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引言 靜止無功發(fā)生器(static var generator縮寫為SVG,又稱STATCOM)是柔性交流輸電(flexible AC transmissionsystem,縮寫為FACTS)系統(tǒng)中重要的電力電子裝置,是用于無功補(bǔ)償、平衡接入點電壓的有效手段之一。在電力工業(yè)中,由于三相四線制系統(tǒng)在工廠供電、民用住宅和城市供電等電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,其中的零線電流、無功功率和三相不平衡問題越來越引起人們的重視,而三相四線制SVG可以對以上情況進(jìn)行有效的補(bǔ)償。隨著SVG在這一領(lǐng)域的逐漸發(fā)展,它的控制方法已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。目前SVG的控制主要從控制策略和外閉環(huán)反饋控制量的選取兩方面來考慮,可以分為電流間接控制和電流直接控制。單周控制(one-cycle control,縮寫為OCC)法作為一種非線性控制方法,最早由美國學(xué)者Keyue Ma Smedley和Slobodan Cuk提出[1],在近年來的研究中,單周控制理論已經(jīng)在DC-DC變換、功率因數(shù)校正和開關(guān)變換器中得到了成功應(yīng)用,文獻(xiàn)[2]首先提出可以把OCC應(yīng)用到APF中。目前,OCC已被應(yīng)用到單相和三相APF中,并獲得了一系列的改進(jìn)[3-5]。本文提出一種單周控制的三相四線制SVG,經(jīng)理論分析和仿真結(jié)果證實,該方案能有效地補(bǔ)償三相四線制系統(tǒng)中的零線電流、無功功率,解決三相不平衡問題,從而提高輸電線功率因數(shù)和傳輸效率。 1單周控制的三相四線制靜止無功發(fā)生器 單周控制的基本原理是保持開關(guān)器件的開關(guān)頻率,通過控制開關(guān)占空比,使每個周期內(nèi)開關(guān)變量的平均值與控制參考信號相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。根據(jù)單周控制的調(diào)制方法,單周控制分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制,本文討論的方法采用雙極性調(diào)制。單周控制靜止無功發(fā)生器的控制目標(biāo)是補(bǔ)償無功功率、調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近于1,因此當(dāng)靜止無功發(fā)生器有效工作時,控制SVG功率開關(guān)的占空比,使電網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形,這樣從電源側(cè)看SVG與非線性負(fù)載并聯(lián)以后的等效電路,在穩(wěn)態(tài)時可視為一個等效的線性電阻負(fù)載,即 
式中:ua,ub,uc為電網(wǎng)電壓,isa,isb,isc為電網(wǎng)側(cè)的電流,Re為系統(tǒng)的等效電阻。圖1示出SVG主電路[6]。它采用電壓型橋式變流電路,功率單元采用IGBT全控器件,經(jīng)電抗器并入電網(wǎng)。作為主電路的變流器,在補(bǔ)償無功電流的過程中處于逆變狀態(tài),同時在給直流電容充電時處于整流狀態(tài)。因為系統(tǒng)在不對稱運行時,負(fù)序、零序電流成為有害電流的主要部分,為了補(bǔ)償負(fù)序、零序電流,SVG采用三相四線制兩電平逆變橋,對三相四線制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。圖中對直流側(cè)電壓的控制也成為控制電路的主要組成部分,因為系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)序和零序電流將使直流側(cè)電容電壓產(chǎn)生波動,影響其正常工作,所以平衡電容電壓也是控制的重點。 
在圖1所示采用單周控制的SVG中,Qa1,Qa2…Qc2分別為開關(guān)Sa1,Sa2…-Sc2的觸發(fā)信號。因為能量在交流電源和電容間雙向流動,逆變器工作在4象限狀態(tài),Sa1,Sa2的占空比分別為da1和1-da1(其余兩相同)。文獻(xiàn)[7-8]在分析開關(guān)周期平均模型的基礎(chǔ)上,給出了其等效電路。文獻(xiàn)[9]運用開關(guān)函數(shù)分析了其數(shù)學(xué)模型。本文僅討論逆變器的連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),等效電路如圖2。 
設(shè)系統(tǒng)電壓對稱,器件的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)頻率,在一個開關(guān)周期內(nèi),A,B,C點對逆變橋“O”點的電壓可以寫為:
 
