靜止無功發生器雙環控制研究

郭　克，高舜宇，鄭　雷，湯　鍵

（廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006）

靜止無功發生器雙環控制研究

郭克，高舜宇，鄭雷，湯鍵

（廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006）

研究了一種基于電壓源型變流器（VSC）的靜止無功發生器的雙環控制策略，該系統能夠根據參考電流實時發出系統所需要的無功電流，速度響應快，補償性能好。建立了兩相同步坐標系下的VSC的數學模型，在此基礎上，采用改進的電壓外環、電流內環的雙環控制策略。電壓外環采用直流側電容電壓快速響應PI控制器計算出的增益來代替傳統PI控制器的增益，在不改變控制結構的基礎上，使其既能維持直流母線電壓穩定，又能獲得更快的動態響應速度；電流內環采用前饋解耦控制實現對有功和無功電流的獨立控制。仿真和實驗結果表明了該控制策略的正確性及有效性。

SVG；雙環控制；解耦控制

0　前言

柔性交流輸電系統（FACTS）作為一項能夠有效改善電網電能質量的新興技術，得到了快速發展。而靜止無功發生器（SVG）作為FACTS中的一項核心裝置［1-2］，由于具有良好的控制性能和補償效果，成為了電力系統中柔性交流輸電裝置的研究熱點。

在靜止無功發生器的控制策略中，文獻［3］采用間接電流的控制方式，其控制簡單，但存在著動態響應較慢，對系統相關參數敏感的問題；文獻［4］采用直接電流的控制方式，實現網側電流的閉環控制，使得SVG的電流動態和靜態特性得到較大的提高，但電壓外環控制采用傳統的PI控制方式，使其直流側電壓控制較慢，影響系統的響應速度。文獻［5］中電壓外環采用自適應的PI控制器解決以上問題，但其控制復雜，不利于工程實現。

本文電壓外環采用直流側電容電壓快速響應PI控制器計算出的增益來代替傳統PI控制器的增益，在不改變控制結構的基礎上，使其既能維持直流母線電壓穩定，又能獲得更快的動態響應速度；電流內環采用前饋解耦控制，通過對有功無功電流的獨立控制解決了對系統參數敏感的問題，增強了SVG控制系統的魯棒性。仿真和實驗結果均證明該控制策略可行。

1　靜止無功發生器dq坐標系下數學模型

SVG裝置的主電路如圖1所示，其中ea、eb、ec為三相電網電壓瞬時值，L為輸出連接電抗器濾波電感，R為SVG裝置的等效電阻，C為直流側電容，ua、ub、uc為SVG裝置橋式換流器交流側輸出相電壓，ia、ib、ic為SVG裝置橋式換流器輸出相電流，udc為直流側母線電壓，idc為直流側母線電壓。

根據KVL，得到SVG裝置在三相靜止坐標系（abc）下的方程［6-7］：

圖1　SVG裝置主電路拓撲

2　靜止無功發生器雙環控制

由于系統的復雜性和多種擾動因素，控制策略首先要保證系統的穩定性和抗擾能力。其次，SVG系統還強調對輸入指令（補償無功電流）的跟蹤能力，控制策略還應兼顧跟蹤能力。又由于系統的快速動態特性要求，不可能在極短暫的時間內實現復雜算法，故控制策略還應簡潔高效［8］。因此，SVG控制系統采用基于dq坐標系下的雙環前饋解耦控制［9］，系統由電壓外環、電流內環組成，其系統控制框圖如圖2所示。

圖2　系統控制框圖

（1）電壓外環控制

由于傳統電壓環PI控制器在負載突變情況下補償無功較慢，本文擬采用直流側電容電壓快速響應PI控制器計算出的增益，代替傳統PI控制器的增益，在不改變控制結構的基礎上，使其即能維持直流母線電壓穩定，又能獲得更快的動態響應速度，如圖3所示。

