无功电流（精选7篇）
无功电流 篇1
0 引言
随着电力电子技术的迅速发展, 出现了大量的非线性负荷, 由此产生的谐波污染也日益严重。对电力系统来说, 无谐波就是“绿色”的主要标志之一, 因此对电力系统谐波污染的治理日趋重要[1,2], 其中谐波检测是解决一切谐波问题的基础[3]。1983年由赤木泰文首先提出的三相电路瞬时无功功率理论[4,5], 经不断研究逐渐完善, 在谐波和无功电流检测方面得到了成功的应用。
本文介绍了以瞬时无功功率理论为基础的三相电路谐波和无功电流检测方法, 并利用Matlab/Simulink建立系统仿真模型。
1 基于三相瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测原理[6,7,8]
设三相电路各相电压、电流瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。由下面的变换可以得到α、β两相瞬时电压eα、eβ和两相瞬时电流iα、iβ:
式中,
在图1所示的α-β平面上, 向量eα、eβ和iα、iβ分别可以合成为 (旋转) 电压向量e和电流向量i:
式中, e、i为向量e、i的模;φe、φi为向量e、i的幅角。
三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为向量i在向量e及其法线上的投影:
式中, φ=φe-φi。
α-β平面中的ip和iq如图1所示。
三相电路瞬时有功功率p (瞬时无功功率q) 为电压向量e的模和三相电路瞬时有功电流ip (三相电路瞬时无功电流iq) 的乘积:
将式 (4) 、 (5) 及φ=φe-φi带入式 (6) 、 (7) 中, 并写成矩阵形式得出:
式中, Cpq=eeωαβ-eαeβω
这样, 以三相瞬时无功功率理论为基础, 通过计算ip、iq, 可得出检测三相电路谐波和无功电流的一种方法, 称之为ip、iq运算方式。该检测方法的原理框图如图2所示。
图2中C23为C32的逆矩阵, 其中需用到与a相电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt, 通过锁相环 (Phase Located Loop, PLL) 实现对A相电压频率和相位的锁定。根据前面的定义算出ip、iq, 经低通滤波器 (LPF) 得到其直流分量这里, 由基波电流iaf、ibf、icf产生, 所以:
ia、ib、ic分别减去iaf、ibf、icf即得出相应的谐波分量iah、ibh、ich。
要同时检测补偿对象中的谐波和无功电流时, 仅需断开图2中计算iq的通道即可, 由计算出被检测电流ia、ib、ic的基波有功分量iapf、ibpf、icpf:
ia、ib、ic分别减去iapf、ibpf、icpf即可得出ia、ib、ic的谐波分量和基波无功分量之和iad、ibd、icd。由于采用了低通滤波器 (LPF) 求算因此检测结果有一定延时[9], 但最多不超过一个电源周期。
2 建模与仿真
2.1 Matlab仿真模型的建立
利用Matlab中Simulink仿真工具箱, 根据ip、iq运算方式谐波检测原理设计仿真模型。假设被检测对象为三相全控桥式整流电路的交流侧电流, 且整流电路的直流侧为阻感负载, 其中, R=50Ω, L=10 m H, 电源相电压为220 V, 频率为50 Hz, 整流器输出电压为100 V (相电压) , 触发延迟角为30°。此类模型会吸收电网基波电流而产生大量的5、7、11、13次谐波电流污染电网, 建立的谐波源仿真模型如图3所示。
依据ip、iq运算方式谐波检测原理设计的谐波检测仿真模型如图4所示, 模型中对转换矩阵C32、C23及C分别做成模块封装, 所选模拟低通滤波器LPF为二阶Butterworth模拟低通滤波器, 鉴于检测精度和响应时间相互矛盾, 为兼顾两者, 本模型中滤波器截止频率设为20 Hz。
2.2 仿真结果及分析
对上述建立的仿真模型, 启动Simulink进行仿真, 检测对象为三相全控桥式整流电路交流侧的a相电流, 其波形如图5所示, 其他两相的电流波形相同, 相位分别滞后120°和240°。得到基波分量iaf和谐波分量iah的波形, 分别如图6、图7所示;然后断开计算iq的通道, 得到基波有功分量iapf、谐波分量和基波无功分量之和iad的波形, 分别如图8、图9所示。
对图5、图6、图7的3个波形进行频谱分析, 结果如表1所示。
由仿真波形及频谱分析的结果可以得知, ip、iq谐波电流检测法, 能准确检测出电网中的谐波及无功电流, 如果断开谐波检测模型中计算iq的通道, 可以准确分离出基波中的有功分量或无功分量。由于只取与A相基波正序电压同相位的sinωt和cosωt参与运算, 即使电网电压存在畸变或者不平衡也不会影响基波电流检测的准确性, 由图6、图8的仿真波形可以看出, 基波检测并没有受到影响。本仿真低通滤波器截止频率设定为20 Hz, 由仿真波形可以看出, 检测延迟约为1/3个周期, 检测结果准确, 协调了检测实时性和准确性的关系。
3 结语
本文依据瞬时无功功率理论, 借助Matlab/Simulink建立了谐波检测仿真模型, 通过计算机仿真成功地对三相谐波电流进行了检测。仿真实验结果表明, 基于瞬时无功功率理论谐波检测方法能准确有效地检测出三相电路中的谐波及无功电流分量, 验证了该方法的可行性与正确性, 可为有源滤波器与无功补偿装置提供可靠的技术参数, 有益于解决电网电能质量问题。
摘要：为了准确实时地检测电网谐波及无功电流, 依据三相电路瞬时无功功率理论, 以计算瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为出发点, 得出一种用于有源电力滤波器的实时监测谐波和无功电流的方法。利用Matlab仿真软件, 对该监测方法进行了仿真研究, 仿真结果验证了算法的有效性, 该方法能为谐波抑制和无功补偿提供可靠的谐波及无功分量, 可为有源滤波器与无功补偿装置的研发提供可靠的技术参数。
