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第44卷第11期2016年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,lo1.44NO.11Jun.1.2016DoI:l0.7667/PSPC151200静止无功发生器启动冲击电流的抑制艾永乐,王伟(电气工程与自动化学院(河南理工大学),河南焦作454003)摘要:静止无功发生器(StaticVarGenerator,SVG)多采用双闭环PI控制。这种控制方式下,SVG启动瞬间会产生过大的冲击电流。分析了冲击电流产生的原因,在此基础上,设计直流电压逐步升高和电容能量外环控制相结合的方法,以降低冲击电流。通过Matlab/Simulink仿真对此方法进行仿真研究。最后,通过研制的SVG实验平台,对设计的方法进行实验验证。仿真和实验结果表明,该方法能够有效抑制启动冲击电流,SVG装置能够精确地补偿负载所产生的无功功率。关键词:启动;冲击电流;直流电压;电容能量;静止无功发生器(SVGInhibitionofstart-upinrushcurrentofstaticvargeneratorAIYongle,WANGWei(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)—Abstract:DualclosedloopPIcontroliSalwaysusedforSVG.Onthisoccasion,SVGiseasytogenerateinrushcurrent—duringstartupperiod.ThispaperanalyzesthecauseofinrushcurrentSgenerating.Therefore,amethodthatcombineswiththeDCvoltageincreasingthroughstepbestepandcapacitorenergyouterloopcontrolisdesignedtoreducemagnitudeoftheinrushcurrent.ThesimulationmodelofSVGisestablishedinMatlab/Simulinktoverifytheproposedmethod.Finally,anexperimentalprototypeofparallelSVGisdevelopedtoverifythemethod.Theresultsfromthesimula—tionandexperimentshowthatthismethodcaneffectivelyrestrainthestartupinrushcurrentandtheSVGdevicecanaccuratelycompensatethereactivepowergeneratedbyloads.—Keywords:startup;inrushcurrent;DCvoltage;capacitanceenergy;staticvargenerator(SVG)0引言随着大功率感性负荷的大幅增加,感性无功也随之大幅增加,就需要利用无功补偿装置来平衡电网中的感性无功LlJ。无功补偿装置对系统中的感性负荷进行就地补偿,能够有效地减少电网向感性负荷传输的无功功率,进而提高电网的供电效益和改善电网的电能质量。在无功补偿装置中,SVG凭借其体积小,动态响应快,以及从感性到容性无功的宽范围连续补偿等优点,已经在电力系统无功补偿中得到了广泛的认可J。为了实现无功补偿的快速跟踪功能,SVG多采用电压、电流双闭环PI控制。但是在启动瞬间,SVG的交流侧易产生较大的冲击电流。较大的冲击电流增加了功率器件的选型裕度,从而增加了设备的成基金项目:河南省控制工程重点学科开放实验室资助项目(KG2011-06)本。另外,过大的冲击电流会引起设备的过流保护动作,导致设备不能正常启动。针对启动冲击电流过大问题,文献f41中比较了三种电压外环软启动控制方法,即直流侧给定电压逐步升高法、恒定电流充电法、变PI参数调节法。这三种软启动方法虽然在一定程度上能降低冲击电流,减小直流电压超调,但是,直流侧给定电压逐步升高法还是存在的冲击问题;恒定电流充电法[5】存在二次冲击的问题;变PI参数调节法【o存在参数检测困难与PI参数难整定的问题。