由于Re是隨負(fù)載而變化的未知量,不能作為控制的依據(jù)。通過分析可知Re的變化可通過檢測儲能電容上的電壓變化確定[10]。因為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,在不考慮損耗的情況下,靜止無功發(fā)生器僅提供無功和諧波電流,沒有有功電流流入。由功率平衡可知,在穩(wěn)態(tài)運行時,即等效輸入電阻Re為常數(shù)時,電容電壓保持不變。若負(fù)載電流中的有功電流變化,即等效電阻Re發(fā)生變化,導(dǎo)致電源提供的基波有功電流與負(fù)載電流中的基波有功電流分量不等,這樣將有部分電源提供的有功電流流入SVG,這部分有功電流產(chǎn)生的有功功率導(dǎo)致SVG中儲能電容上的電壓變化。這樣只需要檢測電容電壓變化的情況就可以獲得Re變化的信息,令Um= (Rs/Re)E,其中Rs為連接電抗器的等效電阻值,將Um帶入式(5)得:
 式(6)描述了電源電流、開關(guān)占空比和直流電壓補(bǔ)償器輸出量之間的關(guān)系,也是單周控制實現(xiàn)的依據(jù)。因為系統(tǒng)的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓的頻率,這樣在一個開關(guān)周期內(nèi)Um幾乎不變,可以認(rèn)為是個常數(shù),則:
式中:τ= KTs為積分常數(shù),Ts為開關(guān)周期。如果令τ=1/2T,T為電網(wǎng)電壓的周期,則式(7)就變?yōu)槭?6)。但實際上電容電壓要波動,Uc1與Uc2不等,令ΔU=Uc1-Uc2,Uc1= E,根據(jù)式(2)得:
與式(6)比較可以看到直流側(cè)電壓不平衡對SVG的影響。如果電容電壓波動太大將影響SVG的正常工作。這就需要加入負(fù)反饋環(huán),消除ΔU,使電容電壓平衡。文獻(xiàn)[11]提出一個基于電流滯環(huán)控制的解決辦法,對ΔU濾波限幅后采用簡單的PI調(diào)節(jié),取得較好效果。本文將兩電容電壓的誤差ΔU與參考電壓(本文取0)相比較,然后經(jīng)PI調(diào)節(jié)送入控制器。通過這個簡單的方法可以有效抑制直流側(cè)兩電容電壓不平衡。為了實現(xiàn)式(9),可以通過對Um進(jìn)行積分獲得,設(shè)計控制器如圖3。工作波形圖4[12]清楚地描述了單周控制的過程:時鐘脈沖到,積分器開始對直流電容電壓的誤差信號積分,當(dāng)Rs*isa與Um(1-2da1)相等,及滿足式(9)時,產(chǎn)生復(fù)位信號,積分器復(fù)位,輸出保持Um,等下一周期時鐘脈沖到時,又重復(fù)上一周期的動作?？梢钥闯鰡沃芸刂仆ㄟ^控制開關(guān)占空比,在每個周期內(nèi)使逆變器開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差,前一周期的誤差不會帶到下一周期,瞬態(tài)響應(yīng)快。  
2仿真結(jié)果 A、B、C三相電源接晶閘管整流橋(阻感負(fù)載,R=30Ω,L=15 mH),B相同時還接有一個單相整流橋(R=20Ω)。仿真電路的參數(shù)為:SVG的接入電感為0.8 mH,電源電壓為380 V,直流側(cè)的電容電壓通過調(diào)節(jié)達(dá)到950V,開關(guān)頻率為20kHz。補(bǔ)償前的電源電流和中線電流iO的仿真波形如圖5所示 
從圖中可以看出補(bǔ)償前三相電流嚴(yán)重不平衡,波形畸變嚴(yán)重,其中A相、C相電流的THDi約19%,B相電流的THDi約48%,中線電流iO很大。經(jīng)SVG補(bǔ)償后三相電源電流有很大改善,電流波形接近對稱正弦波,畸變很小,且中線電流近似為零,如圖6、圖7。單周控制的三相四線制SVG能有效地補(bǔ)償非線性負(fù)載所帶來的系統(tǒng)諧波、無功和零線電流,具有較好的補(bǔ)償效果,且無需諧波和無功電流檢測模塊,電路結(jié)構(gòu)簡單可靠。  
3結(jié)論 本文提出了一種基于單周控制的靜止無功發(fā)生器控制方案,無需諧波和無功電流基準(zhǔn)、采樣,控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)頻率低等優(yōu)點。在分析其等效模型的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了靜止無功發(fā)生器的單周控制關(guān)系,據(jù)此建立電路模型,進(jìn)行仿真驗證,仿真結(jié)果證明本文所提出的采用單周控制的靜止無功發(fā)生器能夠有效地補(bǔ)償三相四線制系統(tǒng)中的無功和中線電流,解決三相不平衡問題,效果良好。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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