关键词：瞬时无功功率理论,谐波检测,仿真
参考文献
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动态无功电流的瞬时采样直接法 篇2
1 无功电流检测算法
系统的相量图如图1所示。
设系统电压为
负荷电流为
从相量图中可以看出,负荷电流无功分量的幅值为
由三角函数关系sin(α-β)=sinαcosβ-cosαsinβ可得:
将系统电压us(t)=Ussin(ωt+θ1)采样,并且延时1/4个周期,可得:
式(4)可以写成:
图1中负荷电流相位滞后于系统电压相位,表明负荷是一个感性负荷,此时,
而
故在容性负荷情况下,IqL仅仅变化一个负号,即无论负荷是容性还是感性,IqL的幅值都不变,因此,式(7)所求得的IqL的绝对值即为无功电流的幅值。
在实际的无功电流计算过程中,系统电压经过锁相环(PLL)后,由检测到的相位可得到us(t)的单位正弦波us*(t)=sin(ωt+θ1),其相位和系统电压相位相同,幅值为1。在式(7)中用us*(t)代替us(t),用us*(t+π/2)代替us(t+π/2),则可得到更为简单的无功电流幅值表达式:
式(10)避免了计算系统电压的幅值,除了减小计算量之外,同时也避免受到系统电压突变等情况的影响。
无功电流直接法的框图如图2所示。从图2可以看出,该算法基于三角函数自身的数值关系,仅需1个延时环节和3个乘法器,结构非常简单,且仅有1/4个周期的延时。
2 直接法在STATCOM中的应用
2.1 单相STATCOM的原理
如图3所示,STACOM在无功补偿方面的作用在于使负荷的无功部分全部由STATCOM发出,负荷的有功部分以及无功补偿装置的有功损耗均由系统电流提供,即STATCOM的补偿电流由两部分组成:负荷电流的无功分量以及STACOM整个装置的基波有功损耗电流。采用上述直接法可从负荷电流iL中分离出无功电流分量iqL,将其和补偿装置的基波有功损耗电流-ip相叠加,得到补偿电流的指令信号ic*=iqL-ip。由此,系统电压与系统电流同相位,系统基波的功率因数即为1。
本文采用直流电容电压外环和交流电流内环的双闭环控制系统[10,11,12]。从直流侧电容电压与补偿装置有功电流的关系出发,可以在实现无功补偿器直流侧电压线性化控制的同时获得补偿器有功损耗[13]。交流侧采用滞环控制,以补偿电流参考值为基准设计一个滞环带,当实际补偿电流超出滞环带时,逆变器开关动作,使实际电流始终保持在滞环带内,围绕其参考值上下波动[14,15]。
2.2 STATCOM装置的有功功率损耗电流
由式(10)和图2可以得到STATCOM所需输出对系统补偿的无功电流,以下讨论STATCOM装置的有功功率损耗电流。
根据功率平衡原理,当电容C上电压Udc保持不变时,电感输出的电流iC不包含基波有功电流。一个无损的STATCOM装置直流侧电容电压的周期值为定值。而实际补偿装置存在损耗功率pA,其在一个周期内的积分不为零,所以将引起电容电压周期值的变化,即电容电压周期值的变化反映了补偿装置有功功率的传递[10]。
令式(1)中θ1=0,则系统电压为
补偿装置的有功功率损耗电流为
则损耗功率pA一个周期内的积分为
因此,损耗电流的幅值为
损耗电流计算框图如图4所示。
在实际计算中,通过PI调节对直流侧电压进行控制,同时得到补偿装置的损耗电流。其中比例环节使得电容电压快速接近给定值;积分环节用来调节静差,使得电容电压在参考电压值附近波动,改善系统的稳态性能。式(14)可对PI调节中的参数设置给出一定的参考。
3 数值仿真及实际实验结果
采用图3所示的STATCOM主电路图仿真模型,由4个IGBT管构成单相全桥变流器系统。电源采用单相交流电源,额定电压为220 V,直流电压参考值设为380 V。负荷端根据仿真要求,采用感性负载模型和容性负载模型。
3.1 直流侧电压波形及各项性能指标
图5为直流电容电压参考值Uref=380 V时的仿真图。
从图5可以看出,稳态时直流侧电容电压在固定值附近波动。直流电压的有效值Urms=379.03 V,平均值Ud=378.81 V,交流谐波电压分量的有效值(又称纹波电压)Uh=12.77 V。
则电压波形系数:
电压纹波系数:
3.2 交流侧电流波形及各项性能指标
图6(a)为负荷电流为感性时,交流侧系统电压、电流以及负荷电流的波形。所有波形均呈现很好的周期性,且线路电流保持良好的正弦特性。IGBT触发导通后可以稳定可靠工作。从图中看到,负荷电流滞后系统电压2.8×10-3 s,即cosφ=cos(2.8×10-3×360°/0.02)=0.637。在0~0.05 s期间,系统电流与负荷电流波形基本重合,0.05 s之后,通过无功补偿,系统电流与系统电压基本同相位,功率因数λ=cosφ=0.997。仿真证明直接法在0.05 s内动作,补偿效果良好。对系统电流进行谐波分析,结果见图6(b)。
系统电流谐波畸变率为
谐波电流畸变会对电压畸变产生很大影响,应该严格控制STATCOM输出电流中的谐波成分。上述方法输出电流的谐波畸变率小于5%,不会对系统造成消极影响。
图7为负荷电流为容性时交流侧系统电压、电流以及负荷电流波形。图中,负荷电流超前系统电压1.9×10-3s,即cosφ=cos(-1.9×10-3×360°/0.02)=0.827,通过无功补偿后,系统电流与系统电压基本同相位,功率因数λ=cosφ=0.995。
图8是根据上述原理设计的STATCOM的运行效果的实际录波图,其中,图8(a)是经过补偿后的系统电流,图8(b)是FFT分析的频谱图,图8(c)是系统电流变化时的补偿效果图,图8(d)是电流变化时的放大图。
