基于C.P.Steinmetz平衡化原理PI控制方法的SVC系统研究.pdf

第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月基于C.P.Steinmetz平衡化原理PI控制方法的SVC系统研究Research on SvC System Based on PI control Method of C.P.Steinmetz Balancing Principle周斌(ZhouBin）李博(li Bo)博世力士乐（西安）电子传动与控制有限公司，陕西，7 10 0 0 0摘要：瞬时电流控制补偿策略来实现三相平衡化和功率因数的补偿，从理论上分析了这种方法的正确性；然后，用MATLAB/Simulink进行了仿真，通过仿真和实验发现，静止无功补偿控制系统具有一定的合理性和先进性，能够达到较快的响应和较好的补偿精度，可实现对三相不平衡负载的快速动态无功补偿，达到了预期的补偿效果。关键词：SVC；不平衡负载补偿；模拟与实验Abstract:The instantaneous current control compensation strategy is used to achieve three-phase balance and powerfactor compensation.Theoretically analyzed the correctness of this method.Then,with MATLAB/Simulink is simulated,through the simulation and experimental results show that the design of the static reactive compensation control systemhas certain rationality and advanced nature,can achieve quicker response and good compensation accuracy,can realizethe unbalanced three-phase load of the quick and dynamic reactive power compensation,achieve the expected effect ofcompensation.Keywords:SvC;Unbalanced-Load compensation;Simulation and experiment【中图分类号】TM74【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 3 3 0(2 0 2 4)0 4-0 0 7 7-0 51引言随着我国国民经济的飞速发展，电网规模的逐渐增大，工业电弧炉、轧钢机、电力机车等冲击性负荷在工业应用领域中大量使用，这些设备都需要消耗大量的无功，而且无功变化大且急剧，运行时会造成低压配电网电压的急剧波动，这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响。首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，恶化了电能质量 ，而且还会威胁到设备的安全运行；其次，向系统中注入了大量的高次谐波，严重影响了系统供电的电能质量，使用户的正常工作受到不同程度的影响；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加；同时无功储备的不足会导致电网输出电压以及负荷功率因数的降低。2瞬时i-i算法概述三相电路瞬时无功功率主要有p-q运算方式和i-i。运算方式两种。使用p-q运算方式需要同时采样三路电压和三路电流信号，且这种方式受电压畸变和三相电压不平衡的影响，检测误差比较大。i，-i 运算方式采用参考正弦信号来代替p-q运算方式中的电压信号，在三相系统中，运用该运算方式只需检测一路电压信号和三路电流信号。因此，它不受电压畸变和三相电压不平衡的影响，可以实现基波正序有功电流的精确检测。i。法检测基波正序、负序电流如图1所示。11222211V322202WWW.CA168.COM7722技术探讨与研究TECHNIQUE RESEARCHsin wtC：L-cos wt-sin wt该方法中需要用到和e同相位的wt和coswt，它们由一个锁相环电路(PLL)和正余弦发生器产生，对三相瞬时电流进行采样后，经过C2变换得到两相瞬时电流，再根据定义计算出、，最后经过低通滤波器(LPF）滤除谐波产生的交流分量，得到三相电流中的基波正序分量对应的有功电流ip，和无功电流i。PLL-cos wt将式(2)代入式(1)得:sinwt-cOSwt-cos wt-sin wt同理求得：sin wtL-cos wt-sin wtSin-cos根据对称分量法，可以把、i、i 分解为正序分量组和负序分量组。