摘 要：針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投資成本大、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高、補(bǔ)償效果差等問(wèn)題，提出了靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）和電抗器的混合補(bǔ)償系統(tǒng)。SVG由一個(gè)小容量電力濾波器和LC調(diào)諧濾波器組成與電抗器并聯(lián)構(gòu)成混合補(bǔ)償系統(tǒng)，用以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率。解耦控制用于電流跟蹤和電壓調(diào)節(jié)，并引入PI控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差?；旌涎a(bǔ)償系統(tǒng)能有效降低SVG容量，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。仿真結(jié)果表明，所提出的混合補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;無(wú)功補(bǔ)償;解耦控制;混合補(bǔ)償

1 介紹

近年來(lái)，隨著大西安的快速建設(shè)，地下軌道交通也進(jìn)入了建設(shè)高峰期，隨之而來(lái)的地鐵主變電站建設(shè)也加快了步伐。地鐵主變電站一般以110kV電壓等級(jí)變電站為主，大多通過(guò)電纜線路接入地區(qū)大電網(wǎng)。受地鐵運(yùn)行方式的影響，地鐵主變電站的負(fù)荷會(huì)隨著地鐵運(yùn)行時(shí)段和工況發(fā)生變化，具有較強(qiáng)的隨機(jī)波動(dòng)性[1-3]。

當(dāng)?shù)罔F線路處于試車、夜晚停運(yùn)時(shí)，地鐵變電站沒有牽引負(fù)荷，只有部分照明負(fù)荷，負(fù)荷非常小，變電站處于輕載狀態(tài)，這時(shí)電纜線路容性無(wú)功遠(yuǎn)大于線路和負(fù)荷感性無(wú)功，一方面導(dǎo)致主變電站側(cè)電壓高于電網(wǎng)電源側(cè)電壓，另一方功率因數(shù)變?yōu)槌?；因此，目前地鐵主變電站在建設(shè)時(shí)都會(huì)考慮配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備SVG（靜止無(wú)功發(fā)生器，Static Var Generator），以應(yīng)對(duì)由于地鐵運(yùn)行方式變化帶來(lái)的無(wú)功補(bǔ)償失衡問(wèn)題。盡管SVG具有連續(xù)平滑快速調(diào)節(jié)無(wú)功和抑制系統(tǒng)諧振的優(yōu)勢(shì)，但由于SVG控制復(fù)雜，價(jià)格較高，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較苛刻，所以我們提出SVG+電抗器的補(bǔ)償方案，以利用電抗器成本低、對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求不高和易維護(hù)的優(yōu)勢(shì)[4-6]。

針對(duì)地鐵的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論諧波電流檢測(cè)法，導(dǎo)入平均電流控制器建立了模擬模型，文獻(xiàn)[8]為提高地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)及電能質(zhì)量，據(jù)實(shí)際情況，采用SVG的無(wú)功補(bǔ)償方式，文獻(xiàn)[9]為了解決因系統(tǒng)功率因數(shù)降低導(dǎo)致的無(wú)功返送問(wèn)題，通過(guò)交直流交替迭代潮流計(jì)算，提出SVG無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[10]針對(duì)地鐵電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的需求，提出一種基于改進(jìn)SVG的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其主要由信號(hào)處理模塊、處理采集單元、變流器以及三相電壓輸出端組成。

本文提出了的SVG+電抗器的混合補(bǔ)償系統(tǒng)，用以補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功功率，降低直流側(cè)電壓。SVG控制的關(guān)鍵是控制直流側(cè)的輸出電流和電壓，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)是一種常用的控制策略，雙閉環(huán)串級(jí)控制的主要特點(diǎn)是物理意義明確、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)異，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于大容量系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)。仿真和實(shí)

驗(yàn)結(jié)果表明，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。

2 SVG+電抗器的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

圖1展示了SVG+電抗器的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該混合補(bǔ)償系統(tǒng)是由一臺(tái)SVG和多組電抗器組合而成，系統(tǒng)復(fù)雜性大大降低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其中，有源部分可以改善系統(tǒng)的濾波特性，同時(shí)抑制電壓閃變，并承受了小容量電網(wǎng)的基本電壓和電流，無(wú)源部分進(jìn)行分級(jí)投切，提供大容量的感性性無(wú)功，通過(guò)對(duì)兩者之間的協(xié)調(diào)控制能夠?qū)Φ罔F的無(wú)功功率迅速、實(shí)時(shí)、低成本補(bǔ)償。

