进行比较,然后通过PI调节发送到控制器。这种简单的方法可以有效地抑制直流侧的两个电容器电压不平衡。为了实现等式(9),可以通过积分Um得到,并且控制器的设计如图3所示。工作波形图4 [12]清楚地描述了单周期控制:时钟脉冲到达的过程,当Rs * isa等于Um(1-2da1)时,积分器开始积分直流电容电压的误差信号,满足(9),产生复位信号,积分器复位,输出保持为Um 。当下一个周期时钟脉冲到达时,重复前一个周期。可以看出,单周期控制通过控制开关的占空比并使逆变器开关变量的平均值与每个周期中的控制基准量相等或成比例来消除稳态和瞬态误差。错误不会进入下一个周期,瞬态响应很快。

2仿真结果

A,B,C三相电源连接到晶闸管整流桥(电阻负载,R=30Ω,L=15 mH),B还具有单相整流桥(R=20Ω)。参数模拟电路为: SVG接入电感为0.8 mH,电源电压为380 V,直流侧电容器电压通过调节达到950V,开关频率为20kHz。补偿前的电源电流和中性线电流iO的模拟波形如图5所示。从图中可以看出,补偿前的三相电流严重不平衡,波形失真严重。 A相和C相电流的THDi约为19%,B相电流的THDi约为48%,中线电流iO较大。经过SVG补偿后,三相电源电流大大提高,电流波形接近对称正弦波,失真小,中性线电流近似为零,如图6和图7所示。由一个周期控制的三相四线SVG可有效补偿非线性负载引起的系统谐波,无功功率和中性线电流,具有更好的补偿效果,不需要谐波和无功电流检测模块。电路结构简单可靠。

3个结论

本文提出了一种基于单周期控制的静止无功发生器控制方案。它不需要谐波和无功电流参考和采样。该控制器具有电路结构简单,开关频率低的优点。在对等效模型分析的基础上,推导出静止无功发生器的单周期控制关系。在此基础上,建立电路模型并通过仿真验证。仿真结果证明了本文提出的单周期控制静止无功发生器。它可以有效地补偿三相四线制中的无功和中性电流,解决三相不平衡问题,效果良好。

摘录自:中国计量与测量网络

[关键词]无功发电机,奥克官方网站,北京世纪奥克

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