配电网静止无功发生器

配电网静止无功发生器（精选4篇）

配电网静止无功发生器 篇1

我国与一些发达国家相比,在电网的总损耗中,10 k V及以下配电网约占43%[1—3],所以节能在我国配电系统中就显得很重要。所以,一种能够进行连续调节,结构不是那么复杂,可以满足配电系统需要的动态无功补偿装置就可以满足我国电能的发展。现在,我国对D-STATCOM的研究主要是在高压大容量方面,在低压配电侧,对D-STATCOM的研究还不是很多,我国低压配电侧容易出现三相负荷不平衡,功率因数偏低的情况,所以在配电网中对D-STATCOM的研究在我国将具有很大的应用前景。

D-STATCOM在配电网中可以提高电能的质量,但是它是一个非线性、耦合性很强的系统。针对D-STATCOM的特点,采用模糊免疫PI控制和前馈控制相结合的控制策略,对D-STATCOM系统中的有功电流和无功电流进行解耦,从而有利于控制的实现。论文最后给出的仿真结果表明,运用此种控制策略,可以让D-STATCOM的动、静态性能得到很大的提高。

1 D-STATCOM系统的数学模型

D-STATCOM系统图如图1所示:C代表直流侧电容,R、L分别代表电阻和电感,三相电网电压为Usa、Usb、Usc,假设变流器的开关器件IGBT为理想开关器件,三相电网电压是平衡的,并且不考虑高次谐波。

如图1所示,ABC坐标系下的数学模型为公式(1)所示:

在ABC坐标系下的数学模型如公式(1)所示,这种数学模型虽然具有很清晰的物理意义,但是给控制系统的设计带来了很大的困难,因为这种数学模型的交流侧变量具有时变性。所以,要通过PARK变换,将ABC坐标系下的数学模型转换成以电网基波频率同步旋转的两相坐标系。利用这种变化就可以使ABC坐标系下的交流量变换为两相旋转坐标系中的直流量,从而可以解决ABC坐标下,D-STATCOM数学模型交流侧具有时变性的难题。ABC坐标系到同步旋转的两相坐标系的变换矩阵为公式(2)。

将公式(2)代入公式(1)得到d-q坐标系下的电压电流方程为公式(3):

公式(3)中,id、iq代表两相旋转坐标系下的直流分量。对公式(3)进行拉普拉斯变换,则可以得到系统模型,如图2所示。

由公式(3)和图2可知,在两相旋转坐标系下D-STATCOM是一个两输入两输出的耦合非线性系统,这对D-STATCOM控制器的设计是比较困难的,所以要进行D-STATCOM的解耦。

2 本文提出的控制策略

为了稳定公共连接点电压和保持直流侧电压恒定,D-STATCOM的控制系统一般采用双闭环控制,即电压外环和电流内环控制:电压外环的作用是控制D-STATCOM的直流侧电容电压和D-STAT-COM接入到系统中的公共点电压;电流内环的作用是让逆变器的输出电流能实时地跟踪电压外环输出的参考信号。双闭环控制的过程如图3所示。

在d-q坐标系下,针对D-STATCOM数学模型的特点,本文采用模糊免疫PI控制和前馈解耦控制相结合的控制策略,即电压外环采用模糊免疫PI控制,使得电压外环控制器的动态性能可以得到很好的改善,电流内环采用前馈解耦控制的方法来进行有功电流和无功电流的解耦,避免了耦合作用对控制器设计的影响。

2.1 电压外环的控制

有功电流、无功电流与其对应的直流侧电容电压和公共连接点电压之间的关系并不是一种线性的关系,因此在双闭环的控制策略中,采用传统的PI控制是不能满足控制要求的。另外,固定参数的PI调节器的自适应性能也较差[5]。所以对电压外环的控制采用模糊免疫PI控制,模糊控制对于高度非线性和容易受到外界干扰的系统,具有很好的调节效果,因为模糊控制需要的数学模型可以是不精确的,但因为其推理方式和人的思维方式很相似,隶属度函数和模糊规则库的建立,受到操作者经验的影响很大,所以会产生一些误差,在设定值的小范围内也会产生振荡。因为具有很强抗御抗原的能力———免疫系统,所以把模糊控制、免疫反馈原理和PI控制结合起来,从而实现对PI参数的自动调整[6]。