实测结果表明STATCOM采用直接法进行无功补偿时,交流侧系统电流波形呈现良好的正弦周期性,STATCOM发出无功电流的波形系数良好,不会给系统带来谐波影响,系统电流THD值小于3%,优于国家标准规定的5%。同时通过负荷变化实验可见,在负荷电流变化中,STATCOM能够几乎无畸变地快速跟踪负荷变化并进行合理的补偿。实测数据表明在STATCOM的补偿容量范围之内,上述STATCOM装置可以实现单位功率因数。
4 结论
尽管动态无功补偿的各种理论算法都已比较成熟完备,本文提出的瞬时采样直接法仍具有传统检测无功电流分量算法所不具备的计算速度优势,利用三角函数自身的数学关系即可得到补偿目标量,响应时间仅1/4周期。仿真与实际应用证明无功补偿效果良好。算法不受负荷电流是容性或者感性的影响,稳定性好,可以全范围补偿系统的无功电流分量。
摘要：通过分析单相动态无功补偿系统结构,提出了一种新型的单相动态无功电流检测算法,并将其应用于静止同步补偿器。所提算法通过三角函数的数学关系导出无功电流的计算方法,采用电压与电流的瞬时采样值直接得到无功电流的幅值,是一种动态无功电流的瞬时采样直接法。该算法的控制目标是使补偿装置发出的电流为系统的无功电流,结构简单且易于实现,并且不受负荷电流为容性或者感性的影响,总体响应时间为1/4正弦周期。数值仿真与在静止同步补偿器中应用的实验结果都表明,算法能够保持系统电流无畸变,无功补偿范围广。
无功电流 篇3
静止无功发生器SVG(Static Var Generator)是灵活交流输电系统(FACTS)技术中一个重要的基础技术[1]。它除了包括无功发生的功能外,还具有稳定系统电压、阻尼系统振荡和改善系统运行状况的功能,与静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)相比较,SVG动态调节特性灵活、补偿效果优越及设备体积小,因此引起国内外研究人员广泛关注[2]。
SVG的建模是研究的热点。根据SVG主电路结构的不同,所建立的数学模型也不尽相同。在模型建立过程中,文献[2]建立了SVG的单线等效电路数学模型,文献[3]所建立的SVG动态模型虽然对三相分别考虑,但只用一比例系数K(平均占空比)描述SVG网侧基波电压与直流侧电容电压的关系,而没有充分考虑到SVG的工作机理和动态行为。SVG的电流控制方法是研究SVG的关键,目前,电流控制的主要方法有三角波比较、滞环控制和预测电流控制3种。三角波比较在控制目标和实际输出电流之间存在相角误差[4];滞环控制最大的特点是简单,但是滞环控制的开关频率变化较大。
为了实现系统较理想的补偿性能及较高的控制精度,笔者在考虑到连接电抗器的损耗、变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等),从SVG的工作机理及动态性能出发,建立了SVG的数学模型,并在其动态数学模型的基础上提出了一种预测电流控制的方案[5,6,7,8,9],该控制方法是利用当前采样时刻的状态信息,预测下一个采样周期补偿电流的轨迹,计算出逆变器输出的电压参考值,将其作为空间矢量PWM调制的输入,确定开关函数,产生与参考值相当的电压,最终达到预测补偿的目的,并且通过Matlab仿真验证了该控制方法的有效性和可行性。
1 SVG的动态数学模型
SVG的主电路结构图如图1所示,电压型逆变器的主开关管采用集成门极换流晶闸管IGCT[10]。为了便于分析,在不影响研究准确性的前提下作如下假设:
a.功率开关器件视为理想开关;
b.电网电压为三相对称正弦电压;
c.装置的所有损耗(变流器本身的损耗和变压器的损耗)用等效电阻R表示;
d.变压器的漏抗及连接的电抗用等效电感L表示;
e.忽略逆变器交流侧的电压谐波分量。
系统三相电压为
式中Um为系统线电压最大值。
为分析方便,引入逻辑开关函数Ci(i=a、b、c),3个桥臂开关元件的状态用Ca、Gb、Gc表示。其定义为
根据基尔霍夫电压定律,可得a相回路方程为
当Ga=1时,uaN=uN0;当Ga=0时,uaN=0。于是式(2)可改写为
同理,可得b相、c相方程如下:
对于三相输入无中线,即ia+ib+ic=0,且三相电源电压平衡时,则
图1中,逆变器由6个功率开关管组成,其通断规律是:同一桥臂不能同时导通。结合上文的开关函数,则3个桥臂只有“1”或“0”2种状态,因此VT1、VT3、VT5形成000、001、010、011、100、101、110、111共8种开关模式。其中,000、111开关模式使逆变器输出电压为零,所以称这2种开关模式为零状态。
直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律得:
联立式(2)～(7),则在abc坐标下用Gi描述的SVG数学模型为
在abc坐标下的电路方程比较复杂,对三相电压、电流的方程进行d-q变换,其中变换矩阵为
由此可以得到d-q坐标下SVG的数学模型为
2 SVG的电流控制策略
SVG一般采用电压外环和电流内环的双环控制策略。电压外环主要控制三相电压型逆变器直流侧电压,而电流内环主要按电压外环输出的电流指令进行电流控制。由于电压外环通常采用PI控制方法确定装置从系统吸收的有功电流参考值[9,12],故不作介绍。内环控制是SVG的控制核心,在此对内环控制算法进行详细讨论。考虑到SVG的响应速度有较高要求,对于内环控制器提出了采用预测电流控制的策略。
预测电流控制原理的实质是:利用当前采样时刻的状态信息,预测下一个采样周期补偿电流的轨迹,从而确定逆变器的开关函数,使补偿电流跟随电流参考值变化,参考电流值可以通过参考电压值求得[5]。
