陳景文，肖 妍，黨宏社，李 霞

(陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著新能源的發(fā)展，以太陽能和風(fēng)能為代表的可再生能源得到廣泛應(yīng)用，風(fēng)能太陽能具有間歇性和不確定性，為合理穩(wěn)定利用它們，微電網(wǎng)提出恰好可以解決以上問題，由于微電網(wǎng)中負(fù)荷大部分為感性負(fù)載，導(dǎo)致微電網(wǎng)在工作過程中產(chǎn)生大量的無功交換，降低了系統(tǒng)的電能利用率，而無功補(bǔ)償在提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量方面有顯著效果[1-4].在無功補(bǔ)償裝置中，靜止無功發(fā)生器(SVG)是目前研究的熱點(diǎn)[5,6].它能夠連續(xù)調(diào)節(jié)感性和容性負(fù)載，補(bǔ)償容性和感性的無功，調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行范圍更寬廣，同時(shí)能夠補(bǔ)償部分諧波，控制精度高且相對穩(wěn)定[7-9].文章以SVG為對象研究其在微電網(wǎng)中無功補(bǔ)償?shù)姆椒ê托Ч?

在SVG應(yīng)用過程中，無功電流的檢測準(zhǔn)確度對SVG的補(bǔ)償效果有決定性作用，目前檢測無功電流的方法很多，文獻(xiàn)[10，11]采用自適應(yīng)理論進(jìn)行檢測法的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)無功電流的檢測精度，文獻(xiàn)[12]采用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行預(yù)測，提高了系統(tǒng)無功補(bǔ)償精度和實(shí)時(shí)性，但以上方法都較為復(fù)雜，而目前多應(yīng)用瞬時(shí)無功理論進(jìn)行無功電流的檢測[13].能夠?qū)崿F(xiàn)在已知任何時(shí)候的負(fù)載電壓和負(fù)載電流瞬時(shí)值的情況下，計(jì)算得出瞬時(shí)無功電流和有功電流，它有較好的實(shí)時(shí)性，并且方法實(shí)施簡單，主要包括p-q法和ip-iq法.其中ip-iq法能夠摒棄p-q法當(dāng)三相電路不對稱運(yùn)行時(shí)或者電壓波形發(fā)生失真時(shí)，就不能準(zhǔn)確地檢測出無功電流這一缺陷.

無功電流的控制事實(shí)上就是控制生成PWM的方法，文獻(xiàn)[14-16]采用解耦控制，能夠有效分離有功和無功，但電網(wǎng)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生諧波且模型較為復(fù)雜，文章對于這一問題采用PR調(diào)節(jié)器，對兩種功率解耦的同時(shí)可以有效抑制部分諧波，減少延時(shí)，增加控制精度.文獻(xiàn)[17，18]基于dq軸的直接電流控制需要對SVG發(fā)出的電流進(jìn)行坐標(biāo)變換.文獻(xiàn)[19]提出一種三電流滯環(huán)控制法，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)特性，補(bǔ)償效果優(yōu)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.

本文采用基于abc軸直接電流控制不需要對于SVG發(fā)出的電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，直接與檢測到的三相瞬時(shí)電流做差送入滯環(huán)比較器，完成電流閉環(huán)控制，結(jié)果表明文章所采用的方法具有一定的有效性.

1 交流微電網(wǎng)SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電流檢測通過檢測負(fù)載電流中的瞬時(shí)無功電流分量和SVG發(fā)出的電流送入控制模塊，并通過無功電流控制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)SVG的PWM工作脈沖，觸發(fā)SVG發(fā)出感性或容性電流補(bǔ)償微電網(wǎng)側(cè)的無功功率.其中SVG主電路采用電壓型橋式電路，整個(gè)裝置逆變的能量由直流側(cè)電容提供，電容在裝置不進(jìn)行逆變補(bǔ)償時(shí)通過續(xù)流二極管自動(dòng)進(jìn)行充電維持能量.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無功電流的檢測

2.1 瞬時(shí)無功理論

所謂瞬時(shí)無功理論其實(shí)就是基于坐標(biāo)變換的方法進(jìn)行計(jì)算的，能夠?qū)崿F(xiàn)在已知任意時(shí)刻的負(fù)載電壓和負(fù)載電流瞬時(shí)值的情況下，計(jì)算的出瞬時(shí)無功電流，擁有較好的實(shí)時(shí)性并且精度高，滿足SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)奶匦裕?/p>

文章以三相三線系統(tǒng)為對象，設(shè)三相電路中a、b、c三相電壓的瞬時(shí)值為ea、eb、ec，瞬時(shí)電流分別為ia、ib、ic.首先對于瞬時(shí)電流這三個(gè)量進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其變換至αβ平面上，如圖2所示.

