基于電流跟蹤型SVPWM控制策略的SVG研究

李開鑫

（國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊　830011）

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基于電流跟蹤型SVPWM控制策略的SVG研究

李開鑫

（國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011）

摘要鑒于滯環(huán)控制有較好的響應(yīng)速度，SVPWM控制能夠提高直流電壓的利用率，本文將滯環(huán)控制和SVPWM控制結(jié)合起來作為SVG的控制策略，仿真結(jié)果表明，電流跟蹤型的SVPWM控制策略能夠滿足SVG無(wú)功檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)囊螅瑫r(shí)驗(yàn)證了該控制算法的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：滯環(huán)控制；空間矢量PWM；靜止無(wú)功發(fā)生器

在配電系統(tǒng)中，廣泛存在著感性設(shè)備，它們需要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率來實(shí)現(xiàn)自己的功能。無(wú)功功率在電網(wǎng)中傳送，不僅降低了功率因數(shù)、增加了額外的能量損耗，也影響著用戶的電能質(zhì)量[1]。因此，研究無(wú)功補(bǔ)償是非常必要的。

靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）是最先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，具有傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置所沒有的優(yōu)勢(shì)。本文以配電端SVG補(bǔ)償無(wú)功為背景，利用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的ip?iq檢測(cè)算法，把電流跟蹤型SVPWM控制策略[2-5]運(yùn)用到SVG中，研究其補(bǔ)償效果。

1　SVG的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)變換器電路采用電壓源變換器（Voltage Source Converter，VSC）拓?fù)溥€是電流源變換器（CSC）拓?fù)洌裇VG可分為電壓源型和電流源型兩種，由于電壓源變換器（VSC）電路具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，另外在低壓系統(tǒng)中，不用串聯(lián)和級(jí)聯(lián)就可以滿足SVG對(duì)器件的要求，故本文選擇圖1作為SVG的主電路拓?fù)洹?/p>

圖1　SVG基本電路結(jié)構(gòu)

2　電流跟蹤型SVPWM控制策略

2.1控制原理與實(shí)現(xiàn)方法

SVG的等值電路如圖2所示。圖中us(t)表示端電壓矢量，uc(t)表示SVG輸出電壓矢量，ic(t)表示SVG輸出電流矢量，L表示SVG的等效電感，il(t)表示負(fù)載電流。

根據(jù)電路原理，則可以寫出方程：

圖2　SVG等值電路

整理可得

式（1）中，ic(t)表示SVG輸出電流矢量，uc(t)表示SVG輸出電壓矢量，而us(t)表示端電壓矢量，L和R分別表示SVG的等效電感和電阻。

令電流跟蹤誤差矢量為Δi(t)，則有

式（3）代入式（1）可寫為

考慮到忽略其等值電阻，兩式相減有

電流跟蹤型SVPWM控制原理如圖3所示。將無(wú)功指令電流i、i、i與補(bǔ)償電流ia、ib、ic通過滯環(huán)比較單元，得到相應(yīng)的比較狀態(tài)值Ba、Bb、Bc，根據(jù)對(duì)V*的區(qū)域判別，最終由開關(guān)選擇表，輸出一個(gè)合適的Vk（k=0～7），使得三相VSC電流跟蹤無(wú)功指令電流。

圖3　電流跟蹤型SVPWM控制原理

電流跟蹤型SVPWM的SVG實(shí)現(xiàn)如圖4所示，圖中Udc表示SVG的直流電壓，Ud表示SVG的直流參考電壓，iload_abc表示負(fù)載三相電流，i_abc表示SVG指令電流，ic_abc表示SVG發(fā)出的補(bǔ)償電流。

圖4　基于電流跟蹤型SVPWM的SVG控制框圖

2.2矢量的選擇規(guī)則

選取當(dāng)前所需矢量的原則：

1）當(dāng)|ΔI|＞IW時(shí)，選擇的電壓矢量Vk（k=0～7），必須使其對(duì)應(yīng)的LdΔi(t)/dt具有與ΔI方向相反的最小分量，以保證電流矢量I在跟蹤指令電流矢量I*的同時(shí)，限制電流變化率，以抑制電流諧波。

2）當(dāng)|ΔI|≤IW時(shí)，原有矢量不進(jìn)行切換。

根據(jù)選擇規(guī)則，分析得到Vk的選擇可遵循表1。

表1　V*、ΔI區(qū)域與Vk的選擇

2.3ΔI區(qū)域檢測(cè)

V*和ΔI區(qū)域疊加在一起如圖5所示，ΔI的空間區(qū)域是將V*區(qū)域的空間坐標(biāo)軸系（a、b、c）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)π/6得到的，目的是有利于Δia、Δib、Δic正負(fù)極性的判別。

圖5　電壓矢量的選取原則

通過判斷矢量Δi在三個(gè)坐標(biāo)軸a、b、c上的分量Δia、Δib、Δic的正負(fù)極性，來確定Δi所在區(qū)域，而Δia、Δib、Δic可由滯環(huán)的輸出直接判定。