SVG的预测电流控制策略的基本思路是在第k个采样时刻根据所检测到的负载电流及补偿器输出电流,根据SVG的数学模型以及下一个开关周期k+1时刻的期望电流,计算出符合电流变化的输出电压矢量,从而迫使下一次采样时刻的补偿电流以最优特性跟踪下一个时刻参考电流,达到跟踪输出电流的目的,即利用当前已知状态、SVG模型和下一步参考电流,预测使电流在第k+1时刻达到期望电流时所需的电压,用PWM方法施加在逆变器上,使实际电流在k+1时刻达到期望值。预测电流控制原理图如图2所示。
将d-q坐标下SVG的数学模型式(10)变形,可得控制电压的方程为
对式(11)进行离散化可得:
其中,id(k+1)、iq(k+1)分别为第k+1次采样时刻的输入电流的参考值,Ts为采样周期。
为简化计算,以参考矢量在零号扇区为例,空间矢量PWM合成图如图3所示。用U1、U2和零矢量U0合成Uref,等效矢量按伏秒平衡原则合成。
其中,t1、t2和t0分别为U1、U2和U0的作用时间,Ts为采样周期。U1、U2、U0对应的开关变量分别为100、110、000(111)。运用相电压与开关变量的关系,可求得:
将式(14)代入式(13)可得到:
可求得U1、U2、U0的计算时间:
其中,udc.是直流侧电压,|Uref|和δ的值为
因此,利用电流参考值计算出逆变器应输出的电压参考值Uref,将其作为空间矢量PWM调制的输入,确定三电平逆变器的开关函数Ca、Cb、Gc产生相应的脉冲触发功率开关器件导通,产生与参考值相当的电压,最终达到预测补偿的目的。
3 仿真结果分析
为了验证该控制系统的有效性,用Matlab软件对系统进行仿真分析。仿真条件如下:电源电压为380 V,系统频率50 Hz,装置与系统的连接电感为0.01 H,装置直流侧电容为0.004 F,等效电源电阻为10Ω。
补偿前a相电流及其频谱、总谐波畸变率THD如图4所示(图中,n为谐波次数,下同),补偿后a相电流及其频谱与THD如图5所示。由图可见,补偿前电流中含有大量的6k±l(k=1,2,3,…)次谐波,THD为19.38%。经过预测电流控制器补偿后,a相电流不但与电压同相,而且基本变为正弦波,THD降为4.31%。这说明了这种控制方法具有良好的性能。
4 结论
本文建立了电压型SVG的动态数学模型,该模型精确描述了SVG的动态工作过程,便于控制系统的设计。在其动态数学模型的基础上提出了一种预测电流控制的方案,对该控制方法进行了理论研究和Matlab仿真,结果表明:该控制方法对预测补偿SVG的无功电流具有有效性和可行性。
摘要：为实现静止无功发生器SVG(Static Var Generator)良好的控制性能，从SVG的工作机理动态性能出发，引入逻辑开关函数建立SVC的动态数学模型，在该模型基础上提出了一种预测电流控制的方案。该控制方法是利用当前采样时刻的状态信息，预测下一个采样周期补偿电流的轨迹，计算出逆变器输出的电压参考值，将其作为空间矢量PWM调制的输入，确定开关函数，产生与参考值相当的电压，最终达到预测补偿的目的。Matlab仿真结果表明：该控制方法对预测补偿SVG的无功电流具有有效性和可行性。
关键词：静止无功发生器,数学模型,预测电流控制
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无功电流 篇4
静止无功发生器 (Static Var Generator, SVG) 技术作为动态无功补偿的发展方向, 是目前国内外研究的热点。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器 (或变压器) 并联在电网上, 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值 (间接电流控制, SVG相当于可控电压源) , 或者直接控制其交流侧电流 (直接电流控制, SVG相当于可控电流源) , 就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 达到动态无功补偿的目的。SVG与静止无功补偿器 (SVC) 相比, 具有体积小、容量大、输出特性理想、调节连续、响应速度快、补偿容量受系统电压影响小等优点[1,2]。
目前SVG工程化的主电路拓扑结构, 主要分为链式、级联、多电平和直接串联等。国内SVG厂家主要采用链式或级联多电平结构, 链式SVG结构虽然可以对负荷进行有限的分相补偿, 但其在控制上往往只能采用间接电流控制, 因此, 精度低, 响应慢;采用H桥级联结构的SVG, 其输出电压谐波小, 等效开关频率高, 也可以实现分相控制, 但其直流侧电容的平衡控制相对不易, 而且在H桥模块发生故障时, 需要专门的旁路单元将故障模块旁路掉后才能继续降容运行, 同时随着级联模块数目的增多, 控制也变得更加复杂;直接串联结构的SVG, 将器件直接串、并联以适应高压大功率应用, 这种拓扑结构已在国外轻型直流输电和SVG中得到了很好的应用。只要解决好器件串联的某些关键技术, 这种结构将会因其主电路结构简单, 成本低而极具前途, 况且随着器件电压、电流等级增大, 导通压降降低、开关损耗减小等特性不断提高, 直接串联结构的SVG将会变得更具吸引力。
实时数字仿真系统 (RTDS) 是由加拿大蒙尼托巴高压直流研究中心研制的一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置, 几乎包括了所有电力系统和电力电子器件的精确模型, 其核心是通过先进的软硬件技术对电力电子装置进行准确的实时仿真。RTDS的用户界面友好, 建模周期短, 灵活性强, 频率特性范围广, 其计算精度和模型合理性等, 通过多年的国内、外运行实践, 已被证明是可信赖的[3]。