圖2 αβ坐標(biāo)系中的電流電壓矢量

設(shè)變換后αβ平面上的瞬時(shí)電流值為iα、iβ，則可推出公式(1)：

(1)

在αβ平面上，矢量iα、iβ合成為電流i，如公式(2)所示：

i=iα+iβ=i∠φi

(2)

公式(3)為矢量i在e的法線上的投影，即為瞬時(shí)無功電流：

iq=isinφ

(3)

公式(3)中：φ=φe-φi

2.2 ip-iq法無功電流檢測原理

當(dāng)三相電流不對稱時(shí)，設(shè)a、b、c三相負(fù)載電流為ia、ib、ic，首先將檢測到的負(fù)載電流進(jìn)行坐標(biāo)變換至旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中如公式(4)所示：

(4)

再通過低通濾波器濾波，剩下基波電流分量如公式(5)所示：

(5)

斷開有功通道，通過反變換得到的電流分量便是無功電流.按照圖3所示的方法進(jìn)行負(fù)載側(cè)無功電流的檢測，由于只取-cosωt、sinωt參與運(yùn)算并且只進(jìn)行無功電流的檢測和坐標(biāo)變化，因而檢測結(jié)果不受電壓畸變的影響，檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確.

圖3 ip-iq法示意圖

3 SVG系統(tǒng)的控制策略

SVG系統(tǒng)采用基于abc軸的直接電流控制如圖4所示.udref為直流側(cè)的給定電壓作為參考電壓，并與SVG直流側(cè)實(shí)際電壓udc做差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為SVG的反變換有功電流信號idref輸入，完成電壓外環(huán)控制，此處不需要解耦，PI控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置相對簡單而且能很好的達(dá)到效果；iqref為系統(tǒng)當(dāng)前所檢測到的負(fù)載無功分量，將其和有功電流idref經(jīng)坐標(biāo)反變換，得到ica、icb、icc即為檢測到的三相負(fù)載無功電流，和SVG交流側(cè)發(fā)出的三相交流電流做差通過PR調(diào)節(jié)送入滯環(huán)比較器，完成電流內(nèi)環(huán)控制.

圖4 基于abc軸的直接電流控制示意圖

3.1 SVG中PWM信號的產(chǎn)生

滯環(huán)比較法的原理如圖5所示.iqref為檢測到的負(fù)載側(cè)無功電流的信號，iqSVG為SVG交流側(cè)實(shí)際所輸出的無功電流信號，將兩者相減后送入滯環(huán)比較器中，當(dāng)電流相減后的信號小于滯環(huán)上下限的值，產(chǎn)生觸發(fā)信號，電力開關(guān)器件動(dòng)作，以使SVG動(dòng)作補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)所需要的無功功率.

圖5 滯環(huán)比較法示意圖

3.2 PR調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

PR調(diào)節(jié)器也稱為比例諧振控制器，它可以對兩種功率進(jìn)行解耦，還可以優(yōu)化PI調(diào)節(jié)器.

當(dāng)使用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的延時(shí)和震蕩，而比例諧振調(diào)節(jié)器，能夠使PI調(diào)節(jié)器的靜差調(diào)節(jié)變?yōu)闊o差調(diào)節(jié)，進(jìn)一步對交流信號有很好的追蹤控制，對PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的問題進(jìn)行很好的優(yōu)化，另一方面在SVG多是應(yīng)用于無功補(bǔ)償，而在補(bǔ)償中很多情況下是存在諧波含量的，而PR調(diào)節(jié)器可以很好消除這些諧波.