模糊免疫Pl控制器的结构如图4所示。模糊免疫PI控制器中PI参数的自动调整是找出比例、积分系数与误差和误差的变化之间的模糊关系,在运行过程中对误差和误差的变化进行不断的检测,对PI控制中的比例、积分系数,根据模糊免疫控制的原理来进行在线调整,从而使被控对象D-STAT-COM的动、静态性能达到一个良好的状态。

在双闭环控制器中,公共连接点电压反馈值upcc和给定值upccref进行比较,产生的误差通过模糊免疫PI调节器后形成无功电流指令值iqref,直流侧电容电压反馈值udc与其给定值udcref进行比较,产生的误差经模糊免疫PI调节器后形成有功功电流指令值idref,iqref和idref作为电流内环的输入。

2.2 电流内环的控制

由于D-STATCOM系统电流内环的强耦合性,利用前馈解耦控制策略对电流内环进行解耦,采用如公式(4)所示的控制方程。

公式(4)中,kP3,kI3代表d轴电流PI控制器的比例、积分常数;kP4,kI4代表q轴电流PI控制器的比例、积分常数。对公式(4)进行拉普拉斯变换,可得到D-STATCOM的前馈解耦控制模型为图5所示。

将公式(4)代入公式(3)可以得到解耦后的控制方程如公式(5)所示。

对公式(5)进行拉普拉斯变换,并结合图2和图5,可以得到D-STATCOM解耦后的控制模型为图6所示。

3 仿真与实验验证

为了验证上述理论分析的正确性和所提控制策略的有效性,采用MATLAB进行仿真。具体仿真参数如下。

系统电压:380 V;频率:50 Hz;直流侧电容:2 200μF;工作电压:800 V;PWM载波频率:12k Hz;滤波电感等效电感为:1 m H;等效电阻为0.3Ω。

如图7所示,传统PI控制上升时间、调整时间和超调量都很大;模糊免疫PI控制超调量小,在很短的时间内就能达到稳定,仿真结果表明,电压外环采用模糊自适应PI控制,使得电压外环控制器具有很好的动态性能和自适应性能模糊免疫PI控制具有的动态性能更好。

如图8所示,本文所提控制策略比未进行解耦控制的动态性好,同时本文所提控制策略的超调量很小,调节时间都很短,当电气参数发生变化时,表现出来更强的鲁棒性。

4 结语

本文对D-STATCOM的解耦控制策略进行了研究,利用模糊免疫PI控制实现了对D-STATCOM的电压外环的控制,利用前馈解耦控制实现了对电流内环的解耦控制。模糊免疫PI控制器在稳定性、响应速度及鲁棒性方面,比传统PI控制器有优势,前馈解耦控制实现了D-STATCOM中有功电流和无功电流的解耦控制。仿真和实验结果证明了本文所采用控制策略的可行性和有效性。

参考文献

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[7]李春文,冯元混.多变量非线性系统控制的逆系统方法.北京:清华大学出版社,1991

配电网静止无功发生器 篇2

与静止无功补偿装置SVC相比, 静止同步无功补偿器 (STATCOM) 能够快速并连续、大幅度补偿无功功率, 无论在装置容量还是面积及各种损耗程度上都优于SVC。在电网中应用STATCOM用来稳定公共连接点处电压, 使其保持在所要求的范围内, 最终改善系统的稳态性能和动态性能。应用在配电系统中简称称为DSTATCOM (STATCOM in Distribution System) 。为了提高配电系统中电能质量问题, 对补偿装置的研制是一个新的研究热点。在配电网公共连接点处连接D-STATCOM装置用以抑制电压波动并提高功率因数, 进而提高电能质量。最终为了保持公共节点处电压处于恒定值, 使DSTATCOM装置提供的无功功率完全补偿负载所需要的无功功率。

2 D-STATCOM的数学模型

D-STATCOM的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路。装置接入系统中产生的谐波对电网电压会造成一定影响, 而电压型桥式电路中的电抗器消除这种谐波所带来的影响。

在电网电压平衡情况下, 根据基尔霍夫电压定律将三相静止坐标系直接转化d-q坐标系, 并将d轴方向与配电网公共节点处电压处于同向下的D—STATCOM数学模型:

