智能电网三相H桥级联SVG的矢量控制及仿真

SmartGrid智能电网,2017,7(4),252-259PublishedOnlineAugust2017inHans.://doi.org/10.12677/sg.2017.74028文章引用:王晓晨,孙凤香.智能电网三相H桥级联SVG的矢量控制及仿真[J].智能电网,2017,7(4):252-259.DOI:10.12677/sg.2017.74028VectorControlandSimulationofThree-PhaseCascadeHBridgeSVGinSmartGridXiaochenWang1,FengxiangSun21DepartmentofInformationEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhui2SchoolofElectricEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhuiReceived:Jul.22nd,2017;accepted:Aug.6th,2017;published:Aug.9th,2017AbstractSimpleandeffectivedynamicvarpowercompensationisveryimportanttothesmartgrid.CascadeHbridgeSVGwithoutauxiliarypowersupplyhasbecomethepreferreddeviceinvarcompensationbecauseofitsgoodperformance.Sothisthesisanalyzesitscontroltheoryindetail.ThenavectorcontrolsystemwithdoubleclosedloopofDCsidevoltageandACsidecurrentisdesigned.Basedonit,thedynamiccompensationprocessofvarcurrentisalsodescribed.Thesimulationresultsverifythatthissystemcanadjustoutputvarcurrentwithoutstaticdifferenceaccordingtothegrid’sre-quirementofcompensatingvarpower.Bothitsstableanddynamicperformancecanmeetthere-quirements.KeywordsStaticVarGenerator(SVG),CascadeHBridge,NoneAuxiliaryPowerSupply,VectorControl,SimulationwithMATLAB智能电网三相H桥级联SVG的矢量控制及仿真王晓晨1，孙凤香21合肥工业大学宣城校区信息工程系，安徽合肥2合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥收稿日期：2017年7月22日；录用日期：2017年8月6日；发布日期：2017年8月9日摘要为发挥智能电网的巨大优势，简便有效的动态无功功率补偿至关重要。无辅助电源的三相H桥级联SVG王晓晨，孙凤香DOI:10.12677/sg.2017.74028253智能电网以其优越的性能成为无功补偿的首选装置。本文对其控制原理做了详细解析，设计了较为实用的直流侧电压和交流侧电流双闭环的矢量控制系统，并深入浅出地描述无功电流的动态补偿过程。仿真结果证明：此系统可根据电网的无功补偿需求，对输出无功电流实现无静差调节，其稳态和动态性能均能符合要求。关键词静止无功发生器，H桥级联，无辅助电源，矢量控制，MATLAB仿真Copyright©2017byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言随着社会经济的发展，电能的需求量也在不断上升，电力企业电网的智能化势在必行[1]。新的智能电网可以有效改善电网质量，降低损耗，并能提高电源利用率，提供更多容量的电能[2]。为了保证其优势的充分发挥，需要更加强大可靠的无功补偿系统。静止无功发生器(SVG)是目前技术最先进的动态无功补偿装置[3]。在它的诸多主电路拓扑结构中，H桥级联多电平结构因其易于模块化、谐波小和可靠性高等优点，更是在无功补偿领域获得了广泛应用[4]。然而，成熟的SVG产品装置多为国外进口，无论硬件电路还是控制软件。为此，本文对无辅助电源的三相H桥级联SVG的控制系统进行深入研究，旨在为促进实现SVG的国产化做些力所能及的工作。从有无辅助电源的区别出发，指出控制的要点在于保证直流电容侧电压稳定可控，在此基础上设计出电压电流双闭环的矢量控制系统，以实现动态无功补偿。并对设计的控制系统的稳态和动态性能进行了仿真验证。2.H桥级联SVG的主电路2.1.带辅助电源的H桥级联SVG早期的三相H桥级联SVG，每个H桥的直流侧均带一个相互隔离的直流电源[5]，这种SVG的主电路如图1所示。交流电源ef和二极管单相不控整流桥组成辅助直流电源，经电容滤波得到稳定的直流电压ud。由四只全控器件V1~V4组成的逆变桥，即为H桥。H桥工作在正弦波脉宽调制状态，令调制电路的交流正弦参考信号ur与交流电源侧的电压e同频率、同相位，使得H桥交流侧电压uPN的基波分量uPN1也与e同频同相。若忽略交流电源回路的电阻，则交流电源回路电压平衡方程为ddPNieLut=+(1)式中，L为交流电源回路的总电感，包括电源回路的等效电感和外串电抗器电感。