圖3　電壓外環控制

傳統電壓外環控制器輸出：

快速響應的電壓外環控制器輸出：

即：

簡化為，

其中，

則有，

（2）電流內環控制

采用基于瞬時無功功率理論地改進的檢測方法得到負載電流中的無功指令，這里設為。在有功和無功指令已確定的情況下，未加前饋解耦的橋式換流器的輸出電壓指令式如下：

由以上數學模型可知，系統在dq同步旋轉坐標系下是相互耦合的，這樣不利于PI調節器對有功和無功電流進行閉環控制，故在電流內環中引入前饋解耦環節［9］。

再將上式代回至（13）式中得到有功和無功電流解耦控制的表達式：

其中，把Δvd和Δvq當作橋式換流器交流側輸出電壓v*d和v*q的控制量，通過PI調節器調節得到Δvd、Δvq：

采用兩個獨立的補償網絡，控制相應的有功電流分量和無功電流分量。這樣即實現對有功功率和無功功率的獨立控制。

3　仿真分析

利用MATLAB/Simulink工具箱建立了基于電壓外環、電流內環控制的SVG系統仿真模型，其仿真參數如表1所示。

表1　SVG系統仿真參數

系統仿真中，分別對靜止無功發生器控制系統的穩態、動態無功補償進行了研究研究，具體分析如下。

當負載側為阻感性負載時，系統仿真波形如圖4所示，0～0.04 s，SVG系統先經不控整流對直流側電容充電至600 V左右，從0.04 s～0.084 s，直流側電壓由橋式換流器經整流從電網獲取能量，并通過軟啟動控制達到所需穩定的直流側電壓700 V，待直流側電壓穩定后，即0.084 s后切換至SVG補償工作狀態，圖4（a）即直流側電壓建立過程波形，在補償過程中直流側電壓一直維持在700 V附近，波動較?。粓D4（b）為a相電壓Ua、系統a相電流isa及負載側電流ifa補償前后波形，補償前，系統電流isa滯后于a相電壓Ua，0.084 s后SVG正常工作，不到一個電壓周期，系統電流isa與a相電壓Ua基本同相，負載突切至一半時，能夠快速達到穩定；且功率因數由補償前的0.8以下快速達到0.99以上，如圖4（c）所示；圖4（d）為SVG系統輸出a相電壓、補償電流波形，系統輸出電流波形正弦度良好，反應迅速。穩定工作一段時間后，在0.14 s時刻，負載突切至一半，系統在半個工頻周期內即達到穩態，響應速度快，且補償效果明顯。對于阻容性負載，其仿真波形與阻感性負載類似。

圖4　阻感負載突變動態無功補償波形圖

4　實驗分析

圖5是搭建的低壓靜止無功發生器實驗平臺，在實驗室條件下進行了低壓小功率實驗，其中交流側線電壓經調壓器輸出為80 V，直流側電壓給定200 V，阻感負載（2 Ω/5 mH），阻容負載（2 Ω/1 mF），其他參數與仿真參數一致。

圖5　SVG實驗裝置實物圖

當負載接阻感性負載，通過示波器測量出補償前負載端相電壓、電流波形如圖6（a）所示，橫坐標軸為10 ms/div，縱坐標軸負載側電流對應為25 A/div，電壓對應為30 V/div，直流側電壓對應80 V/div；其中電壓超前電流38°左右，功率因數約為0.79；圖6（b）所示為補償后的負載電壓、電流相位關系圖，可以看出，補償后電壓、

圖6　阻感性負載補償前后電壓與電流波形

電流相位已經接近同相，功率因數基本為1，正弦度較好，且感性無功基本補償，電流幅值減小，補償效果明顯。對于阻容性負載，其實驗波形與阻感性負載波形類似。

5　結論

本文基于電壓源型VSC的拓撲結構和數學模型，對低壓靜止無功發生器的雙環控制策略進行了研究，通過仿真和實驗驗證，該控制策略能保證SVG能夠根據參考電流實時發出系統所需要的感性和容性無功電流，補償性能良好。

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Dual Loop Control Research of Static Var Generator

GUO Ke，GAO Shun-yu，ZHENG Lei，TANG Jian
（Guangdong University of Technology，Automation Faculty，Guangzhou510006，China）

This study based on voltage source converter（VSC）Static Var Generator double loop control strategy，the system can send out real-time systems require reactive current according to the reference current，fast response speed，good compensation performance. First，make a mathematical model of two-phase synchronous VSC coordinates，and on this basis，adopt an improved outer loop voltage，current loop double loop control strategy.Voltage outer side capacitor voltage DC fast response PI controller calculates the gain to replace the traditional PI controller gain，without changing the control structure based on it both to maintain the DC bus voltage stability，but also faster dynamic response speed；current loop feedforward decoupling control to achieve independent control of active and reactive current. The simulation and experimental results show the validity and effectiveness of the control strategy.

SVG；bicyclic control；decoupling control

TM401

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0014-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.004

郭克，男，1988年生，河南平頂山人，碩士研究生。研究領域：電力電子功率變換器、電纜絕緣檢測。

（編輯：阮毅）

2015-06-30