PR調(diào)節(jié)器本質(zhì)上類似于PI調(diào)節(jié)器，對于電流控制而言，它的推導(dǎo)如公式(6)所示：

(6)

式(6)中：n代表諧波次數(shù)，GPI代表在dq坐標(biāo)下函數(shù)形式，用比例環(huán)節(jié)與諧振環(huán)節(jié)參數(shù)表示，即為公式(7)：

(7)

把公式(6)代入公式(7)得到普通PR傳遞函數(shù)，得到：

(8)

公式(8)中：ωn為第n次諧波頻率，ωn=ω0，ω0=2πf0，f0為基波頻率.

理想條件下，ω0處有最大增益，其簡化原理圖如圖6所示.

圖6 PR調(diào)節(jié)器原理圖

本次設(shè)計(jì)主要針對5、7、11、13、17、19、23、25次諧波進(jìn)行調(diào)制，對于后續(xù)生成的PWM起到了優(yōu)化作用.則PR調(diào)節(jié)器函數(shù)用公式(9)表示：

(9)

4 仿真與分析

4.1 SVG仿真模型的構(gòu)建

為驗(yàn)證所提無功電流的檢測和控制方法的準(zhǔn)確性以及補(bǔ)償效果的理想性，基于MATLAB建立了仿真模型.其中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 仿真模型具體參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

SVG無功補(bǔ)償?shù)男Ч饕菍W(wǎng)側(cè)電流與電壓的相位差和網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判斷，本次仿真時(shí)間為1 s，0.5 s前為純阻性負(fù)載，0.5 s后為阻感性或阻容性負(fù)載運(yùn)行.

4.2.1 感性負(fù)載

感性負(fù)載在不加SVG和加入SVG的條件下進(jìn)行對比，通過圖7和圖8可知，在不加入SVG的情況下，純阻性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流和電壓相位差為0，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，不存在無功功率，當(dāng)0.5 s時(shí)變?yōu)樽枞菪载?fù)載在不加入SVG的情況下，電流與電壓相位差不為0，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不為1，當(dāng)加入SVG時(shí)，電流與電壓的相位差無限接近為0，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最終達(dá)到0.999以上，SVG有效補(bǔ)償了網(wǎng)側(cè)的無功功率.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG圖7 感性負(fù)載的網(wǎng)側(cè)a相電壓與電流

(a)未投入SVG

(b)投入SVG圖8 感性負(fù)載的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)

4.2.2 容性負(fù)載

容性負(fù)載和感性負(fù)載仿真方式相同，如圖9和圖10所示，容性負(fù)載在不加入SVG時(shí)，網(wǎng)側(cè)的電流是超前電壓的，當(dāng)經(jīng)過SVG補(bǔ)償后，網(wǎng)側(cè)的電壓和電流基本同相，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)最終也能夠達(dá)到0.998以上.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG圖9 容性負(fù)載的網(wǎng)側(cè)a相電壓與電流

(a)未投入SVG

(b)投入SVG圖10 容性負(fù)載的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)

4.2.3 諧波分析

微電網(wǎng)在運(yùn)行中肯定會(huì)存在諧波含量，當(dāng)考慮諧波存在時(shí)，SVG不僅需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，還需要進(jìn)行諧波抑制，而PR調(diào)節(jié)器就有一定的抑制作用，如圖11所示 ，投入SVG后不僅補(bǔ)償了無功功率，還抑制了部分諧波，如圖12所示，THD從原有的10.35%降低到了4.43%.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG圖11 網(wǎng)側(cè)a相電壓與電流

圖12 各次諧波含量

5 結(jié)論

文章針對交流微電網(wǎng)中大量非線性負(fù)載接入導(dǎo)致的電能質(zhì)量降低的問題，設(shè)計(jì)了基于PR調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)SVG裝置，實(shí)現(xiàn)交流微電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償.建立abc軸直接電流控制仿真模型，整定PR調(diào)節(jié)器參數(shù)，減少延時(shí)，優(yōu)化了動(dòng)態(tài)性能.為驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，文章針對交流微電網(wǎng)中存在的感性、容性負(fù)載以及含有諧波的情況進(jìn)行無功補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該SVG系統(tǒng)，在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)能夠較好的抑制諧波，實(shí)現(xiàn)了交流微電網(wǎng)的高效運(yùn)行，具有一定可行性.