工频下，电源e幅值稳定，而uPN1的幅值1pNu可以改变。当1PNue=，0i=；当1PNue，i比电源e的相位滞后90˚，为感性；当1PNue，i比电源e的相位超前90˚，为容性。由上所述，改变H桥的ur幅值大小，就可以改变网侧交流电流i的幅值和相位，为电网提供容性或感性无功补偿电流，控制原理简单、清晰。然而，由于直流辅助电源的存在，使得这种SVG主电路很复杂，体积大，造价高，所以并不实用。现在多采用无辅助电源的H桥级联SVG[6]。OpenAccess王晓晨，孙凤香DOI:10.12677/sg.2017.74028254智能电网2.2.无辅助电源的H桥的直流电压控制及级联SVG主电路图1中，如果去掉辅助电源，可否保证H桥逆变器的正常工作呢？其实只要能保证电容C两端电压ud稳定，就相当于提供了一个稳定的直流电压源，完全可以脱离专门的辅助电源。设H桥与电容C之间的通道电流为ic，则ic必为交流电流，其频率为调制电路的载波频率。若ic的平均值为0，说明ud的平均值不变；若ic的平均值为正或负极性，说明ud的平均值增大或减小。而ic的平均值就是网侧电流i的有功分量，显然合理控制它就可以控制H桥直流侧电压ud的大小。因此，可增加直流电压ud闭环控制来达到使ud稳定的目标，从而实现无辅助电源的H桥级联SVG的控制功能。三相无辅助电源的H桥级联SVG主电路如图2所示。eLiefuPNPNV1V2V3V4iNifiCCH桥辅助电源ud+Figure1.MaincircuitofsinglephaseH-bridgeSVG图1.基于H桥的单相SVG主电路结构+......ABCALBLCL1PAU1PBUPBnU1PCUPCnUN1HA1HBnHBnHA1HC+..+..+..+..+..HCnUPAnFigure2.MaincircuitofthreephaseH-bridgeSVGwithoutauxiliarysource图2.三相无辅助电源的H桥级联SVG主电路王晓晨，孙凤香DOI:10.12677/sg.2017.74028255智能电网每相H桥串联的级数n取决于全控器件和网侧电源的额定电压[7]。3.控制系统的结构与理论分析3.1.控制系统的结构无辅助电源的H桥级联SVG控制系统的结构如图3所示。HA1、HA2、……、HAn为A相的n个H桥，UgA1、UgA2、……、UgAn是A相相应H桥的脉宽调制信号，其正弦参考信号Ura是通过坐标变换得到的。三角载波信号Ut1、Ut2、……、Utn之间的相位差为2π/n，采用载波移相调制可减小调制电压uPN的谐波分量，从而也可减小网侧电流的谐波分量。本系统采用矢量控制方案。首先通过电流传感器检测网侧三相交流电流iA、iB、iC，经坐标变换C3S/2r得到网侧电流i的有功分量id、无功分量iq。()()()()3/2coscos120cos12023sinsin120sin120AAdBsrBqCCiiiiCiiiiθθθθθθ−+==−−−−+(2)～ABCAiBiCiLLL1HA2HAHAn1HB2HBHBn1HC2HCHCnnT*dU−dUAURACRLωLωACRdUPWMPWMPWMPWMPWMPWMPWMPWMPWMθθθdEdE*qi−+++*pdU*pqU−*di−diqiraUrbUrcU坐标变换信号调理软件锁相信号调理坐标变换1tU2tUtnU1tU2tUtnU1tU2tUtnU1gAU2gAUgAnU1gBU2gBUgBnU1gCU2gCUgCnU1gAU2gAUgAnU1gBU2gBUgBnU1gCU2gCUgCnU检测dU−Figure3.MaincircuitofsinglephaseH-bridgeSVG图3.基于H桥的单相SVG主电路结构王晓晨，孙凤香DOI:10.12677/sg.2017.74028256智能电网上式中，需要用到θ角。θ角的物理概念是：三相交流电源合成的空间矢量u相对于A轴(A相电源的发电机A相绕组轴线)的空间位置角[8]。它是A相电源电压2cosAmuUtω=的相位角tω，从0到2π不停地周期性变化。通过同步电路得到的正半周起始点，经过软件锁相环程序得到时变量θ角。有了θ角，就可以使逆变器的三相调制电压UPA、UPB、UPC的基波分量与电网电压同步。如前文所述，须采用ud闭环控制结构以稳定H桥的直流电压ud。检测其中一个H桥的直流侧电压ud作为电压环的反馈信号，du∗为其期望值，电压调节器AUR的输出量即为网侧电流的有功分量期望值di∗。有功电流id也采用闭环控制，电流调节器ACR的输出作为调制电压的空间矢量UP的d轴分量的期望值Pdu∗。SVG的功能就是要为电网提供容性或感性的无功电流[9]，qi∗由电网的实际无功需求决定。对无功电流iq的控制仍然采用闭环控制，电流调节器ACR的输出作为UP的q轴分量的期望值Pqu∗。两个ACR均采用PI调节器，可获得无静差调节。根据Pdu∗、Pqu∗，经坐标变换C2r/3s，得到调制电压Up在三相静止坐标系中的期望值PAu∗、PBu∗、PCu∗。()()()()******2/3*cossin2cos120sin1203cos120sin120PAPdPdPBrsPqPqPCuuuuCuuuθθθθθθ−=−−−=+−+(3)*PAu、*PBu、*PCu为正弦交流量，即脉宽调制电路的正弦参考信号，这样就实现了在ud稳定的基础上控制网侧无功电流iq。3.2.有功电流id的调节过程当H桥直流侧电压稳定时，即dduu∗=时，0di∗=，在电流调节器ACR的调节下，id=0。当dduu∗时，0di∗，经电流环的调节，使0di，在H桥的直流侧，ic的平均值为正极性，ud的平均值增加，直到dduu∗=。当dduu∗时，0di∗，经电流环的调节，使0di，ic的