文中针对绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 直接串联的两电平SVG主电路模型, 综合比较各种SVG控制策略后, 采用基于电压外环和电流内环的直接电流控制, 通过d、q轴电流解耦, 实现了有功和无功电流的独立控制;如果SVG的补偿对象是工业负荷, 则经常会发生电压或无功的剧烈波动, 从而导致SVG直流侧电压的频繁波动。因此, 介绍了采用自适应滤波算法来检测SVG直流侧电压中直流分量的特殊方法。
最后, 利用RTDS搭建的系统模型, 验证了实际工程SVG控制器的性能和控制算法的正确性。
1 SVG基本原理及其控制
SVG的结构如图1所示, 根据基尔霍夫电流定律, 得:is_abc+ic_abc=iL_abc_p+iL_abc_q, SVG补偿负载无功的控制原理, 就是检测出负载电流中的无功分量iL_abc_q, 同时由SVG输出一个与该无功分量大小相等, 方向相同的电流ic_abc, 使得最终供电系统仅提供负载电流中的有功分量, 即is_abc=iL_abc_p。
根据三相电压型PWM变换器到dq坐标下的低频数学模型[4], 可得如下方程:
其中:L、R分别为SVG交流侧电感的电感值和电感漏阻值, id、iq为SVG阀侧三相电流在旋转坐标系轴上的分量, usd、usq为SVG接入点电压的dq轴分量, urd、urq为SVG阀侧电的dq轴分量。
由公式 (1) 可知:d、q轴电流之间存在耦合, 一般的电流调节器很难达到理想的调节效果。采用状态反馈解耦控制[5]对d轴电流id和q轴电流iq进行解耦, 就可以达到对id和iq的独立、精确、迅速的控制。根据解耦控制的思想, 可以得到电流控制公式如下:
在同步旋转dq坐标系下, 被控量由交流量变成直流量, 消除了电流稳态跟踪误差。同时, 可以方便地引入电流状态反馈, 实现dq轴电流的解耦控制。文中采用基于同步旋转dq坐标系的电压外环、电流内环双闭环控制结构, 同时采用自适应滤波算法来检测频繁波动的SVG直流侧电压中的直流分量, 如图2所示。
2 直流侧电压检测
在SVG控制系统中, 采用直流电压外环控制以补偿SVG的有功损耗, 维持直流侧电压恒定, 该PI控制环的输入为直流母线参考电压Udc_ref与直流母线测量电压Udc_meas之差, 输出为d轴指令电流id*, 即:
然而在SVG中, 因负荷的频繁波动、系统的不平衡和开关器件的频频动作而导致直流电容不断充放电, 致使直流侧母线电压出现波动, 即直流侧电压中也含有谐波。考虑到PI调节器只能对直流量做到无静差调节、一般的低通滤波器具有增益衰减、相位滞后的缺点, 文中使用自适应滤波器来求取直流侧母线电压的平均值, 其原理如图3所示。其中Udc (n) 为直流侧母线电压采样值, 参考输入信号为直流量1, ω为参考输入信号的权值, y (n) 为所需检测的直流分量Udc (n) , e (n) 为滤波器的误差反馈信号。
由图3知:
根据最小均方 (LMS) 误差准则[6], 滤波器的最佳权系数ω*应使得滤波器的均方误差最小, 即有目标函数:用瞬时输出误差功率的梯度ωe2 (n) 来近似得到权值ω的更新迭代公式:
其中μ为设定的迭代步长因子。在自适应滤波器中, 将Udc (n) 中的直流分量视为期望信号, 谐波分量视为干扰噪音信号, 利用误差反馈信号e (n) 控制权值ω的更新迭代, 权值ω跟踪最佳权系数ω*的变化, 此时输出信号y (n) 也就跟踪Udc (n) 中的直流分量的变化, 于是就较准确地检测出了SVG直流电容器上的直流分量
3 RTDS仿真结果
文中还简述了在RTDS平台上, 对直接电流控制的SVG控制器进行了试验。RTDS和控制器通过光纤交互的信息如图4所示。RTDS将10 k V母线电压、SVG电流和10 k V母线的进线电流等电量发送给SVG控制器, 控制器则根据相应的控制算法, 输出PWM脉冲给RTDS中相应的主回路器件。由此模拟SVG在实际系统中的运行情况, 其结果具有很大的工程参考意义。
试验系统主要参数为:SVG容量为30 Mvar;接入点线电压为10 k V;连接电抗为L=2 m H;直流电容为220μF;直流侧参考电压为18 k V, 开关频率为1 950 Hz, 负载为30 MW固定有功和30 Mvar可变无功。试验系统带30 MW有功负荷稳定运行后, 合上30 Mvar容性无功负载开关, 投该无功扰动的试验结果如图5~7所示。
由图5可知, 试验系统带30 MW有功负荷稳定运行时, SVG发出大约5 Mvar无功, 以补偿网侧变压器无功损耗。当投入30 Mvar容性无功负载后, 网侧变压器损耗就由投入的容性无功来补偿, 多余的25 Mvar就由SVG来吸收了;图6是网侧电压和电流的波形, 由图可知投入30 Mvar无功扰动后, SVG能迅速补偿掉无功, 使得网侧保持高功率因数;图7是SVG直流侧电压波形, SVG经过一个大的负载扰动后, 直流侧电压约20 ms后就能继续稳定在参考值18 k V附近, 且采用自适应滤波后的直流侧电压参与控制后, 输出的直流侧电压波动明显减小。
4 结语
针对采用直接电流控制策略的SVG控制器, 在RTDS上进行了闭环仿真试验。试验结果验证了基于直接电流控制和直流侧电压自适应滤波的SVG具有响应速度快、控制精度高等特点。试验结果为下一步动态建模实验提供了很好的参考依据。
参考文献
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无功电流 篇5
当前电力响应面对的一个重要的电能质量问题由电弧炉、轧钢机、电力机车等特种冲击负荷引起的电压闪变,对公网的正常运行造成极大的危害。静止无功发生器技术(SVG,Static Var Generator)作为动态无功补偿的发展方向,具有体积小、容量大、输出特性理想、调节连续、响应速度快、补偿容量受系统电压影响小等优点,是目前国内外研究的热点[1,2]。