表2　Δi的區(qū)域判別

由表2和式（7），可得

式（8）中，RΔI（1）～RΔI（6）—ΔI區(qū)域1～6的邏輯變量。若ΔI位于j區(qū)域時(shí)，RΔI(j)=1，否則RΔI(j)=0，其中j∈(1～6)。

2.4u*的區(qū)域檢測(cè)

圖6中，Ⅰ～Ⅵ區(qū)域是由三條對(duì)角線組成的，這三條對(duì)角線分別對(duì)應(yīng)于ua=0、ub=0、uc=0的情形，因此可以根據(jù)ua、ub、uc的符號(hào)來判別矢量u*所在區(qū)域。

圖6　u*的區(qū)域判別

表3　u*的區(qū)域判別

對(duì)于V*來說，顯然可以通過Va*、Vb*、Vc*相關(guān)極性判別，且記

式（9）中，sign

結(jié)合上述信息,有Sab、Sbc、Sca包括參考電壓矢量V*區(qū)域的信息，檢測(cè)邏輯運(yùn)算為

式（11）中，RV*(Ⅰ)～RV*(Ⅵ)—V*區(qū)域Ⅰ～Ⅵ的邏輯變量。若V*位于i區(qū)域時(shí)，RV*(i)=1，否則RV*(i)=0，其中i∈(Ⅰ～Ⅵ)。

2.5Vk選擇的邏輯運(yùn)算

要選定Vk（k=0～7），實(shí)際上只要確定開關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc的狀態(tài)即可。

由表1、式（8）、式（11）、式（12）、綜合分析可推出，三相VSC基于不定頻滯環(huán)SVPWM的開關(guān)邏輯算式為

3　仿真

本文采用由POWERSIM公司開發(fā)的PSIM6.0軟件進(jìn)行仿真分析。設(shè)額定電壓為380V，系統(tǒng)短路容量為20MV·A，則實(shí)際電源系統(tǒng)可用理想電壓源與系統(tǒng)等值阻抗的串聯(lián)來表示。

主要參數(shù)的選擇：取等值電抗Ls=23μH，等值電阻Rs=0.0024Ω，交流連接電感Lc=4μH，直流電容C=23μF，直流電壓的參考值Udc*=800V。

為了驗(yàn)證控制策略的正確性，假定0.1s前系統(tǒng)接入負(fù)載R=1Ω，L=12mH和R=2Ω，C=2.6mF之和，呈現(xiàn)阻感性負(fù)載，0.1s后切除負(fù)載R=1Ω，L=12mH部分，剩下阻容性負(fù)載。

圖7是補(bǔ)償前電網(wǎng)電壓和補(bǔ)償前電網(wǎng)電流（負(fù)載的電流）情況，可以看出，0.1s前電網(wǎng)電壓超前于電網(wǎng)電流，呈阻感性，0.1s后電網(wǎng)電壓滯后于電網(wǎng)電流，呈阻容性。

圖8、圖9、圖10是分別在三種控制策略下的補(bǔ)償效果圖，由圖可以看出，SVG投入后，三種控制策略均能平穩(wěn)地實(shí)施動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)接近于1.0，且動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果良好。

圖7　電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流

圖9　基于滯環(huán)控制策略下電網(wǎng)電壓和補(bǔ)償后電網(wǎng)電流

圖10　基于SVPWM控制策略下電網(wǎng)電壓和補(bǔ)償后電網(wǎng)電流

另外，由圖11、圖12、圖13可知，在電流跟蹤型SVPWM控制策略下，SVG開關(guān)有較低的動(dòng)作頻率，而開關(guān)動(dòng)作頻率的降低，能夠減少開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，降低開關(guān)損耗，延長(zhǎng)開關(guān)器件的壽命。

圖11　基于電流跟蹤型SVPWM控制策略下A相開關(guān)信號(hào)

圖12　基于滯環(huán)控制策略下A相開關(guān)信號(hào)

圖13　基于SVPWM控制策略下A相開關(guān)信號(hào)

4　結(jié)論

本文將滯環(huán)控制技術(shù)和電壓空間矢量脈沖調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于SVG的控制策略中，在PSIM仿真環(huán)境下，搭建了系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明，這種控制策略能夠滿足SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅瑫r(shí)驗(yàn)證了該控制策略應(yīng)用于SVG中的可行性。

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The Study of SVG based on Current-tracking SVPWM Control Strategy

Li Kaixin
(Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi830011)

Abstract In view of the hysteresis control having a good response speed, the SVPWM control can improve the utilization rate of dc voltage, this paper will combine the hysteresis control and the SVPWM control as SVG control strategy, the simulation results show that the current tracking type of SVPWM control strategy can satisfy the SVG reactive detection and compensation requirement, and at the same time it has verified the validity and feasibility of the control algorithm.

Keywords：hysteresis control; svpwm; static var generator