低壓靜止無功發生器的綜合起動策略

李彩林， 施 偉， 孫新望， 廖桂源

(桂林電子科技大學，廣西桂林541004)

低壓靜止無功發生器的綜合起動策略

李彩林， 施 偉， 孫新望， 廖桂源

(桂林電子科技大學，廣西桂林541004)

由于傳統控制方法下靜止無功發生器(SVG)起動時沖擊電流大。提出了綜合起動策略，該策略運用改進型解耦控制方法，有效分離了三相系統電流兩相同步旋轉后的有功分量()和無功分量()，增加了補償精度；設計了直流預充電和直流側電壓階梯式抬升方式以及無功電流的線性遞增方法，減小了SVG起動時直流側電壓超調，緩解了沖擊電流。仿真實驗和試驗原型表明，與傳統控制方法相比，綜合起動策略有效抑制了SVG起動時的沖擊電流。

靜止無功發生器；軟起動；改進解耦控制；沖擊電流

由于大多數電力電子裝置功率因數很低，給電網帶來額外負擔，并影響供電質量。因此，提高功率因數已成為電力電子技術所面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關注[1-3]。為改善電能質量，靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)應運而生，它具有補償反應速度快、平滑連續調節、不給電網帶來大量諧波等優點，因此在維持電壓穩定和補償系統功率因數方面發揮著重要作用。SVG起動時沖擊電流過大將影響到補償裝置元件的使用壽命以及給電網帶來諧波污染。現有的SVG主要是基于電壓型逆變器。其直流側電壓的穩定直接影響起動時沖擊電流的大小，傳統的PI調節控制法在一定時間能穩住直流電壓，但不能在起動時控制直流電壓的超調。文獻[4]提出了改進解耦控制方法，該方法具有電網電流波形質量高、功率脈動小、動態響應速度快等優點，但沒考慮沖擊電流問題。文獻[5-6]分析和比較了直流電壓控制算法和無功電流反饋控制算法，但只分析了對補償電流的影響。

為此，本文提出了綜合起動策略。該策略分別在電壓外環通過軟啟動方式、直流側電壓階梯抬升和PI調節控制抑直流側電壓超調，電流內環運用改進解耦控制法分離內環電流的有功分量()和無功分量()。采用綜合起動策略能夠解決SVG起動時沖擊電流過大問題。

1 SVG的結構和原理

靜止無功發生器在工況下運行系統框圖(圖1)。

圖1所示為靜止無功發生器接入電網的基本結構圖，它的核心結構為一個三相PWM整流器。其工作原理是，在電網系統運行中檢測出系統電流反饋給主控制器，通過計算得出驅動信號，再由驅動轉換成SVPWM觸發信號，控制無功補償裝置逆變產生所需的無功電流，補償電網中的無功容量，提高電網系統的功率因數。

圖1 系統結構框圖

軟起動裝置拓撲結構如圖1中虛線框1中所示。它的主要作用是：首先在SVG起動前，通過A、C兩相對直流側電容預充電，防止直流側電壓出現嚴重超調而導致起動時產生很大的沖擊電流；其次，無功補償裝置電操機構合閘后，電網電壓直接由反并聯的二極管續流繼續給電容充電，維持電容電壓的穩定；直流側電容充電完成后，軟起動開關斷開，由控制器控制補償無功電流線性遞增，SVG投入正常工作。

2 綜合起動控制策略

2.1 抑制直流側電壓超調控制

直流側的電壓主要由SVG的有功電流控制，然而逆變器是一個非線性控制對象，所以將給定直流電壓與實際直流電壓比較，再把誤差值送入比例積分(PI)控制器，得出有功電流指令，保證穩態直流電壓值，如圖2所示。

圖2 直流電壓PI調節器

SVG起動時電網對直流側電容充電，PI控制器并不能有效地實現動態跟蹤控制，直流側電壓也會出現超調，并產生沖擊電流。因此在SVG起動合閘瞬間加入直流側階梯抬升控制有助于抑制直流電壓的超調，給定直流電壓值由直流電壓抬升初始值分個階梯抬升，則表達式如下：

直流側電壓抬升到預期給定直流電壓值后，實際直流電壓值應該為：

表1 階梯抬升直流電壓值

2.2 改進控制方法的解耦算法

改進解耦控制原理框圖如圖3所示。

由于SVG是一個非線性、強耦合系統，利用Puck變換能有效分離電流內環的有功電流()和無功電流()，再分別和電網參考電流的有功分量()和無功分量()比較，得到結果通過PI調節器得出Δ和Δ，實現了輸出的無靜差調節。改進控制方法將和代替傳統方法的和作為解耦分量，加快了系統的動態響應速度以及增強了電網電流波形質量。

圖3 改進解耦原理框圖

從圖3可以看出，有功電流和無功電流主要是通過連接電抗器相互耦合，有功電流()的波動變化將會引起無功電流()的變化；同理，無功電流()的波動變化也會引起有功電流()的變化。因此，坐標系下三相電流變換到坐標系之后成兩相直流分量，這對控制帶來極大好處。考慮到SVG是基于LC濾波器的三相并網逆變器，從而可得SVG三相電壓在旋轉坐標系下的三相橋臂輸出的有功和無功電壓和，由圖3可得傳統控制方法下和分別為:

由式(6)和式(7)可知，改進控制方法有效濾除了脈動量，防止了脈動分量的互相耦合，降低了有功分量和無功分量的耦合影響，得出的有功分量更加純凈，抑制了直流側電壓的超調，也就間接控制了沖擊電流。

2.3 無功補償電流線性遞增控制

通過解耦控制后,SVG并網起動合閘時，有較大的沖擊電流，如果合閘過后，同時又發出補償電流，這時補償電流和沖擊電流形成疊加，形成了更大的沖擊電流。為了解決這個問題，本文引入無功補償電流線性遞增控制，在SVG合閘之時，不立即發出補償電流，而是隔開一段時間，然后在一定時間t內SVG發出補償電流呈線性遞增。該控制方法原理表達式如下：

由式(9)可知，補償電流與沖擊電流的時間有效間隔，有利于抑制沖擊電流的產生。補償電流呈線性遞增，緩解了大電流對SVG設備的沖擊，減少了對IGBT的損傷，也增強了SVG設備的使用壽命。

3 仿真實驗和結果分析

根據上述方法，利用Matlab/Simulink仿真軟件對SVG起動時的過程進行仿真。本文仿真的SVG在線電壓380 V低壓系統，設定直流側電容容量和電壓分別為8 000 μF和700 V，濾波電抗0.25 mH，濾波電容50 μF。三相平衡負載阻值為3 Ω、電感值為10 mH。

本文仿真先對直流側電容預充電至530 V，然后在電流環PI調節中后加入解耦算法，以及在A、C兩相加入軟起動電阻。當系統中的負荷需要大量無功電流時，在相同負載條件下，未加入綜合起動策略的SVG進行仿真，仿真結果波形圖分別如圖4～圖7所示。

在同樣條件下，圖4中未加綜合起動策略的直流側電壓波形出現超調現象，而圖4中經過起動策略直流側電壓比較平滑并且電壓很快穩定在700 V。將圖4和圖5進行比較，可得出如下結論：無論是否加入綜合起動策略，SVG直流側電壓最后都能穩定；加入綜合起動策略后，能有效抑制SVG直流側電壓超調。

圖6和圖7分別為未加起動策略和加入起動策略SVG起動時電流波形圖。從圖6中可知，在未加起動策略時起動電流約800 A；圖7運用本文提出的起動策略能有效抑制SVG并網時的沖擊電流，使電流沖擊下降至小于150 A。通過比較，可得出以下結論：是否加入綜合起動策略對補償電流的影響不大；未加入綜合起動策略后的起動電流是加入后起動電流的大約5倍多。

圖4 未加起動策略直流側電壓

圖5 加入起動策略直流側電壓圖

圖6 未加起動策略起動電流圖

圖7 加起動策略起動電流圖

4 實驗結果

對本文提出的起動策略進行實驗分析，其中三相交流側輸入線電壓有效值380 V，給定直流母線電壓=700 V，= 0.25 mH，=8 400 μF，電感內阻=1 Ω，載波頻率=12.8 kHz。圖8示出未加起動策略起動沖擊電流波形，可見，最大沖擊電流已經達到約360 A，這對IGBT有沖擊損傷；圖9示出加入起動策略后SVG起動時沖擊電流波形圖，最大沖擊電流只有約200 A。因此，本文提出的綜合起動策略對抑制SVG起動時沖擊電流具有良好的實際運用價值。

圖8 未加起動策略沖擊電流波形圖

圖9 加起動策略沖擊電流波形圖

5 結論

本文對SVG并網起動時電流沖擊過大問題，提出了綜合起動策略。該策略把電壓外環直流側預充電和電流內環的解耦控制以及補償電流線性遞增控制法等綜合運用到SVG裝置中，能有效抑制沖擊電流。通過仿真實驗結果證明了該綜合起動策略的正確性和重要的應用價值。

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Low voltage static var generator of composite start strategy

The inrush current of tradition control methods under Static Var Generator(SVG)was large when starting.A new comprehensive starting strategy was presented.The strategy used improved decoupling control method,that the active component(d)and reactive component(q)were effectively separated.The compensation accuracy was increased.Design of the DC recharges and DC voltage step-lift mode,reactive current linear incremental approach, the DC voltage overshoot was reduced when SVG start,easing the impact of current.Simulation and test show that compared with conventional control methods,the inrush current is effectively curbed when SVG start.

static var generator;soft start;improved decoupling control;inrush current

TM 933

A

1002-087(2016)03-0711-04

2015-08-17

廣西自然科學基金(2012GXNSFAA053195)；廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室主任基金 (12-071-11-61-003)；廣西壯族自治區教育廳高校科研項目(YB2014138)；廣西研究生科研創新項目(YCSZ2014142)

李彩林(1975—)，男，廣西省人，博士，副教授，主要研究方向為電力電子和配電網絡自動化。