其中, w为配电网的基波角频率。ed、eq为d、q坐标系下D-STATCOM装置输出电压的d、q分量, id、iq为装置输出电流的d、q分量。由上式知, D-STATCOM交流侧瞬时电流id、iq的调节与其交流侧瞬时电压ed、eq存在对应关系;但由于耦合项w Liq、w Liq使其不能快速调节。

3 D-STATCOM的间接电流控制策略

电流间接控制无论在结构上还是在你技术应用、系统运行的动态性能上都具有一定优势, 并能维持直流侧电容电压为恒定值。电流间接控制就是使DSTATCOM装置交流侧电流大小的调节通过控制装置输出电压基波的相位和幅值的大小。D-STATCOM双闭环控制系统模型如图1所示。

图中为了达到稳定D-STATCOM公共节点处电压的目的, 并考虑系统中损耗以及补偿快速性和动态性上, 将直流侧电容电压进行控制。图中是一种两输入的双闭环控制系统, 并能够实现电流内环的解耦控制。

4 系统仿真分析

通过MATLAB/Simulink建立电压电流双闭环控制系统进行仿真分析。系统仿真参数如下:配电变压器容量:100KVA、电压:400V、频率:50Hz;补偿装置直流侧电容:4500u F;连接电抗器等效电感:5m H、等效电阻为0.1Ω。系统负荷为三相平衡负荷。

4.1无功补偿仿真研究

为模拟配电网公共节点电压的变化, 通过将大容量感性负荷接入电网, 即t=1.115s时使闭合开关即可接入。其中图2为1.115s后突加负荷后系统A相电压电流波形, 图3为直流母线电压波形图。

根据图2所示, 1.115秒加入冲击性负荷以后, 经过半个周期的短暂过程, 电压电流波形重新快速达到稳定状态, 且电压电流相位保持一致, 因此可以获得较高的功率因数, 降低配电变压器有载调压的压力, 而且D-STATCOM调节效果连续快速可靠不过幅值有所增加, 这是因为冲击性负荷有一定的有功分量。所以系统电流的有功分量有所增加, 而无功分量则被STATCOM实时补偿。

根据图3所示, 由系统动态方程可知系统中有功电流和无功电流存在耦合关系, 所以当投入大容量感性负荷时不但引起公共节点处电压变化, 同时逆变器直流侧电压也会变化, 通过电压电流双闭环控制策略最终使直流侧电压维持在550V, 直流侧电压与有功电流有关, 图中电压波动正体现出了这种耦合作用。

5 结论

通过对电流间接控制策略的分析, 实现了基于电流间接控制方法的D-STATCOM的电压电流双环控制。结合仿真模型进行了静止同步补偿器对配电网所带负荷和突加负荷情况下进行无功补偿的研究, 验证D-STATCOM进行无功补偿的有效性。研究成果有助于在配电网中进行实际应用。并且为其他方面无功补偿研究提供了技术支持。考虑到电流直接控制要求主电路半导体器件有较高的开关频率, 笔者认为, 在低压配电领域情况下, 采用电流直接控制, 在控制精度和电流响应速度上会有更大的提升空间, 可以针对其作进一步研究, 可以根据不同实际需要进行使用。

参考文献

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[5]唐杰, 王跃球.配电网静止同步补偿器的子抗扰控制[J].电网技术, 2012, 10 (1) :1-2.

[6]罗映红, 张鹏.基于电流间接控制的STATCOM系统仿真研究[J].现代电子技术, 2011, 4 (6) :2-3.

