雙閉環控制SVG及脈沖封鎖仿真研究

石新春，張薇，劉沛然

(華北電力大學電力工程系，河北保定071003)

雙閉環控制SVG及脈沖封鎖仿真研究

石新春，張薇，劉沛然

(華北電力大學電力工程系，河北保定071003)

介紹SVG的主體結構和基本原理，在坐標系下對SVG拓撲結構進行建模，通過比較選擇了SVG電流直接控制方法。考慮到直流側電容電壓穩定的要求，設計了電壓電流雙閉環PWM控制系統，并對脈沖封鎖運行方式進行了研究，用Matlab/Simulink對SVG進行系統仿真，表明了SVG具有良好的動態性能，驗證了雙閉環控制及脈沖封鎖運行方式的正確性與有效性。

SVG；電流直接控制；雙閉環控制；脈沖封鎖

近年來，隨著人們對電網的安全及經濟運行越來越關注，提高電網的電能質量和安全運行水平變得至關重要[1-2]。由于動態變化的非線性負荷在現代工業體系中的應用，使有功和無功功率隨時間快速變化，導致了供電電壓的波動和閃變、供電電壓的波形畸變、功率因數惡化以及不平衡負荷引起的三相供電電壓的動態不平衡，引起電網電能質量變壞[3]。而靜止無功發生器(static var generator，SVG)因為能夠實現無功功率的連續動態調節，而且響應速度快、運行效率高、體積小，補償高次諧波[4-5]，成為了國內外研究的熱點課題之一。然而，在研究SVG對電力系統作用的同時，還應該考慮到系統中所有動態和暫態過程對SVG不同程度的影響，而脈沖封鎖運行方式作為反故障措施中最有效的手段，必然是研究的重點。

目前SVG運行控制方式主要有電流直接控制和電流間接控制，鑒于電流間接控制方式具有響應速度慢等缺點，本文選擇電流直接控制方式。首先，在電流直接控制的基礎上，通過拓撲結構建模法，根據SVG的主體結構，建立其在坐標系下的數學模型，其中針對軸與軸互相耦合這一問題，采用前饋解耦來實現軸與軸的獨立控制。然后，基于直流側電容電壓穩定和電流響應速度的要求，設計了電壓電流雙閉環PWM控制系統。最后，為保證裝置的安全和快速靈活性，重點研究系統故障情況下SVG的脈沖封鎖運行方式。使用Matlab/Simulink進行系統仿真，表明SVG具有良好的動態性能，并驗證了脈沖封鎖運行方式的正確性與有效性。

1 SVG的基本原理

SVG的主體結構如圖1所示，由直流側儲能電容、三相橋式逆變電路、連接電抗器和等效電阻組成。由于等效電阻

非常小，幾乎不消耗有功，并且SVG只發出或吸收無功，所以選擇電容提供直流側電壓。三相橋式逆變采用SPWM調制技術，開關頻率高，選擇IGBT作為功率開關器件。通過控制SVG橋壁IGBT的通斷，能夠把電容上的直流電壓逆變成三相交流電壓，通過對逆變的控制來得到理想輸出電壓，從而實現控制SVG發出或吸收無功功率的目的[6]。

圖1 SVG主體結構圖

2 SVG的建模、控制策略及脈沖封鎖運行方式

2.1 控制方法的選擇

SVG的控制方法總結起來主要有兩種：電流間接控制和電流直接控制。

電流間接控制主要是控制逆變器輸出端交流電壓的相位和幅值，達到間接控制系統無功電流的目的。這種控制方法的優點是開關頻率低、控制器結構簡單，較適合大容量的SVG，缺點是電流響應時間較慢；無功變化時，逆變器輸出電壓相位變化范圍較小，需要很高的相位檢測精度和控制精度；電網電壓負序分量較大時，引起直流電壓的脈動會導致控制系統的不穩定，使逆變器輸出電壓的脈寬發生變化，導致SVG產生較大的諧波[7]。

電流直接控制方法采用的是PWM控制技術，功率開關器件開關頻率高，比間接電流控制的精度高，而且電流響應速度更快，比較適用于小容量SVG。由于本文是對低電壓小容量SVG的研究，所以采用電流直接控制方法，以提高SVG的精度和實時性。

2.2 數學模型的搭建

如圖1所示，根據基爾霍夫電壓定律可以得到相的回路電壓方程：

同理可以得到另外兩相回路的電壓方程：

將各物理量從三相靜止坐標系轉換到旋轉坐標系，將式(1)～(3)帶入式(4)，有：

其中：

得到：

2.3 控制系統設計

根據Park變換理論，SVG的瞬時有功和無功功率可按式(7)來計算：

式(7)簡化為：

可以看出，有功瞬時功率與軸電流分量直接相關，無功瞬時功率與軸電流分量直接相關，因此分別定義軸和軸電流為有功和無功分量。

由于SVG直流側電容電壓的穩定性和有效利用至關重要，本文采用電容電壓外環進行直接控制，在保證電容電壓穩定的同時，又能夠實現電容電壓的高效利用。

基于上述分析，本文采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制策略。由于兩個電流內環具有對稱性，因此降低了控制器的設計難度。

直流側電容電壓的穩定性由系統消耗的有功功率決定，所以有功電流的給定*可以通過直流電壓環的偏差經過PI調節器得到的調節量來計算，而無功電流的給定*可以通過式(9)得到：

