中低壓配電靜止無功發生器的工作原理及其控制方法研究

摘 要:本文詳細介紹了SVG的工作原理，應用SIMULINK仿真技術對滯環控制和三角波比較控制策略在檢測法下進行了分析，得出了該種控制策略的優缺點。

關鍵詞:配電靜止無功發生器控制

中圖分類號:TM761文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2011)08(b)-0084-02

靜止無功發生器(SVG)是IEEE定義的一個廣泛意義上的靜止無功電源，通過恰當的控制可以將其轉換為具有特定功能或者多個功能的并聯無功補償器，SVC和STATCOM都屬于SVG的范疇。作為當今無功補償領域最新技術的代表，同時也是現代柔性交流輸電系統的核心組成部分，它具有輸出無功功率能力強，響應速度較快，接入系統后不存在諧振問題，且不需要安裝濾波器等優點。因此，SVG適于實時補償沖擊性負荷的無功沖擊電流和諧波電流，具有十分廣闊的應用前景和實際價值。

1 靜止無功發生器工作原理

SVG并聯于電網中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統所需無功功率。其基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經過電抗器或電容器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

SVG主電路通常分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。其電路基本結構由下列幾部分組成:直流電容器或電抗器，其作用是作為直流儲能元件為裝置提供一個電壓支撐;電壓型變換器(VSC)或電流型變換器(CSC)，由大功率電力電子開關器件組成，通過脈寬調制(PWM)技術控制電力電子開關的通斷，將電容器或電抗器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓;耦合變壓器(電抗器)或電容器，其作用是將變換器接入電力系統。受器件發展和成本等因素的制約，長期以來，電壓型變換器無論在研究投入上，還是實際應用上，都占據主導地位，電力系統中用的變換器幾乎都是電壓型變換器，因此，本文中的SVG專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態無功補償的裝置。

2 靜止無功發生器SVG的控制方法

靜止無功發生器SVG因其動態而靈活的無功補償方式成為當前無功補償的首選方案和發展方向，而這種優良的性能正是由其實時的控制實現的。靜止無功發生器SVG的電流控制方式可以分為間接控制和直接控制兩大類。間接電流控制是將SVG當作交流電壓源來看待，通過對SVG變換器所產生的交流電壓基波的相位和幅值的控制，來間接控制SVG的交流側電流。電流的間接控制方法多應用于較大容量的SVG(如輸電補償用SVG)的場合，因為容量較大時，受電力半導體器件開關頻率的限制，一般無法像直接控制法那樣對電流波形進行跟蹤控制。直接電流控制是將SVG當作受控源來看待，采用跟蹤型PWM控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制，雖然仍采用電壓源逆變器，但是卻能控制輸出電流，使它圍繞給定的正弦波作鋸齒狀變化。直接電流控制原理如圖1所示，其控制器主要由參考電流計算電路、電流跟蹤控制電路和直流電壓控制環三個部分組成。參考電流計算電路的作用就是計算該參考電流并送入電流跟蹤控制電路。電流跟蹤控制電路再通過變換器開關位置變化改變變換器的輸出電壓，使變換器的輸出電流跟隨參考電流變化。正因為直接對SVG輸出電流的瞬時值進行了跟蹤控制，而不像間接控制方法中那樣，通過電網電壓與SVG輸出電壓之間的角度差δ這個中間環節，所以直接電流控制在響應速度和控制精度上都有了很大的提高。因此，本論文中的控制方法采用直接電流控制方式。（如圖1）

常用的電流跟蹤控制方法有滯環控制方法。

滯環控制法通常是生成一個正弦波電流信號作為電流給定信號，將它與實際檢測到的變換器輸出電流信號進行比較，再經滯環比較器去觸發或關斷主電路中相應的開關器件，使實際電流追蹤給定電流的變化。具體地說，如果變換器輸出電流比給定電流大，并且大過滯環寬度的一半，則使變換器上橋臂開關器件截止，下橋臂開關器件導通，從而使變換器輸出電流減小;反之，如果變換器輸出電流比給定電流小，并且小過滯環寬度的一半，則使變換器輸出電流增大。這樣，變換器輸出電流就圍繞著給定電流變化，并被限制在滯環寬度以內。滯環比較器輸出特性如圖2所示。圖中為補償電流的給定信號，為變換器實際發出的補償電流信號。（如圖2）

定義一個開關函數

導通，導通 (1)（如圖3）

根據圖3單橋臂電壓型變換器滯環控制原理可推出以下關系

(2)

因而

( (3)

(

如果變換器中間直流電壓足夠大，即時，則

( (4)

這樣，改編變換器的開關狀態，即改變，就能使變換器輸出電流增大或減小。但是，要使輸出電流能追蹤給定電流的變化，輸出電流的變化率必須大于給定參考電流的變化率。

假設給定參考電流，則

(5)

一般來說，電流很小，下式都能滿足。

(6)

因此，SVG的輸出電流能很快地跟蹤給定電流，并受控在滯環寬度以內，電流有較快的動態響應，滯環寬度帶窄時，電流也有較高的精度。但是，置換寬度越窄，變換器開關器件的開關頻率就要越高。所以置換寬度受最高開關頻率的限制。

圖4為一個IGBT開關周期內電流的變化情形，h為滯環帶寬度。（如圖4）

由于一個開關周期很短，可假設在一個開關周期內保持恒定值不變。圖中，在A點，使，電流沿AB段上升，到達B點時，將超出滯環，則使，使電流沿BC段下降。在AB短，有

(7)

得

(8)

同理，對BC段可得

(9)

一個開關周期為

(10)

故開關頻率為

(11)

由此可見，開關頻率和滯環寬度成反比。

因此，在滯環控制方法中，朱鹮比較器的滯環寬度對補償電流的跟隨性能有較大的影響。當滯環寬度較大時，電力半導體開關器件的開關頻率較低，故對開關器件的要求不高，但是跟隨誤差較大，補償電流中高次諧波較大。反之，當滯環寬度較小時，雖然跟隨誤差較小，但是要求開關期間的開關頻率較高。