用下标中的1表示正序，2 表示LPF负序。n表示谐波次数（n=1时表示基波），I表示电流LPF有效值，表示初相角。设电网电压角频率为W，且a相电压初相角为零，于是、i、之可表示为：LPF1.=ia+ia=-22lu sin(mwt+0,)+/a in(mwt+0a,)LPF20(3)22-coswtV3V3(4)图1i；-i 法检测基波正序、负序电流补偿导纳与系统的基波正序无功分量和基波负序有功和无功分量有关，所以对i、i。的直流分量i，、i。进行反变换后再与补偿前的电流相减即可得到补偿电流。如图1所示，为了消除电压畸变对检测的影响，采用锁相环(PLL)和正余弦发生器来获得与三相电压基波分量同相位的正余弦号。3瞬时i-i算法的实用化补偿公式推导下面讨论根据i-i。算法得到的基波正序无功电流ig、基波负序有功电流之i2p、基波负序无功电流i24和正序分量虚部Imi()、负序分量实部Rei2(0)、负序分量虚部Imi(l)之间的关系。设i，i g 是基波正序有功、无功电流；i2p，i 2 4是基波负序有功、无功电流，根据瞬时无功功率理论的，-i，运算方法：ia=Ci-cos wt-sin wt JLinsinwt-cos wtTiai、i p 是负载线电流i。、i、i 经过3-2 变换得到的两相瞬时无功电流：(2)32Bi78THEWORLDOFINVERTERS将式(5)代入式(3)，求得i,、i。的直流分量为：i,VE3l.cos P(6)由于I(t)就是基波正序电流，因此，I=I()，所以式(6)表示为：i1pV31,(0)cos 9(t)-/31,(t)sin g(0)Lilg设 Re i(t)=I(t)cos g(t),Im i(t)=I,(t)sin g(t)则:Reli(t)Im li(t),同理求得：(1)ReI2(t)ImI2(t由补偿导纳的计算公式：Brab1Imi(0)+Imi:(0)-VRei2(0)112202(7)i1p(8)(9)3/3Vm1BImi(0)-2 m i2()ab3V3Vm12B.rah(10)Imi()+Imi2(0)+V3Rei2()3/3Vmfine第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月将式(8)、式(9)代式(10)得：1rab3/3Vm1B3/3VmrabBa3/3Vime4系统仿真分析基于C.P.Steinmetz平衡化原理的PI控制框图如图2所示，从图2 可以看出这种控制方法是一种闭环控制，这样控制就不会跑飞，其PI算法采用的是增量式PI控制。该控制系统的主要模块为三相电源模块（Souce），线路寄生电感（RLCBranch），补偿电容模块（C_compensation），功率因数计算模块（Pf_calculation）、TCR控制角查表计算模块（B_cacculate），触发脉冲形成模块（Trigger），变负荷模块（Load），晶闸管控制电抗器模块（TCR），滤波电容器模块FC等。它的基本输入项为三相线电压(Uab，U b c，U c a)和三相主电路电流系统CT(la，I b，I c)，经过同样的计算，所得到的是补偿导纳的差量（Br)。模型中的各个元器件如电源、线路、负载、测(11)211量、计算等模块均采用Simulink中现有的模块。其中系统采用38 0 V电源，线路寄生阻抗分别为：Rs=0.1Q，Ls=0.649mH，负载由三相RLC负载代替，其参数设置为10 0 kW有功和8 6.2 45kVar感性无功，在30 0 ms时突然加缺失B相的负载，其中有功10 kW，感性无功45kVar。都是在0 s投入负荷0.3s投入另一组缺相的负荷，观察系统电流、电压、功率因数，TCR控制角的变化过程。基于C.P.Steinmetz平衡化原理的PI控制仿真各项指标如图4所示。仿真结果分析：(1)由图4(a)、(b)可以看出,TCR、FC、负荷投入后，能够保持负荷端的电压稳定，而使系统的无功最小化；即使投入很大的不平衡负载之后，还是能够很快的使三相平衡，把每项的电压、电流可以补回来；(2)图(c)反应的是 CA 相的功率因数，其他两相的PTPI补偿电纳ABr增量计算图2 