圖2為雙閉環控制結構圖。

圖2 SVG控制結構圖

2.4 SVG脈沖封鎖運行方式

脈沖封鎖是對IGBT的門極施加關斷脈沖的操作，可以強行終止IGBT的導通，且響應速度快，對于裝置的保護具有非常重要的作用，同時也是控制及干預整個逆變器工作狀態最快最有效的手段之一。此種運行方式只是關斷所有IGBT，卻仍然保留逆變器的整流過程，即不將SVG與電力系統解列，一旦裝置運行條件允許，即可以恢復運行。

當電網遠端發生短路故障時，SVG并網點電壓會發生跌落，故障點離該并網點越近，電壓跌落程度越大。而電網電壓的波動會對SVG直流側電壓造成直接影響，導致SVG直流側電壓也出現波動現象，影響設備運行質量，并對設備運行安全構成威脅。針對該問題，當系統故障嚴重時，就需要SVG進入脈沖封鎖運行方式。

之所以選擇脈沖封鎖運行方式，而不選擇跳開主開關，主要是從以下兩個方面考慮：其一，主開關的斷開需要一定的時間，而各種故障的變化過程非常短，遠小于前者，所以主開關的斷開只能將故障后的SVG從系統中分離，起到防止故障進一步擴大的作用，是保護系統的最后一道防線；其二，如果故障后主開關斷開，當故障排除后，SVG需要再投入，還要經歷較慢的啟動等過程，這樣就失去了快速、靈活的特點，影響其作用的發揮。綜上可知，脈沖封鎖運行方式是SVG反故障系統中最有效的手段。

3 仿真分析

通過以上的分析，應用Matlab/Simulink工具搭建仿真模型。模型的網側線電壓有效值為600 V，頻率為50 Hz，負載有功功率為1 MW。采用的是定步長離散仿真系統，采樣時間為5×10－6s，IGBT的開關頻率為3 kHz。

當負載側無功功率為600 kvar，未進行補償無功功率時的網側電壓電流波形如圖3所示。由圖3可見，二者有明顯的相位差，電流滯后于電壓。

圖3 補償前A相電壓電流波形

加入SVG，進行仿真。圖4為補償后的電壓電流波形，可以看出，SVG能在約一個周波多一點的時間內進入穩態，響應速度比較快，電網電壓和電流之間的相位差為0，能實現無功功率的全補償。圖5為SVG輸出電流與電網電壓的波形圖，可以看出SVG能夠向電網發出感性無功。然而，電流波形含有一定的諧波，這是由于IGBT開關頻率低造成的，而過高的開關頻率則會造成損耗的增加。為提高電容的利用率，從而提高裝置的效率，直流側電壓穩定維持在1 100 V左右。圖6為SVG直流側電壓波形圖，從圖6中可見，其電壓基本穩定，在±5 V范圍波動，幅度很小。

圖4 補償后A相電壓電流波形

圖5 SVG輸出電壓電流波形

圖6 SVG直流側電壓波形

當電網在0.2 s時發生單相接地短路故障，此時A相電壓跌落到60%，在0.3 s后電網電壓恢復，對此故障時刻裝置脈沖封鎖運行方式進行仿真，可以得到A相電壓電流波形，如圖7所示。從圖7中可以看出，在故障恢復后，裝置能夠迅速投入使用，達到了安全、快速和靈活的目的。

圖7 SVG脈沖封鎖運行方式A相電壓電流波形

4 結論

SVG主電路采用三相電壓型逆變器，研究了SVG的工作原理、雙閉環控制策略和脈沖封鎖運行方式，并進行了仿真研究，得到如下結論：

(1)可以實現電力系統的動態無功功率補償，并且具有良好的動態控制性能與靜態補償效果。

(2)提出的直接電流控制方式和電壓電流雙閉環PWM控制策略具有正確性、優越性與有效性。

(3)脈沖封鎖運行方式是SVG反系統故障運行的最有效手段，對于保護裝置安全性、保持裝置快速和靈活性具有顯著的效果。

[1]黃振躍,孫玉坤,任明煒.±50 kvar靜止無功發生器的軟硬件設計[J].高壓電器,2010,46(6):34-39.

[2]任明煒,孫玉坤,黃振躍.±50 kvar靜止無功發生器的研制[J].電力電子技術,2009,43(11):8-10.

[3]翁利民,張莉.SVC與SVG的比較研究[J].冶金動力,2005(5):1-4.

[4]粟時平,劉桂英.靜止無功發生器及其微機控制技術[J].華東電力, 2001,2:4-7.

[5]毛戈.靜止型動態無功發生器(SVG)在電網輸變電工程和風電場中的應用[J].電力系統,2012,31(13):36-39.

[6]石新春,張一工,楊以涵,等.晶閘管無功發生器的研究與試驗[J].華北電力學院學報,1987,3:18-24.

[7]肖學文,文小玲.基于MATLAB的靜止無功發生器的控制方法研究及仿真[J].電工材料,2007(1):47-51.

Study on SVG simulation with dual closed-loop control and pulse latching

SHI Xin-chun,ZHANG Wei,LIU Pei-ran

The SVG main circuit and the basic principles of SVG were introduced.SVG topology modeling in

coordinate process was finished.Then SVG direct current control method was selected by comparing as well. Considering stability requirement to the DC side voltage,voltage and current dual closed-loop PWM control system was designed,and the pulse latching operation mode was studied.Finally,SVG system was simulated using the Matlab/Simulink.Results show that SVG has a good dynamic performance,verifying the correctness and validity of the dual closed-loop control and pulse latching operation mode.

SVG;direct current control method;dual closed-loop control;pulse latching

TM 74

A

1002-087 X(2015)03-0606-03

2014-08-13

石新春(1950—)，男，河北省人，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源發電。

張薇，E-mail：819122955@qq.com