因此,为了进一步抑制SVG启动冲击电流,改善SVG装置的整体性能,本文设计了一种改进型的外环控制方法,即直流侧给定电压逐步升高和电容能量外环控制相结合的方法。1SVG数学模型和控制方法1.1数学模型静止无功发生器主电路拓扑如图1所示,图中,ea,eb,为三相对称电网相电压,fa,,ic为相电流;艾永乐,等静止无功发生器启动冲击电流的抑制.117一为交流侧电感;R为电路损耗等效电阻;C为直流侧电容;。、fd。分别为直流侧电压、直流侧电流。图1静止无功发生器主电路拓扑Fig.1Maincircuittopologyofstaticvargenerator定义开关函数s=1表示k相上功率器件S导通、S:关断;Sk=0表示k相上功率器件S关断、S:开通,其中k=a,b,c。根据基尔霍夫定律可得警=ek-uacZ。sj)c訾-Z。…∑ek=0k=a.b.0。通过由坐标变换,转换为两相同步旋转坐标系下的数学模型1:c訾=)did一_一础一一(2)哮=+“式中:=Udc;。:Udc;,eq为三相电网电压在砌坐标系下的分量;id,i为三相电流在两相旋转坐标系下的分量;为旋转角速度;S,S为S,S,S在两相旋转坐标系下的分量。1.2控制方法SVG的控制框图如图2所示,由图可知SVG采用的是基于PI控制器双闭环控制方法。其中,电压外环主要用于稳定直流侧电压,电流内环主要用于跟踪指令电流I】o。¨]。当感性负载运行时,SVG通过电流互感器对负载电流进行检测,将所测的负载电流进行砌变换,分离出无功电流分量,并以此分量作为无功电流环的指令电流信号f=,控制三相桥式电路发出无功电流【1引。最后,SVG所发出的无功电流与感性负载所产生的无功电流相抵消,使得电网中的无功电流大大减小,电网的功率因数得到提高。图2SVG控制框图Fig.2ControlblockdiagramoftheSVG2启动过程分析SVG的启动过程分为两个阶段,第一个阶段是预充电阶段,第二个阶段是电容升压阶段。2.1预充电阶段在预充电阶段,系统封锁IGBT,利用IGBT的反并联二极管对直流侧电容进行预充电。由于直流侧电压为零,直接对电容充电,会产生很大的冲击电流。因此,在预充电过程中,需要选用大功率电阻进行限流。待直流侧电压达到一定值后,再将电阻短路。预充电阶段内,直流侧电容电压能达到的值。为=,/gE(3)式中,为电网相电压有效值。对于采用SVPWM调制方式的SVG,其直流侧电压设定值和交流侧输出的相电压有效值满足如下关系式:46=2.45UI(4)理想状态下,SVG的单相等效电路如图3所示。根据SVG工作原理,SVG工作于容性状态时,电流超前于电压,此时,>E。因此,由式(3)、式(4)可知,。远大于。,需要对直流侧电容进一步升压。icoLI‘————一(a)单相等效电路(b)矢量图3SVG工作原理图Fig.3WorkingprinciplediagramofSVG2.2电容升压阶段在电容升压阶段,系统将IGBT解锁,利用三一118.电力系统保护与控瑚相全桥和交流侧电感组成的升压电路,进一步提升直流侧电容电压。在SVG的电容升压过程中,通常不发无功电流,此时设置=0。电网电压在由坐标系下的分量ea=,eq=0,其中为相电压的峰值。若忽略交流侧等效损耗电阻尺,式(1)可简化为简化后的电压外环离散PI控制器和电流内环离散PI控制器的数学模型为∑=+(6)d=一(KiP+KiITs)+(7)式中:eu。一d;ei=ld一;KuP,为电压环PI控制器的比例和积分常数;,xi为电流环PI控制器的比例和积分常数;为采样时问。由式(5)、式(7),可得LOld—∑Ki+(8)鉴于电流内环响应速度远远大于电压外环响应速度,在极短的时间内,ld值不变,可以认为其为常数。解式(8)的微分方程可得=ld一(Cte-S ̄t+c2e一)(9)—式中:,c为常数;。:-K—ip—+—4K ̄—-—4一LKiI;一KjP一,Ix:一4LKiIS————————————————一。2L为使SVG能正常工作,直流侧额定电压需达到,且>>。当SVG启动时,由式(6)可知,e恒为正值且较大,电压环PI控制器输出迅速达u到饱和,使有功电流基准值ld达到了限幅值。然而值很小,此时ei为正值且较大,由式(8)、式(9)可知,以较大的速度增加,进而产生很大的冲击电流。