3 建立數(shù)學(xué)模型

3.1 下圖是理想的RLC振蕩電路

如上圖所示：為控制回路直流側(cè)的電容;為控制回路的電感。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，回路方程為：

假設(shè)為線性電感，則有：

設(shè)電容的初始電壓：，電感器的初始電流為，可由式（2）引入：

式中：

根據(jù)式（3），當(dāng)SVG直流側(cè)電容器單獨(dú)作用于電抗器回路時(shí)，電抗器將電流控制為指數(shù)衰減的振蕩波。當(dāng)檢測(cè)到瞬時(shí)值達(dá)到要求時(shí)，斷開開關(guān)，隔離電容和電抗器。電抗器自身的控制電壓允許在電容器快速放電期間保持快速建立的控制電流。

3.2 建立SVG模型

首先，從拓?fù)鋱D出發(fā)，建立系統(tǒng)模型：

將開關(guān)函數(shù)定義為：

在交流和電壓沒有零序分量的情況下，系統(tǒng)在靜止坐標(biāo)系下可以得到開關(guān)效果：

在三相靜止坐標(biāo)系中，將式（7）變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，對(duì)和的電流進(jìn)行微分，得到系統(tǒng)的空間狀態(tài)模型。由于開關(guān)函數(shù)和狀態(tài)變量的存在，系統(tǒng)模型是非線性的。

SVG控制的三個(gè)狀態(tài)變量必須是獨(dú)立控制的。因此，通過(guò)對(duì)控制策略進(jìn)行解耦，充分分離它們各自的動(dòng)態(tài)變量，就可以避免內(nèi)部電流環(huán)與外部直流母線電壓環(huán)的相互作用。

4 直流母線電壓調(diào)節(jié)

為了使直流母線電壓保持在一個(gè)期望值，可以通過(guò)控制將控制器的輸出加到參考電流的分量上流過(guò)混合電源濾波器的電流，可以推導(dǎo)出：

最終濾波器電流的有效值為：

q軸有源濾波器的電壓表示為：

在基頻處，直流分量將在SVG+電抗器補(bǔ)償期間強(qiáng)制產(chǎn)生電流。調(diào)整直流電壓，通過(guò)PI控制器得到電壓誤差環(huán)。

直流母線電壓環(huán)響應(yīng)為二階傳遞函數(shù)，其形式如下：

給出直流母線電壓調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)：

通過(guò)反饋解耦，直流母線電壓環(huán)和電流環(huán)之間沒有相互作用，設(shè)計(jì)的SVG+電抗器補(bǔ)償器如圖4所示。

圖4為直流母線電壓外部控制回路，對(duì)高壓大功率系統(tǒng)有很好的控制效果。

5 仿真驗(yàn)證

將以上方案在Simulink環(huán)境中搭建模型，來(lái)證實(shí)SVG+電抗器的混合補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償性能的有效性。

以A相為例，通過(guò)比較經(jīng)混合補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償前后電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流相位關(guān)系，來(lái)對(duì)SVG與電抗器的無(wú)功補(bǔ)償功能進(jìn)行驗(yàn)證。SVG與電抗器共同補(bǔ)償前和補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)的A相電壓、電流波形如圖5所示，可以看出補(bǔ)償后電壓和電流的波形得到了很好的改善。

圖6給出了SVG與電抗器共同補(bǔ)償后的功率因數(shù)的仿真圖，由仿真圖可以看出在經(jīng)過(guò)SVG+電抗器補(bǔ)償后功率因數(shù)由0.8左右提升到0.95以上。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的SVG和電抗器聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)將非線性控制解耦策略應(yīng)用于混合補(bǔ)償控制系統(tǒng)，提高了濾波性能，降低了SVG的額定功率。使SVG的功率、直流側(cè)電壓保持在穩(wěn)定的低壓值，實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功的動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該方法具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，可以有效的補(bǔ)充系統(tǒng)的無(wú)功。所提出的補(bǔ)償系統(tǒng)和控制方法有效地解決了地鐵大規(guī)模無(wú)功增長(zhǎng)問(wèn)題。

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