配电网静止无功发生器 篇3

关信号, 如图6所示。图6 SPWM三角载波调制电路5仿真结果分析为了便于波形观察, 图7 (a) 从0-0.1s接入容性负载, 0.1-0.2s接入感性负载, 0.2s开始系统补偿时, 系统a相电压和电流波形, 由此观察系统中各参数的波形变化及应对负载扰动时的动态响应情况。 (a) STATCOM发出的无功功率 (b) 网侧a相电压、电流波形图7 STATCOM动态仿真图从 (a) 可以看出, 控制脉冲设定为0.6s开始, 在0-0.6S内STATCOM没有向网侧注入无功。0.6s后STATCOM根据负载变化, 向系统注入所需的无功功率, 大小基本为±50k Var, 可以看出STATCOM在应对负载扰动时具有良好的动态响应效果。 (b) 中 (1) 是系统a相电压波形, (2) 是系统a相电流波形。0-0.1s时, 网侧加入容性负载, a相电压明显滞后a相电流;0.1-0.2s时, 网侧加入感性负载, a相电流明显滞后a相电压, 功率因数较低;0.2s后STATCOM向网侧注入所需的无功功率进行补偿后, a相电压、电流波形达到了同相位, 实现了无功补偿, 提高了功率因数。6结论基于瞬时无功功率理论和SPWM三角载波脉冲调制技术, 本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建的STATCOM补偿系统, 具有结构简单、动态响应效果好、跟踪负载变化能力强等特点。仿真试验验证了补偿系统和自定义元件的正确性和有效性, 为STATCOM进一步的研究提供了良好的理论指导。参考文献[1]华晓萍, 王奔, 孟凌凌, 等.空间电压矢量PWM算法的SIMULINK仿真实现[J].电气开关, 2006 (3) :26-28.[2]Yu Z, Mohammed A, Panahi I.A review ofthree PWMtechniques[C].//Proceedings of the American Control Conference Albuquerque (New Mexico) :1997:257-261.[3]邱卫.基于ADSP21992的空间矢量控制三相逆变电源设计[J].电网技术, 2008, 32 (S2) :103-106.[4]林良真, 叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术, 2000, 24 (1) :65-66.[5]王久和.电压型PWM整流器的非线性控制[M].北京:机械工业出版社, 2008.

摘要：利用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件搭建静止同步补偿器 (STATCOM) 仿真系统。介绍了STATCOM系统工作原理、瞬时无功功率理论及仿真系统图, 并对系统中各模块功能和参数进行了详细说明。通过仿真试验着重分析了容性、感性负载切入切出时, 系统的实时跟踪补偿能力, 从而验证系统的正确性和有效性。

关键词：PSCAD/EMTDC,瞬时无功,跟踪补偿

参考文献

[1]华晓萍, 王奔, 孟凌凌, 等.空间电压矢量PWM算法的SIMULINK仿真实现[J].电气开关, 2006 (3) :26-28.

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[4]林良真, 叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术, 2000, 24 (1) :65-66.

静止无功发生器的设计与实现 篇4

1 SVG的基本工作原理

SVG相当于并联在电网上的自换向桥式电路,通过对桥式电路交流输出侧电压相位和幅值的调节,使SVG发出或吸收满足负载需要的无功电流达到动态无功补偿的目的。实践中大多采用电压型桥式电路,交流侧采用可关断大功率电力电子器件组成三相逆变器,通过电感连接于电网并起到滤波作用,直流侧电容起到储能作用。SVG一般只对基波进行无功补偿,因此在不考虑逆变器本身的损耗和连接电抗器的损耗时,SVG的工作原理可用如图1 和图2 所示的单相等效电路图和向量图来表示［2］。

2 无功电流检测

无功电流的检测与补偿电流的控制是无功补偿的关键,目前提出了多种方法,本文采用基于瞬时无功功率理论的ip- iq检测法并采用直接电流控制。图3 中Ua为A相电压,ia、ib、ic为A、B、C三相负载电流,iaqf、 ibqf、icqf为转换计算所得的需补偿的三相无功检测电流。

( 1) 采集A相电压经过锁相环( PLL) 得到A相电压的相角,同时产生和A相同相位的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt。

( 2) 采集负荷测的三相电流,并进行A、B、C三相坐标到 α - β 两相坐标的C32变换。

( 3) 在α -β 坐标下求出电流的有功分量和无功分量。

( 4) 将电流的无功分量经滤波( LPF) 得到电流的基波无功分量。

( 5) 经过C变换得到 α -β 坐标下的基波无功分量。

( 6) 经过C23坐标变换就得到了三相A、B、C坐标下所需补偿的无功检测电流。

对电流的瞬时值进行实时跟踪控制则需要采用跟踪型PWM控制技术［3］。目前,较为成熟的跟PWM技术主要有: 滞环比较方式和三角波比较方式［4］。实验主要采用三角波比较方式。图4 给出了采用三角波比较方式跟踪补偿电流的控制原理图,从图中可看出,补偿电流给定值ic*与SVG实际发出的补偿电流ic作差后得到 Δic,经具有比例积分特性的放大器后与三角波进行比较产生PWM波触发功率开关器件。