基于链式结构的静止无功补偿器的不平衡分量的分相补偿,已有很多文献介绍,但是对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接串联结构的静止无功补偿器,由于是三相耦合,无法采用分相补偿的方法[3]。另外,有文献提出对目标电流进行序分解,将其正、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系中,对正、负序电流的d轴和q轴分量分别采用PI控制,简化了控制器设计,不失为一实用方法,但其仅对控制策略进行了MATLAB仿真,尚需进一步试验验证。还有些文献提出了一种谐波与无功电流解耦及复合双向补偿的控制策略,虽然补偿效果明显,但其PWM控制的开关频率达10 k Hz,显然不适合高压大容量的静止无功补偿器。
本文采用双同步控制器策略,以ω0旋转的正序同步控制器补偿正序分量和以-ω0旋转的负序同步控制器补偿负序分量,两个控制器输出之和作为总的输出;对于低次谐波滤除,由于谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,因此采用比例谐振积分(PR)控制策略来滤除低次谐波。最后通过RTDS和动模试验验证了所提控制策略的正确性。
1 SVG控制策略
SVG的的结构如图1所示,根据基尔霍夫电流定律,得:is_abc=iv_abc+il_abc=iv_abc+il_abc_p+il_abc_q,SVG补偿负载无功的控制原理,就是检测出负载电流中的无功分量il_abc_q,同时由SVG输出一个与该无功分量大小相等,方向相反的电流iv_abc,使得最终供电系统仅提供负载电流中的有功分量,即is_abc=il_abc_p。
由于SVG一般直挂于变压器低压侧,低压侧按三角形接线,因此没有零序分量,同时忽略谐波分量,仅考虑基波正序和负序分量。同时考虑到同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,消除了电流稳态跟踪误差。同时,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。
根据基尔霍夫电压定律,易得SVG在三相abc坐标系下的数学模型:
分别对公式(1),按公式(2)和公式(3)的正序、负序旋转坐标变换到dq轴,得到dq旋转坐标系下SVG正序和负序数学模型如公式(4)和公式(5)所示。
其中:L、r分别为SVG连接电感的电感值和电感漏阻值,u+sd、u+sq、u+rd、u+rq、id+、iq+为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在正序旋转坐标系dq轴上的分量,usd、usq、urd、urq、id-、iq-为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在负序旋转坐标系dq轴上的分量。
根据数学模型推导出基于正负序分解和dq轴电流解耦的SVG控制框图如图2所示,图2 a)为直流电压控制环,输出有功电流指令i+dref,该电流用以补偿SVG连接电感以及IGBT损耗。图2 b)为无功电流指令环,SVG无功控制采用直接检测负载电流中无功分量i+pop的开环控制和对系统侧电流无功分量inet_q进行的闭环控制来得到无功电流指令i+qref,开环控制保证了无功响应的速度,闭环控制保证了响应的精度。在同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。图2 c)和d)分别为将正、负序电流解耦控制框图。
2 SVG谐波补偿
SVG的主要功能为补偿无功,但只要直流侧电容设计合理,SVG还能完成滤除谐波的功能。SVG滤除谐波对精度要求较高,而对响应速度要求不高,因此采用二阶谐振积分控制器来实现滤除谐波功能。
谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,从而达到准确补偿谐波电流的目的,其传递函数为:
其中ωh为谐振频率,ki为积分系数。以谐振频率ω=2π×250=1 570为例,其波特图如3所示,在谐振频率ω=1 570 rad/s处,其增益无穷大,对谐振频率以外的频率,有很大的衰减特性。
基于谐振积分器的SVG滤除谐波的原理如图4所示:将负载电流iL和SVG电流iV的差值作为谐振积分器的输入,输出为谐波调制波uhref。对将谐振频率为ω1,…,ωn,的多个谐振积分器并联,则可对谐波频率为ω1,…,ωn的各次谐波进行有效滤除。
3 实验验证
3.1 RTDS实验
本文利用RTDS试验平台搭建一个30 Mvar的样机模型对所提谐波和负序电流控制进行验证。试验系统主要参数为:SVG容量为30 Mvar;接入点线电压为10 k V;连接电抗为L=2 m H;直流电容为1 000μF;直流侧参考电压为18 k V,开关频率为1 950 Hz,不对称规则采样SPWM。谐波负载为3次、5次谐波电流幅值各为500 A;不平衡负载参数:A相0.01 H、3Ω,B相0.01 H、3Ω,C相0.1 H、3Ω。
图5、图6是投入SVG前后系统电流波形的谐波分析,图中SVG投入后,负载中的3、5次谐波被有效滤除掉了,系统电流总谐波畸变率THD从25.94%降为2.52%。SVG解锁前后系统谐波电流含量如表1所示。
图7、图8为SVG投入前的负载不平衡电流,SVG投入后的SVG输出电流iSVG、网侧电流i网侧及直流侧电压udc波形,由图可知,SVG输出不平衡补偿电流,补偿后网侧电流三相平衡,但由于负序分量的存在,直流侧电压存在两倍频波动,而因为直流侧电容参数设计合理,直流侧电压的波动范围在控制器允许范围(±5%)之内。
3.2 动模实验