由以上分析可知,交流侧产生过大冲击电流的原因是:在电容升压阶段,直流侧电压设定值远大于反馈电压值,使电压外环PI控制器输出饱和,进而导致电流参考值达到最大幅限值,电流迅速升高。3启动冲击的抑制方法线电压为380V的SVG启动过程仿真图如图4所示,直流电压从0V分两个阶段升压到700V,f1表示为电容预充电阶段,t2表示为电容升压阶段。可见,在电容升压阶段,冲击电流达到了256A。工程上,通常采用直流电压逐步升高法来减小冲击电流。为了进一步减小冲击电流,本文提出了直流电压逐步升高和电容能量外环控制相结合的方法。,1…’’f2’’7-'-------rfIJI^ ̄_一……002040608l0s图4SVG启动过程仿真图—Fig.4SimulationdiagramofSVGduringthestartupprocess3.1直流侧电压逐步升高法直流侧电压逐步升高的方法是,设定直流侧电压达到0.99时,系统由预充电阶段切换到电容升“压阶段,在电容升压阶段,直流侧电压给定值按△逐步提升到乙,其表达式为…当甜<。时。)’。9cf10)【甜=Ud。(川)+Au…当甜。时Ud。(=(11)式中:0<Au一。;k为整数且k1。采用这种方法,相当于在启动初始时刻,给电压环施加了一个较小的阶跃信号。在直流侧电压升△高甜的时间段内,假设反馈电压能够跟踪上,那么式(6)可以表示为△“∑△“+(12)△由式(9)、式(12)可知,越小,冲击电流会越小,但是取值过小,会增加系统的启动时间。△因此,的取值需要综合考虑冲击电流的幅值和设备的启动时间。3.2电容能量外环PI控制方法根据瞬时有功功率平衡可得c訾:12,将=去c2代入式03)得=(14)OOOOOOOOO0OOOO86422■8、已f1一:一2=.、l出出艾永乐,等静止无功发生器启动冲击电流的抑制.119.可得直流侧电容容量与有功电流的频域关系式一We(s):生(15)Id(s)S、由此可见,电容能量与有功电流成线性关系,因此,采用电容能量外环控制方法与电压外环控制相比,前者更接近SVG的数学模型。采用新的外环控制方法,其控制方程为e=(+)(一Wc):- ̄(Kw十)(::一):(16)C(+)(d。“+。‘)(b/d。一)式(16)可以写成=(+)(一)(17)其中,Kp=(zf5-Udc)帅(18)=“(+。)州(19)由式(17)一式(19)可知,采用电容能量外环控制,与电压外环控制相比,其PI参数相当于随直流电压的变化而变化。在启动初期,由于直流电压的给定值和反馈值都比较小,对应的比例、积分系数也相对较小,可以有效地防止电流突增,从而避免过大的冲击电流。当启动过程结束后,其比例、积分系数与电压外环控制时的系数一致。根据以上方法,重新设计SVG启动时的外环控制框图如图5所示。图5改进后的外环控制框图Fig.5Improvedouterloopcontrolblockdiagram4仿真和实验验证4.1仿真验证根据以上的分析,应用Matlab/Simulink仿真平台,搭建了150kvar的静止无功发生器仿真模型,其仿真图模型如图6所示。其中:交流侧电网线电压为380V,频率50Hz,交流侧电感为0.45mH,限流电阻为1Q,直流侧电容为8000gF,直流侧电压设定为700V,开关频率为10kHz。电容升压阶段,采用直流电压逐步升高法的仿真波形和采用直流电压逐步升高结合电容能量外环控制方法的仿真波形如图7所示。图7(a)示出的是电容升压阶段的直流电压波形图,图7(b)和图7(c)示出的是电容升压阶段的A相电流波形图。采用直流电压逐步升高法时,直流电压的超调为2.3%,A相瞬时电流的最大值为55.5A;采用直流电压逐步升高和电容能量外环控制相结合的方法时,直流电压的超调为0.8%,A相瞬时电流的最大值为37.5A。根据仿真可以看出,直流电压逐步升高和电容能量外环控制相结合的方法能够有效地降低冲击电流,而且直流电压超调量极小。一~一l。:[:f:Hu一I、1∞。De2—]_.一~f-B1e.-一~一l.=_eCbcIabc—labcloadI.oad匹三二)・一E::FDm5R]I同—厂1IFDmLL-_JG咖}cIJ‘’口[二j阵..........巴—’F:7]J’Itu3J"Ir、-而—FI帅2Got)1一lr=B3Bridge叵图6SVG仿真模型Fig.6SimulationmodelofSVG。