郭泽华 徐洋
许昌电气职业学院 河南许昌 461000
摘要：本文在坐标变换的基础上对静止无功发生器（SVG）进行理论研究和建模分析，该模型的无功电流检测方法采用基于三相瞬时无功理论的无功电流检测方法，控制策略采用基于三角波比较法的补偿电流PWM控制策略。论文以并联电压型静止无功发生器为研究对象，利用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块SimPowerSystems 对并联型静止无功发生器整个系统进行了建模和仿真分析。
关键词：并联型静止无功发生器，无功电流检测，三角波比较PWM控制，MATLAB仿真
引言
现代工业生产电力拖动系统大量使用感应电机作为动力单元，大大拖低了电力系统的功率因数，电力系统较低的功率因数会降低发电机的出力，降低线路末端电压，增大线路损耗，所以补偿电力系统无功功率，改善供电质量成为迫切需要解决的问题。传统的电力系统无功补偿方式一般采用电容补偿柜或者同步调相机两种方式，这两种方式都存在着无功功率补偿范围窄，调节不够平滑，动态响应特性差等缺点，并且使用维护成本高综合是想用效果不佳。在电力系统中应用基于电力电子技术和微处理器技术的静止无功发生器相对于传统的电容器补偿和同步调相机补偿策略可以使本问题得到更好的解决，该设备不仅能快速调节无功功率还能实现从感性到容性的全范围无功功率补偿。
1 并联型电压型静止无功发生器（SVG）工作原理
在SVG各种类型中，占主导地位的是并联电压型静止无功发生器，原因在于电压型SVG相对于电流型SVG更加稳定。这种静止无功发生器可认为由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成的。
图1 并联电压 型静止无功发生器的原理框图
2 静止无功发生器（SVG）的数学模型
静止无功发生器（SVG）是复杂的非线性强耦合系统，要想建立精确的数学模型 是比较困难的。为了简化问题以便于分析，首先假设：
1）忽略主电路中电力电子器件（包括可控开关器件及与其反并联的二极管）的通态压降，即等效为一理想的双向开关；
2）忽略主电路直流侧电容电压的波动，即等效为一理想直流电压源；
3）忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响；
4）SVG补偿电流输出侧串联的电感为一理想电感；
5）SVG在正常工作时，同一桥臂上下两个开关器件工作在互补状态，不考虑死区的影响。
基于以上假设，我们可以得到有源电力滤波系统的简化模型，其单相等效电路，并画出其电压电流矢量图如图2所示。其中Us和UI分别是电网电压和SVG交流测输出电压。可以看出固定Us和R，通过调整控制角δ就可以控制SVG从电网中吸收无功功率的大小与性质，即控制无功电流的大小。
图2a SVG单相等效电路 图2b 电压电流向量图
3 无功电流检测
瞬时电流有多种检测方法，但是考虑到无功电流检测需要有较好的动态跟踪能力，基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法能够较好地满足SVG的动态性能要求，其他方法不能满足要求。基于
4静止无功发生器PWM控制
静止无功发生器要求补偿电流发生电路产生的补偿电流实时跟踪指令电流信号的变化，因此电流控制电路通常采用跟随型PWM控制方式。业内常用的跟随型PWM的控制方法主要有滞环比较方式、三角波比较方式，本文采用三角波比较方式进行研究。三角波比较法的基本原理是将指令电流或电压与实际输出电流或电压进行比较，求出差值后，经放大器放大在与三角波比较，产生PWM波。其中放大器通常具有比例积分特性或者比例特性，其放大系数将会直接影响三角波比较方式的电流或电压跟踪特性。
图4为三角波控制结构简图。这种控制方法和滞环比较控制有些类似，主要不同之处在于先把交流侧电流采集的实际值与电流指令值进行比较，把偏差送入PI调节器，然后把PI调解器输出的信号和三角波进行比较，根据比较结果，得到可控制变流器功率开关管开关状态的PWM信号。三角波比较控制的优点是变流器电路中功率开关管的开关频率是固定的，这样的控制系统动态响应速度快且易于实现。但不足之处在于如果开关频率选的不恰当，会造成变流器输出的电流中含有大量与开关频率相同频率的谐波分量，且开关器件的损耗也比较大。
图4 三角波控制结构简图
滤波电感与电流跟踪的效果有明显的关系，可以看出，电感小时，电流的跟随能力强。但电感小时，叠加于 
上的高频开关的纹波电流的幅值也大，这不但增加了高频滤波电路的负担，也使变流器自身产生的谐波含量增大。因此在选取电感L时，应保证在各种状态下，变流器输出电流的变化率
大于负载电流的变化率，同时电感电流的最大上升率还要小于三角形载波的斜率，使电流误差信号与三角波之间在每个调制周期内存在交点，以确保电流的跟随效果。
5 仿真结果
静止无功发生器系统是一个比较复杂的非线性控制系统，对它进行理论分析是比较困难的，将所设计的控制算法直接应用于实际系统往往需要花费很多的时间和精力。而仿真试验可以验证控制系统结构的正确性，加深对其理论知识的理解和控制规律的认识。系统一些重要控制参数的仿真结果对实际的装置参数的设定具有一定的参考作用，因此，在实际装置设计之前应该对整个系统的性能使用MATLAB/SIMULINK进行仿真。系统机构包括电源及负载模块、无功电流检测模块、PWM控制模块、三角波发生器、IGBT主电路等部分。
对于感性负载的仿真，将负载参数设置成L=1H，R=0.35KΩ，那么A相电压超前电流约42度，将SVG接入系统进行无功补偿，补偿前后的电压电流波形图如图5所示，可以看到补偿后的系统电压电流同相位即功率因数为1，并且补偿后系统电流幅值也降低了，不仅负载的无功功率完全由SVG提供，并且降低的负载的有功功率损耗。
图5（a）SVG补偿前系统电流波形 图5（b）SVG补偿后系统电流波形
对于容性负载的仿真，将负载参数设置为容性，C=0.05F，R=0.5KΩ，那么A相电压落后电流约52度，将SVG接入系统进行无功补偿，补偿前后的电压电流波形图如图6所示，可以看到补偿后系统的电压电流同相位，功率因数为1，并且补偿后系统电流幅值也略有降低。
图6（a）SVG补偿前系统谐波分析 图6（b）SVG补偿后系统谐波分析
对于动态负载SVG亦有良好的补偿性能，补偿电流可以做到瞬时跟随，补偿效果可以做到在负载改变后的一个电流周期内完成。得出结论基于三相瞬时无功理论的谐波电流检测法和基于三角波比较的PWM控制方法的静止无功发生器对于感性负载、容性负载、动态负载都有良好的补偿作用。
6结论
基于三相瞬时无功理论的谐波电流检测法和基于三角波比较的PWM控制方法的静止无功发生器能对三相负载中的无功电流起到很好的补偿作用。补偿后电力系统中的功率因数可以达到设计要求。
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论文作者:郭泽华,徐洋
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第23期
论文发表时间:2019/7/22
标签：电流论文; 发生器论文; 电压论文; 负载论文; 系统论文; 谐波论文; 电路论文; 《建筑模拟》2019年第23期论文;