一種單周控制的配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)

摘要：為了提高配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度，將單周控制應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制器設(shè)計(jì)中，并對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管工作過(guò)程中的死區(qū)影響進(jìn)行了補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：單周控制；配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器；死區(qū)補(bǔ)償；響應(yīng)速度

前言

　　配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator）是一種相對(duì)復(fù)雜和成本較高的裝置，設(shè)計(jì)者不僅要考慮裝置本身的實(shí)現(xiàn)，而且更主要的是研究裝置接入電力系統(tǒng)之后與系統(tǒng)間的相互作用，尋求合理的控制方法及算法，進(jìn)而對(duì)控制策略及保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作方式進(jìn)行綜合考慮，才能使裝置達(dá)到預(yù)期的效果[1]。傳統(tǒng)DSTATCOM的控制是從無(wú)功電流檢測(cè)來(lái)進(jìn)行控制的，文獻(xiàn)[2]分析了電能指令控制中無(wú)功電流的檢測(cè)方法，并將其應(yīng)用到無(wú)功補(bǔ)償裝置中取得了一定的效果，但是該控制方法計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。

　　單周控制將非線性控制與開(kāi)關(guān)電路有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。單周控制與空間矢量脈寬調(diào)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(yùn)算量小，并減少了信號(hào)采樣的數(shù)量，不需要采樣參考電流基準(zhǔn)[3]。本文將單周控制應(yīng)用于DSTATCOM控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的靜止同步補(bǔ)償器相比，采用單周控制方法的靜止同步補(bǔ)償器具有對(duì)系統(tǒng)的頻率偏差不敏感，裝置的魯棒性更高，不需要產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，只要對(duì)輸入電壓、電流和DSTATCOM直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)即可，從而減少了信號(hào)采樣和繁雜的計(jì)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(duì)互補(bǔ)的模擬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)K2

圖1 單周控制電路

在的頻率下按開(kāi)關(guān)函數(shù)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(hào)到，使得K2閉合、K1斷開(kāi)，輸出Y(t)=X(t)，積分器開(kāi)始對(duì)輸出信號(hào)Y(t)積分。當(dāng)經(jīng)過(guò)時(shí)間Ton，積分值達(dá)到Vref，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，通過(guò)控制器控制使得K2斷開(kāi)、K1閉合，積分器復(fù)位。若控制頻率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)X(t)的頻率，也遠(yuǎn)大于參考電壓的波動(dòng)頻率，則在一個(gè)控制周期內(nèi)，X(t)和Vref(t)都可以看成是常數(shù)，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(zhǔn)確跟蹤Vref(t)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)也很快。

單周控制靜止同步補(bǔ)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(bǔ)償裝置，其向電力系統(tǒng)注入一定量的超前或滯后的無(wú)功電流，達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的目的，其中給出了DSTATCOM的主電路和a相控制電路的結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2中虛線框1內(nèi)部分是一個(gè)比例積分環(huán)節(jié)，積分的時(shí)間常數(shù)為T(mén)m，比例環(huán)節(jié)的放大系數(shù)為1/R，此比例積分環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的負(fù)載，它對(duì)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(jié)構(gòu)圖

　　當(dāng)DSTATCOM有效工作時(shí)，網(wǎng)側(cè)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(tǒng)和虛擬負(fù)載的阻抗之和等效為線性電阻負(fù)載，等效電阻為，其中表示虛擬負(fù)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(biāo)可表示為：

　　式中VS為裝置接入點(diǎn)網(wǎng)側(cè)輸入相電壓；

　　為實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流與模擬控制電流之和。

　　對(duì)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(dāng)0

　　式中RS為電流采樣電阻值；VC為逆變器直流側(cè)電壓。

　　考慮到開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓頻率，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)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(xiàn)。取單周積分常數(shù)為，則可推出單周控制方程為：

　　根據(jù)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(zhǔn)，用于調(diào)節(jié)VC的大小，Vm可由電壓換PI調(diào)節(jié)得到?？刂齐娐吩诿總€(gè)開(kāi)關(guān)周期均對(duì)Vm進(jìn)行積分，當(dāng)積分值符合單周控制方程（4）時(shí)，開(kāi)關(guān)信號(hào)翻轉(zhuǎn)，積分電路復(fù)位，等待下一個(gè)周期重新積分，從而得到滿足式（9）的占空比D(t)。結(jié)合式（5）和以上控制原理易知，要調(diào)節(jié)裝置輸出無(wú)功電流的幅值和性質(zhì)，只需要改變參數(shù)Tm的大小和符號(hào)即可。由上可見(jiàn)，單周控制靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM因其獨(dú)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(zhǔn)，且只需檢測(cè)電流和電壓量等優(yōu)點(diǎn)，在中低壓功率電力電子系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)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(qū)動(dòng)信號(hào)中設(shè)置一段死區(qū)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(qū)時(shí)間的存在，DSTATCOM由于死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差電壓中含有大量基波和諧波成分，這對(duì)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(bǔ)償?shù)男Ч?。在圖2所示單周控制的基礎(chǔ)上只需增加一個(gè)增益為2K的比例環(huán)節(jié)和一個(gè)測(cè)量電流is極性的符號(hào)檢測(cè)模塊即可實(shí)現(xiàn)控制要求，從而達(dá)到死區(qū)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

實(shí)驗(yàn)及分析

　　經(jīng)過(guò)以上理論分析，在實(shí)驗(yàn)室搭建了DSTATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的試驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了基于單周控制策略的DSTATCOM控制器，通過(guò)對(duì)指令信號(hào)的檢驗(yàn)，控制了DSTATCOM裝置在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度。圖3給出了裝置啟動(dòng)的同時(shí)還要求其實(shí)現(xiàn)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(nèi)完成輸出指定無(wú)功功率的功能，并且直流側(cè)電容電壓在經(jīng)過(guò)較小幅度調(diào)整后很快重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。圖4給出了DSTATCOM裝置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程。從該圖可以很清晰地看出，采用單周控制策略設(shè)計(jì)的控制器，當(dāng)負(fù)載需求無(wú)功發(fā)生變化時(shí)，裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dá)到給定無(wú)功功率的量值。

圖3 直流側(cè)電容電壓和無(wú)功電流

圖4 DSTATCOM的響應(yīng)過(guò)程

結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)靜止同步補(bǔ)償器逆變橋工作過(guò)程中橋臂非線性開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)波形來(lái)看，單周控制能夠較大幅度地提高無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制的目的；基于單周控制的DSTATCOM無(wú)功補(bǔ)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(yīng)速度較快、穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度基本能夠達(dá)到工程中無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

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