120一电力系统保护与控制t/sfb)直流电压逐步升高法t|S(c)直流电厩逐步升高和电容能量外环相结合的方法图7直流电压和冲击电流的仿真波形Fig.7SimulationwaveformsofDCvoltageandtheinrushcurrent4.2实验验证应用图8所示实验平台对文中所提方法进行验证。此实验平台由两台并联的SVG组成,其中一台作为被补偿对象,产生无功功率,由另外一台对其进行补偿。SVG的容量均为150kvar,直流侧电容选用容“量为2700BF、耐压为450V的电解电容,采用六”并两串的方式进行连接,开关管选用英飞凌FF450R12ME4,电抗器参数为O.45mH,限流电阻选用100Q的水泥电阻。当第一台SVG运行时,控制其向电网输送不同大小的容性和感性无功电流。第二台运行后,对第一台所产生的无功进行补偿。所测PCC处的电流和功率变化如图9所示。图8SVG实验平台Fig.8ExperimentalplatformofSVG(a)输出电流l}l÷};第一台SVG第=台SVG投入运行怍为梭补隆对象运(b)无功功率(c)有功功率图9PCC处电流和功率变化Fig.9VariationofcurrentandpoweratPCC.122.电力系统保护与控制L1Ping,WUJianwen,ZHANGZhihao,eta1.Designofthedistributionstaticsynchronouscompensatorbasedon—DualDSP[J].HighVoltageApparatus,2015,51(9):28.33.[9]鲍禄山,王毅非,黎燕.基于矢量解耦与预测电流控制相结合的APF的研究[J].电力系统保护与控制,2015,—43(5):8892.BAOLushan,WANGYifei,LIYah.ResearchonAPFbasedonvectordecouplingcontrolandpredictivecurrentcontrol[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,—43(5):8892.[10]姚致清,于飞,赵倩,等.基于模块化多电平换流器的大型光伏并网系统仿真研究IJ1.中国电机工程学报,—2013.33(36):2733.YAOZhiqing,YUFei,ZHAOQian,eta1.Simulationresearchonlarge--scalePVgrid--connectedsystemsbasedonMMC[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(36):27.33.[11]江伞才,马骁旭,李红刚.新型三相三线制模糊滑模控制并联有源滤波器设计[J].电力系统保护与控制,—2014,42(7):128133.JIANGQuancai,MAXiaoxu,LIHonggang.Novelfuzzyslidingmodecontrolmethodforthree・・phasethree・-wireshuntactivepowerfilter[J].PowerSystemProtectionand—Control,2014,42(7):128133.[12]陈丽兵,史丽萍,夏正龙,等.基于同步旋转变换及DFT的SVG指令电流检测法[J].电力系统保护与控制,2014,42(13):21-27.CHENLibing,SHILipmg,XIAZhenglong,eta1.AreferencecurrentdetectionmethodbasedOnsynchronousreferenceflametransformationandDFTforSVG[J].PowerSystemProtectionandControl,2014,42(13):21.27.收稿日期:2015-07-12;修回日期:2015-08-11作者简介:艾永乐(1964一),男,博士,教授,主要从事交流多相电机新颖控制策略研究和电能质量检测与提高;E.mail:aiyongle@hpu.edu.cn王伟(1990一),男,硕士研究生,研究方向为电力系统无功补偿。(编辑姜新丽)
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