本文搭建了一个1 k V、30 kvar动模平台来验证该负序控制策略,该平台基于3个IGBT串联的两电平三相桥结构,连接电抗10 m H,直流电容500μF,开关频率1 950 Hz,直流侧电压参考值1.8 k V,控制器与RTDS试验时一样。不平衡负载为3 kvar的缺C相的电感负载,平衡负载为22.5 kvar电容负载。
图9是投入不平衡负载前后得到的SVG在dq轴上的正负序电流跟踪参考电流波形图,由图知在不平衡负载投入后,SVG能迅速输出跟踪上各序电流参考值,从而补偿掉负载中负序电流以及正序无功电流分量。图10是投入3 kvar的缺C相的电感负载和22.5 kvar的电容负载时SVG系统电流、负载无功、系统无功、SVG输出无功、直流侧电压波形图。图10 a)中SVG输出不平衡电流来补偿负载中的不平衡电流,图10 b)的系统电流中只剩下了维持直流侧电压恒定以及补偿IGBT损耗和取能回路所需的电流。图10 c)中系统无功Q_NET维持在0附近,表明负载中的无功全部由SVG补偿掉了。图10 d)是直流侧电压波形,直流侧电压波动在允许的5%以内。
4 结语
提出了一种可以综合补偿负序和谐波电流的控制策略,即采用双同步控制对基波正、负序分量进行补偿和采用谐振积分控制对谐波分量进行补偿,并对该控制策略进行了理论分析,最后分别在RTDS和动模试验平台对该控制策略进行了验证,试验结果表明所提策略能较好的满足工业SVG补偿负序和低次谐波电流的需要。
摘要：针对工业负荷运行时产生大量负序和谐波电流的情况,提出了一种可以补偿负序和谐波电流的静止无功发生器控制策略,该策略对正、负序电流分别采用dq轴电流解耦跟踪控制,对谐波电流采用比例谐振(PR)电流控制。最后通过实时数字仿真(RTDS)和动模试验验证了在实际工程中SVG控制器负序和谐波补偿算法的正确性。
关键词：静止无功发生器,负序电流补偿,谐波电流补偿,实时数字仿真,动模
参考文献
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无功电流 篇6
传统的供电系统都是按照正弦波形运行原理设计的。在理想情况下, 电力系统中的电压与电流都是频率恒定不变的正弦量, 两者除相位与幅值不同外, 没有其他的差异。电网公司的目标就是努力为用户提供可靠、清洁的基频正弦波功率, 在此种功率下, 用户设备可以正常运转不会产生损害。但谐波的存在使波形出现畸变, 带来大量的问题[1]。
1 谐波的危害
谐波自电力系统建成就一直存在, 但在初期由于含量较小, 其影响也相对较小。随着无功补偿装置、变流装置及非线性负载的不断增多, 电力系统中的谐波含量也不断增加, 其所带来的不良影响也愈加严重[2]。
电力系统中出现谐波主要是因为系统中存在某些非线性负荷特性的设备, 流过这类设备的电流与所加的电压不成正比。当系统向这些设备供电时, 它们除了消耗系统所提供的基波电能外, 又将部分基波转换为告辞谐波, 并向系统倒送, 使系统中的波形畸变, 电能质量降低。电力系统中的主要谐波源有铁磁饱和型、电子开关型及电弧型三大类。
谐波可以产生诸多不良影响, 如它可能会引起设备过热、振动、噪声, 导致设备绝缘层老化、脱落, 设备使用寿命减少, 在电力系统局部引发并联或串联谐振, 进一步放大谐波含量, 甚至导致设备损坏。此外, 谐波可能会导致继电保护及安全自动装置拒动或误作, 使得系统发生故障时, 保护装置不能正确动作隔离故障, 系统的安全性和稳定性受到严重破坏。在系统外部, 谐波还会干扰通信设备, 影响设备的正常通信。谐波的这些危害使得消除谐波变得尤为重要, 而实时准确地测量电力系统中的谐波就是消除谐波的基础[3]。
2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法
谐波使正弦波形出现畸变, 在这种情况下传统的功率定义并不适用。为解决这一问题, 国内外学者进行了大量的研究及仿真建模分析, 目前用于谐波检测的方法主要包括快速傅里叶变换及其改进方法、基于自适应理论的算法、基于小波变化理论的算法等, 但傅里叶方法谐波检测精度不高而小波理论方法算法较为复杂[4]。
在三相电力系统中, 电力电子装置及非线性负荷所产生的谐波最为普遍, 而这些谐波一般以电流性谐波表现出来, 所以在研究中普遍将电流性谐波作为研究对象。赤木泰文等通过研究率先提出了瞬时无功功率理论, 并在此基础上提出了p-q法及ip-iq法这两种谐波电流的检测方法, 通过上述方法可以实时分离出各次谐波用于谐波分析, 具有实时性好、精确度高、理论成熟和概念清晰等特点, 是目前有源滤波器中应用最为普遍的谐波电流检测方法。
上述算法在三相电压波形对称且无畸变时, 具有谐波电流检测回路简单、延时短的优点, 虽然由于谐波电流的构成及检测电路中所使用的滤波器不尽相同, 存在一定的延时, 但该延时最多不会超过一个周期。其缺点是所需硬件较多, 成本较高。且上述方法是以三相三线制电路为基础的, 对于单相电路, 需先对三相电路分解, 然后构建出单相电路的谐波检测电路。另外, 需特别注明的是对于三相四线制电路p-q法并不适用。
三相三线制与三相四线制系统的不同主要在于谐波电流中是否含有零序分量, 三相三线制系统的谐波电流中只含有各次正序分量和零序分量, 而三相四线制系统的谐波电流中除各次正序分量和零序分量外, 还可能含有零序分量。马惠等通过公式推导得出通过ip-iq法在对电流进行3/2相变换时, Ia、Ib和Ic中谐波电流的零序分量可以相互抵消, 并通过建模仿真验证了在三相四线制系统谐波电流中的零序分量并不影响ip-iq法的应用[5]。