采用电流三角波比较方式的电路特点为系统响应速度较快,且控制方式简单、鲁棒性较强。输出电流中谐波含量较少,适合于对谐波和噪声要求较高的场合［4 －6］。

3 系统结构及硬件组成

硬件电路包括主电路和控制电路。主电路主要包括逆变电路、滤波电感和储能电容。控制电路主要包括逆变电路的驱动电路和电压、电流检测调理电路。 文中采用无功电流检测方法需要检测电网A相电压、 三相负载电流、逆变器输出电流和电容直流电压。本装置中用到的控制芯片是以DSP芯片TMS320F2812 为核心的数字控制电路,其是一种具有丰富外围接口的32 位CPU。三相电源380 V/50 Hz为实验系统所需电源。

逆变电路: 基于IGBT的电压型桥式电路。直流电容器,其作用是作为直流储能元件为装置提供一个电压支撑。连接的电抗器,其作用是将SVG接入电力系统并起到滤波的作用。

信号检测调理电路: 本单元主要完成信号电平转换和放大及滤波、强弱电隔离等功能,以满足DSP控制系统对信号电平范围和信号质量的要求。

驱动电路: 本电路的任务是将DSP输出的PWM电压信号转换成能够驱动逆变桥工作的电压驱动信号。

4 程序软件设计

基于开发软件CCS3. 3 的基础上,本软件设计思路为: ( 1) 捕获A相电压的初始相位,得到电流采样计算所需的正余弦值,并将A相电压过零点作为A/D转换的启动信号。( 2) 对调理电路后的电压、电流信号进行A/D转换并进行无功参考电流的计算,最后用三角波比较方式产生PWM波来控制IGBT的导通和关断。( 3) 通过JTAG接口在线调试,完成控制过程。具体程序主要分3 部分: 主程序、捕获中断子程序和中断服务程序。

主程序主要完成系统控制寄存器的初始化,包括初始化缓存、中断屏蔽寄存器、事件管理器相关的控制寄存器、配置寄存器和相关寄存器配置和定时器等。 这些寄存器在使用之前必须先正确配置,才可正常使用。此外,主程序也定义了一些中间变量,给后续程序的编写提供准备工作。

捕获中断子程序负责测量电网频率,通过过零检测电路得到检测相电压信号的过零点,从而产生外中断信号。当中断发生时,读取当前CAP寄存器中的值,同时在中断服务程序中启动定时器中断,并将读取的数据保存以进行运算处理。

中断服务程序完成系统的所有控制算法,包括电压电流信号采样、无功电流指令提取、IGBT三相桥臂上管开通时间计算等。

5 实验结果和波形

在Matlab环境下搭建了SVG系统的仿真模型,相关仿真参数如下: 三相电源为380 V/50 Hz,连接电抗为3 mH,直流侧电容取2 200 μF,直流给定电压800 V。当负载为感性负载时,L =0. 025 H,R =5 Ω; 当负载为容性负载时,R =5 Ω,C =0. 5 mF; 开关频率10 kHz。

图6 是阻感负载下,将SVG投入运行后,网侧电压与电流的波形图。如图6 所示,将SVG系统并入电网后,由于负载为阻感负载,网侧电流波形滞后电压波形45°,到0. 04 s电压与电流同相位,说明达到了无功补偿的目的,电流跟随性能效果良好。

图7 是阻容性负载下,将SVG并入电网运行后, 网侧电压与电流的波形图。由图7 可看出,并入SVG后网侧电流波形由超前电压波形45°到电压与电流同相位,达到了无功补偿的目的。

图8 是在0. 1 s将阻感负载切换到阻容负载的网侧电压与电流波形图。从仿真图中可看出,在SVG系统投入稳定后,电压电流基本同相位且负载两次变化时,其动态过程短暂,可做到对无功功率的实时补偿。

6 结束语