基于C.P.Steinmetz平衡化原理的PI控制框图调节器上周期触发导纳hto20线性化环节脉冲触发形成环节TCR负载Three-theleProorirmatieWatseSourceThrea-PhareSeresALCerenchcrs_aloetmtnCortetan10nCoduleMnCorteteo图3基于c.P.Steinmetz平衡化原理的PI控制仿真整体图WWW.CA168.COM79技术探讨与研究TECHNIQUERESEARCH39035三相电压曲线-Uab-Uoc3600.25(a)系统三相电压变化曲线三福电液曲钱200190030.3时调/0.40.45051.00A峰一峰台1MO100V平均值婚小值大道6443195V1972.40A7.00A(a)补偿前A相电流、电压波形3232.427.08开天团121269m301m10.0msB+9-300.000us1o0k/x/B1ok鑫0.00A17180170D150140138021.11.050.25(b)系统三相电流变化曲线CA相功率国数变化曲线0303时间040.85CA相功率四数051.00A方顺精台1MO100V平均值楚小值最大值591652205V2071.80A2.075.28A6.39开容送团(b)补偿前B相电流、电压波形2231.791975.2438.92.42286m10.37.08713m210.0ms11-V-300.000100k次/b10k点更多0.00A11.12201116:38:37090.86080.250.30.35间0.40.450.5(c)CA相功率因数曲线三相触发加变化曲线180170F16015011.00A招方205V2.06A6.20A100手均值最小道最大值551312192102.0134.8m2.426.03240m开谷天团32.6284m7.08$14m10.0ms+9-300.000us100k次/10k点多0.00A11.12月2 0 11(c)补偿前C相电流、电压波形120110100F图4基于C.P.Steinmetz平衡化原理的PI控制仿真各项指标80THEWORLDOFINVERTERS图5不平衡条件下补偿前的电流、电压波形也是基本一样的，功率因数稳定在0.97 左右；02503(d)三相触发角变化曲线03040450.5(3)该系统采样周期为10 ms，不平衡负载突然加上时，要经过最多6 0 ms的时间，系统的电压有效值、电流有效值、无功功率值、TCR控制角达到稳定。第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月各相电感值为96 0 mH；电机的额定电压为38 0 V，额定功率为1.1kW，额定电流为2.7 5A；高功率电阻包括1000W电阻二个（8 0 与6 0）50 0 W电阻三个（12 0、240Q与450 2），2 0 0 W电阻三个（都为150 0）。图5(a)、(b)、(c)分别是在负载不平衡并且SVC未工作时的A、B、C三相电压、电流波形，从图中可以看出，A相、B相和C相的电流各不相同，由示波器可流峰-峰值为5.2 8 A（有效值为1.8 0 A)，而C相电流峰-O1.00A1MO（a）补偿后A相电流、电压波形1.00A0.V平均值220V150A224A1MO(b）补偿后B相电流、电压波形1001阳抗开品开谷读得：A相峰-峰值为7.0 0 A（有效值为2.40 A)，B相电10.0ms0.00A4w300.000u110k.20.561326m1.132峰值为6.2 0 A(有效值为2.0 6 A)。可见此时A相电流最大，B相最小，大概是A相大概是B相的1.5倍，三相不平衡性较大。图 6(a)、(b)、(c)分别在图 5(a)、(b)、(c)所示状态下投入SVC后的A、B、C三相电压、电流图。其中A相电流峰-峰值为4.8 4A（有效值为1.47 A)，B相电流峰-峰值为5.2 4A（有效值为1.50 A)，C相峰-峰值为6.52A（有效值为1.8 4A)，三相电流基本上达到平衡状态，而且各相的电压、电流基本达到同相位(B相还有一定的相位差）。说明SVC控制不仅能补偿无功，而且能在10.0m1000001okA好004一定范围内减小不平衡。通过上面的分析看出SVC系统在无功补偿及调节三相不平衡方面作用非常明显。6总结根据理论分析搭建三相不平衡负载的无功补偿模型，当把PI算法和C.P.Steinmetz平衡化原理相结合后，补偿效果与速度更加好，最后通过实验验证算法的优越性参考文献：11.09图6 不平衡条件下补偿后电流、电压波形5实验结果与分析实验装置由38 0 V三相电源、线路模拟电抗、固定电容器、TCR、电机负载、一些高功率电阻负载以及SVC控制箱组成。线路模拟电抗为30 mH；固定电容器由三组16 uf的电容采用三角形接法连接而成；TCR648V220V1.84A521MO(c）补偿后C相电流、电压波形.02x240m10.2开容天团*.12128m.00A1】王兆安，杨君，刘进军，王跃。谐波抑制和无功功率补偿 M。北京：机械工业出版社，2 0 0 5.10.2】王向臣，徐宏全，于长永等电网无功补偿实用技术 M。北京：中国水利水电出版社，2 0 0 9.3】王正风，胡晓飞，陈实.无功功率与电力系统运行 M北京：中国电力出版社，2 0 0 9.4】薛亮基于DSP的静止无功补偿系统软件设计 D西安电子科技大学，2 0 11.5周文，毛志芳，毛志强浅析SVC与SVG的异同点 M河北省电力研究院，2 0 0 9.WWW.CA168.COM81