何英杰等提出了用一种变步长最小均方自适应滤波器为低通滤波器的数字化实时检测方法, 通过仿真发现, 该方法解决了传统检测算法所存在的检测精度与响应速度之间的矛盾, 为有源滤波器的实时电流补偿提供了保障。该方法不仅适用于三相对称非线性负载, 对三相不对称非线性负载也有很好的检测效果。刘继权等运用瞬时无功功率理论, 先通过无锁相环ip-iq法检测基波电压, 然后运用所检测出的基波电压, 利用p-q法进行计算, 精确检测所需的基频有功电流、无功电流和各次谐波电流的。在传统ip-iq算法的基础上, 王子迹等将Park变换运用在谐波检测环节中锁相环的鉴相部分, 该方法不通过电压直接计算谐波, 消除了传统方法中由于电压畸变、不对称和电压采集所带来的检测误差, 且鉴相环节和Park变换相结合, 提高了运算效率与响应速度, 节省了计算时间[6]。
近年来, 国内外许多学者在瞬时无功功率理论的基础上进行了大量拓展研究, 提出了广义瞬时无功功率理论, 并以该理论为基础提出了新的谐波检测方法, 现已在工程实践中得到初步应用。杨怀仁等通过对谐波电流的广义旋转坐标变化, 将谐波电流转变为直流分量, 再使用低通滤波器进行坐标反变换, 最后将直流分量变为所需的特定次的谐波电流。这种方法简单灵活, 只通过修改矩阵就可以得出三相三线制系统中的任意次谐波的正序、负序分量, 通过叠加就可以得到所需的谐波量。
3 结语
随着现代科学技术特别是电力电子技术的迅猛发展, 接入电力系统的谐波源不断增加。而另一方面, 随着经济的发展, 电力用户对电力供应的要求逐渐由供电的连续性向电能的优质性转变, 对电能质量的要求越来越高。谐波污染作为三大“电力公害”之一严重影响电能质量, 因此必须受到更多的关注, 瞬时无功功率理论、广义瞬时无功功率理论为准确检测、消除谐波奠定了理论基础, 而通过中外学者的研究发现现行的理论仍存在一定的局限性, 需进行完善改进, 研究新的检测方法, 以满足未来的实际需要。
参考文献
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无功电流 篇7
1 电解铝整流系统的特征
电解铝是当前获取金属铝的主要方式, 是以氧化铝为原料, 在冰晶石熔体中进行熔盐电解的化学过程。其制备过程主要表现出以下4个特征。
1.1 耗电量大
电解本身是一种能耗量极大的生产方式, 这是因为金属铝的化学属性极为活泼, 传统的置换等化学处理方式无法有效地从化合物中提取出金属铝, 从总体上看, 电解是当前最高效的制备方式。
1.2 功率因数较低
电解制铝过程对电力的要求较高, 电力系统直接供应的电力形式无法满足电解需求, 因此, 在电解铝系统中, 还需要经过调压变压器、整流变压器和大功率元件整流系统, 才能进入最终的电解活动。在这一过程中, 系统众多、无功消耗极大, 且电解铝系统的功率因数较低。
1.3 供电可靠性要求高
电解铝是一个连续的过程, 在电解铝活动中对电力供应的稳定性和可靠性有极高的要求, 一旦出现电力供应的中断, 则会导致电解反应停止, 且在恢复供电后的一段时间内电解生产都无法正常进行。如果停电超过1 h, 浸泡在电解溶液中的半成品会发生其他反应, 进而影响金属铝的产出率, 甚至会对电解槽的内衬造成严重的破坏。
1.4 谐波污染现象较为严重
电解铝系统中的大功率元件整流系统在运行过程中会产生大量的谐波, 如果无法有效控制谐波的产生和传播, 则会对周围的供电网络和通信网络造成消极影响, 严重情况下, 还会对电解铝系统的运行质量和效率产生影响。通常情况下, 整流供电的功率一旦低于0.9, 则会导致电解铝系统出现功率下降、绝缘发热或老化等问题。
2 电抗器的作用
电解铝过程中大功率元件的整流系统会产生严重的谐波现象, 这种现象不仅会对电网和通信网络产生影响, 还会影响电解铝设备的工作状态。针对电路中的谐波现象, 当前主要的解决办法是在线路中安装电抗器。
在电容器回路中安装阻尼电抗器, 在电容器回路投入时可起到抑制涌流的作用。同时, 可与电容器组一起组成谐波回路, 起到各次谐波的滤波作用。比如在500 k V变电所35 k V无功补偿装置的电容器回路中, 为了限制投入电容器时的涌流和抑制电力系统的高次谐波, 在35 k V电容器回路中必须安装阻尼电抗器。抑制三次谐波后, 采用额定电压为35 k V、额定电感量为26.2 m H和额定电流为350 A的干式空心单相户外型阻尼电抗器, 它与2.52 Mvar电容器对三次谐波形成谐振回路, 即三次谐波滤波回路。具体接法如图1所示。
3 谐波问题和无功补偿的高相关性
在电解铝系统中的大功率整流系统中, 感性无功与容性无功一同出现在同一谐波源中, 谐波电流产生的无功现象会相互补偿。通常情况下, 补偿现象会对供电网络中的基波功率造成影响, 具体表现为一部分基波功率转化为谐波功率后回到电网, 这种谐波功率在电网中继续存在会对与电网连接的其他电力用户造成损害。如果在这一过程中整流系统的运行参数设定不科学, 无功现象的相互补偿会被继续放大, 进而产生共振现象。因此, 在选择滤波器组时, 除了要考虑提高电峰测的功率因数, 还应避免谐振出现。
为了满足系统无功补偿的要求, 采取的主要方法有2种:1当电解铝系统中滤波装置的无功容量与补偿容量出现差值时, 可使用并联电容器提升补偿容量;2当供电网络的电抗值与并联电容器的电容值构成的谐振频率较高, 而电解铝产生的电力负载谐波电压较低时, 不需要考虑谐波的补偿问题, 但在实际的电解铝系统运行中, 这一标准比较难把握, 需要从电解铝系统的实际出发, 切实保证谐波的补偿要求得到满足。
4 结束语
电解铝是当前提取金属铝的主要方式, 这一提取方式的运行质量和效率直接影响着铝制品行业的发展。因此, 对电解铝整流系统的谐波电流和无功功率的分析具有鲜明的现实意义。本文从电解铝整流系统的特点、电抗器的应用, 以及谐波问题与无功功率的关系的角度对谐波电流和无功功率问题进行了分析, 以期为电解铝整流系统运行质量的提升提供支持和借鉴。
参考文献
[1]陈广生.电解铝整流系统的谐波电流与无功功率[J].科技传播, 2013 (01) :26-27.