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一種單周控制的配電網(wǎng)靜止同步補償器的實(shí)現

—— Implementation of DSTATCOM Based on One-cycle Control
作者:張軍利 寶雞文理學(xué)院電子電氣工程系 時(shí)間:2008-11-26 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

摘要:為了提高靜止同步補償器的動(dòng)態(tài)響應速度和穩態(tài)補償精度,將單周控制應用于無(wú)功補償裝置的控制器設計中,并對逆變器開(kāi)關(guān)管工作過(guò)程中的死區影響進(jìn)行了補償。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/89814.htm

關(guān)鍵詞:單周控制;靜止同步補償器;死區補償;響應速度

前言

  靜止同步補償器DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator)是一種相對復雜和成本較高的裝置,設計者不僅要考慮裝置本身的實(shí)現,而且更主要的是研究裝置接入電力系統之后與系統間的相互作用,尋求合理的控制方法及算法,進(jìn)而對控制策略及保護系統的動(dòng)作方式進(jìn)行綜合考慮,才能使裝置達到預期的效果[1]。傳統DSTATCOM的控制是從無(wú)功電流檢測來(lái)進(jìn)行控制的,文獻[2]分析了電能指令控制中無(wú)功電流的檢測方法,并將其應用到無(wú)功補償裝置中取得了一定的效果,但是該控制方法計算量大,需要使用高速的控制和高性能的采集器,使得電路結構復雜。

  單周控制將非線(xiàn)性控制與開(kāi)關(guān)電路有機結合,可以實(shí)現快速的瞬態(tài)響應。單周控制與空間矢量脈寬調制具有等效性,單周控制發(fā)出PWM波的實(shí)際效果與SVPWM控制發(fā)出PWM波的實(shí)際效果完全相同,同時(shí)單周控制的算法簡(jiǎn)單、運算量小,并減少了信號采樣的數量,不需要采樣參考電流基準[3]。本文將單周控制應用于DSTATCOM控制系統,與傳統的靜止同步補償器相比,采用單周控制方法的靜止同步補償器具有對系統的頻率偏差不敏感,裝置的魯棒性更高,不需要產(chǎn)生基準電流,只要對輸入電壓、電流和DSTATCOM直流側電壓進(jìn)行檢測即可,從而減少了信號采樣和繁雜的計算,控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[4]。

單周控制

  單周控制的目的是使輸出跟蹤任意的波形。圖1是單周控制的基本控制電路[3]。其主要控制部分由一個(gè)積分器和一個(gè)比較器組成。圖中K1、K2為一對互補的模擬開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)K2


圖1 單周控制電路

的頻率下按開(kāi)關(guān)函數工作。

  式中TS為時(shí)鐘脈沖周期。在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始,時(shí)鐘脈沖信號到,使得K2閉合、K1斷開(kāi),輸出Y(t)=X(t),積分器開(kāi)始對輸出信號Y(t)積分。當經(jīng)過(guò)時(shí)間Ton,積分值達到Vref,比較器輸出翻轉,通過(guò)控制器控制使得K2斷開(kāi)、K1閉合,積分器復位。若控制頻率遠大于輸入信號X(t)的頻率,也遠大于參考電壓的波動(dòng)頻率,則在一個(gè)控制周期內,X(t)和Vref(t)都可以看成是常數,即有:

  式中,為一個(gè)控制周期的占空比。

圖1 單周控制電路由于在開(kāi)通時(shí)間的積分和在一個(gè)控制周期的積分相等,從而有:

進(jìn)一步有:

  Ton實(shí)際上是有效的電壓輸出時(shí)間,Y(t)和Vref(t)在一個(gè)控制周期積分等效。因此,如果控制周期足夠小,輸出會(huì )準確跟蹤Vref(t),且動(dòng)態(tài)響應也很快。

單周控制靜止同步補償器

  圖2所示為一個(gè)單周控制DSTATCOM裝置[4],作為一種無(wú)功補償裝置,其向電力系統注入一定量的超前或滯后的無(wú)功電流,達到調節功率因數和穩定系統電壓的目的,其中給出了DSTATCOM的主電路和a相控制電路的結構圖,b,c相控制電路和a相控制電路基本相同,其中Qi(i=1,2,3,4,5,6)為主電路開(kāi)關(guān)管Mi(i=1,2,3,4,5,6)的驅動(dòng)信號。圖2中虛線(xiàn)框1內部分是一個(gè)比例積分環(huán)節,積分的時(shí)間常數為T(mén)m,比例環(huán)節的放大系數為1/R,此比例積分環(huán)節相當于一個(gè)虛擬的負載,它對裝置接入點(diǎn)電壓VS進(jìn)行比例積分作用后,可得到一個(gè)模擬的控制電流,其大小可由下式算得:


圖2 單周控制DSTATCOM結構圖

  當DSTATCOM有效工作時(shí),網(wǎng)側電流與模擬控制電流的和的波形跟蹤電壓波形,即實(shí)際系統和虛擬負載的阻抗之和等效為線(xiàn)性電阻負載,等效電阻為,其中表示虛擬負載中的電阻部分,Re表示逆變器有功損耗的等效電阻。由此,理想的控制目標可表示為:

  式中VS為裝置接入點(diǎn)網(wǎng)側輸入相電壓;

  為實(shí)際網(wǎng)側電流與模擬控制電流之和。

  對于單周控制的開(kāi)關(guān)周期為T(mén)S,占空比D(t),以A相橋臂為例,當0

  式中RS為電流采樣電阻值;VC為逆變器直流側電壓。

  考慮到開(kāi)關(guān)頻率遠大于電網(wǎng)電壓頻率,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內Vm基本不變,式(7)所表述的關(guān)系可通過(guò)單周控制的方式實(shí)現。取單周積分常數為,則可推出單周控制方程為:

  根據控制方程(9)得到的單周控制DSTATCOM 控制電路如圖2所示,圖中Vref(t)為電壓環(huán)基準,用于調節VC的大小,Vm可由電壓換PI調節得到??刂齐娐吩诿總€(gè)開(kāi)關(guān)周期均對Vm進(jìn)行積分,當積分值符合單周控制方程(4)時(shí),開(kāi)關(guān)信號翻轉,積分電路復位,等待下一個(gè)周期重新積分,從而得到滿(mǎn)足式(9)的占空比D(t)。結合式(5)和以上控制原理易知,要調節裝置輸出無(wú)功電流的幅值和性質(zhì),只需要改變參數Tm的大小和符號即可。由上可見(jiàn),單周控制靜止同步補償器DSTATCOM因其獨特的原理,具有控制簡(jiǎn)便、無(wú)需專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生電流基準,且只需檢測電流和電壓量等優(yōu)點(diǎn),在中低壓功率電力電子系統的無(wú)功補償方面具有推廣價(jià)值。

  由于逆變器主電路中的功率開(kāi)關(guān)元件不是理想開(kāi)關(guān),為防止逆變器發(fā)生直通故障,必須在其驅動(dòng)信號中設置一段死區時(shí)間,以保證同一橋臂上下兩功率管能先關(guān)斷后開(kāi)通。由于死區時(shí)間的存在,DSTATCOM由于死區效應產(chǎn)生的誤差電壓中含有大量基波和諧波成分,這對裝置輸出無(wú)功電流的大小和波形都會(huì )產(chǎn)生消極影響,從而影響其無(wú)功補償的效果。在圖2所示單周控制的基礎上只需增加一個(gè)增益為2K的比例環(huán)節和一個(gè)測量電流is極性的符號檢測模塊即可實(shí)現控制要求,從而達到死區補償的目的。

實(shí)驗及分析

  經(jīng)過(guò)以上理論分析,在實(shí)驗室搭建了DSTATCOM無(wú)功補償裝置的試驗平臺,并設計了基于單周控制策略的DSTATCOM控制器,通過(guò)對指令信號的檢驗,控制了DSTATCOM裝置在實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)功補償時(shí)的動(dòng)態(tài)響應速度和穩態(tài)補償精度。圖3給出了裝置啟動(dòng)的同時(shí)還要求其實(shí)現發(fā)出無(wú)功功率的功能,從該圖可見(jiàn)裝置能夠在很短的時(shí)間內完成輸出指定無(wú)功功率的功能,并且直流側電容電壓在經(jīng)過(guò)較小幅度調整后很快重新達到穩態(tài)值。圖4給出了DSTATCOM裝置的動(dòng)態(tài)補償過(guò)程。從該圖可以很清晰地看出,采用單周控制策略設計的控制器,當負載需求無(wú)功發(fā)生變化時(shí),裝置的動(dòng)態(tài)響應速度非???,經(jīng)過(guò)大概不到三個(gè)基波周期的時(shí)間,DSTATCOM裝置能夠從吸收無(wú)功功率工作狀態(tài)過(guò)渡到發(fā)出無(wú)功功率工作狀態(tài),而且基本達到給定無(wú)功功率的量值。


圖3 直流側電容電壓和無(wú)功電流


圖4 DSTATCOM的響應過(guò)程

結語(yǔ)

  根據靜止同步補償器逆變橋工作過(guò)程中橋臂非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)的特點(diǎn),設計了基于單周控制的DSTATCOM控制器。從基于單周控制的DSTATCOM無(wú)功補償的實(shí)驗波形來(lái)看,單周控制能夠較大幅度地提高無(wú)功補償裝置的動(dòng)態(tài)性能,同時(shí)也實(shí)現了對直流側電容電壓的穩定控制的目的;基于單周控制的DSTATCOM無(wú)功補償裝置的控制器具有發(fā)出或者吸收無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)響應速度較快、穩態(tài)補償精度基本能夠達到工程中無(wú)功補償的要求。

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關(guān)鍵詞: 配電網(wǎng) 200811

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