低压静止无功发生器的综合起动策略

李彩林， 施 伟， 孙新望， 廖桂源

(桂林电子科技大学，广西桂林541004)

低压静止无功发生器的综合起动策略

李彩林， 施 伟， 孙新望， 廖桂源

(桂林电子科技大学，广西桂林541004)

由于传统控制方法下静止无功发生器(SVG)起动时冲击电流大。提出了综合起动策略，该策略运用改进型解耦控制方法，有效分离了三相系统电流两相同步旋转后的有功分量()和无功分量()，增加了补偿精度；设计了直流预充电和直流侧电压阶梯式抬升方式以及无功电流的线性递增方法，减小了SVG起动时直流侧电压超调，缓解了冲击电流。仿真实验和试验原型表明，与传统控制方法相比，综合起动策略有效抑制了SVG起动时的冲击电流。

静止无功发生器；软起动；改进解耦控制；冲击电流

由于大多数电力电子装置功率因数很低，给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此，提高功率因数已成为电力电子技术所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注[1-3]。为改善电能质量，静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)应运而生，它具有补偿反应速度快、平滑连续调节、不给电网带来大量谐波等优点，因此在维持电压稳定和补偿系统功率因数方面发挥着重要作用。SVG起动时冲击电流过大将影响到补偿装置元件的使用寿命以及给电网带来谐波污染。现有的SVG主要是基于电压型逆变器。其直流侧电压的稳定直接影响起动时冲击电流的大小，传统的PI调节控制法在一定时间能稳住直流电压，但不能在起动时控制直流电压的超调。文献[4]提出了改进解耦控制方法，该方法具有电网电流波形质量高、功率脉动小、动态响应速度快等优点，但没考虑冲击电流问题。文献[5-6]分析和比较了直流电压控制算法和无功电流反馈控制算法，但只分析了对补偿电流的影响。

为此，本文提出了综合起动策略。该策略分别在电压外环通过软启动方式、直流侧电压阶梯抬升和PI调节控制抑直流侧电压超调，电流内环运用改进解耦控制法分离内环电流的有功分量()和无功分量()。采用综合起动策略能够解决SVG起动时冲击电流过大问题。

1 SVG的结构和原理

静止无功发生器在工况下运行系统框图(图1)。

图1所示为静止无功发生器接入电网的基本结构图，它的核心结构为一个三相PWM整流器。其工作原理是，在电网系统运行中检测出系统电流反馈给主控制器，通过计算得出驱动信号，再由驱动转换成SVPWM触发信号，控制无功补偿装置逆变产生所需的无功电流，补偿电网中的无功容量，提高电网系统的功率因数。

图1 系统结构框图

软起动装置拓扑结构如图1中虚线框1中所示。它的主要作用是：首先在SVG起动前，通过A、C两相对直流侧电容预充电，防止直流侧电压出现严重超调而导致起动时产生很大的冲击电流；其次，无功补偿装置电操机构合闸后，电网电压直接由反并联的二极管续流继续给电容充电，维持电容电压的稳定；直流侧电容充电完成后，软起动开关断开，由控制器控制补偿无功电流线性递增，SVG投入正常工作。

2 综合起动控制策略

2.1 抑制直流侧电压超调控制

直流侧的电压主要由SVG的有功电流控制，然而逆变器是一个非线性控制对象，所以将给定直流电压与实际直流电压比较，再把误差值送入比例积分(PI)控制器，得出有功电流指令，保证稳态直流电压值，如图2所示。

图2 直流电压PI调节器

SVG起动时电网对直流侧电容充电，PI控制器并不能有效地实现动态跟踪控制，直流侧电压也会出现超调，并产生冲击电流。因此在SVG起动合闸瞬间加入直流侧阶梯抬升控制有助于抑制直流电压的超调，给定直流电压值由直流电压抬升初始值分个阶梯抬升，则表达式如下：

直流侧电压抬升到预期给定直流电压值后，实际直流电压值应该为：

表1 阶梯抬升直流电压值

2.2 改进控制方法的解耦算法

改进解耦控制原理框图如图3所示。

由于SVG是一个非线性、强耦合系统，利用Puck变换能有效分离电流内环的有功电流()和无功电流()，再分别和电网参考电流的有功分量()和无功分量()比较，得到结果通过PI调节器得出Δ和Δ，实现了输出的无静差调节。改进控制方法将和代替传统方法的和作为解耦分量，加快了系统的动态响应速度以及增强了电网电流波形质量。

图3 改进解耦原理框图

从图3可以看出，有功电流和无功电流主要是通过连接电抗器相互耦合，有功电流()的波动变化将会引起无功电流()的变化；同理，无功电流()的波动变化也会引起有功电流()的变化。因此，坐标系下三相电流变换到坐标系之后成两相直流分量，这对控制带来极大好处。考虑到SVG是基于LC滤波器的三相并网逆变器，从而可得SVG三相电压在旋转坐标系下的三相桥臂输出的有功和无功电压和，由图3可得传统控制方法下和分别为:

由式(6)和式(7)可知，改进控制方法有效滤除了脉动量，防止了脉动分量的互相耦合，降低了有功分量和无功分量的耦合影响，得出的有功分量更加纯净，抑制了直流侧电压的超调，也就间接控制了冲击电流。

2.3 无功补偿电流线性递增控制

通过解耦控制后,SVG并网起动合闸时，有较大的冲击电流，如果合闸过后，同时又发出补偿电流，这时补偿电流和冲击电流形成叠加，形成了更大的冲击电流。为了解决这个问题，本文引入无功补偿电流线性递增控制，在SVG合闸之时，不立即发出补偿电流，而是隔开一段时间，然后在一定时间t内SVG发出补偿电流呈线性递增。该控制方法原理表达式如下：

由式(9)可知，补偿电流与冲击电流的时间有效间隔，有利于抑制冲击电流的产生。补偿电流呈线性递增，缓解了大电流对SVG设备的冲击，减少了对IGBT的损伤，也增强了SVG设备的使用寿命。

3 仿真实验和结果分析

根据上述方法，利用Matlab/Simulink仿真软件对SVG起动时的过程进行仿真。本文仿真的SVG在线电压380 V低压系统，设定直流侧电容容量和电压分别为8 000 μF和700 V，滤波电抗0.25 mH，滤波电容50 μF。三相平衡负载阻值为3 Ω、电感值为10 mH。

本文仿真先对直流侧电容预充电至530 V，然后在电流环PI调节中后加入解耦算法，以及在A、C两相加入软起动电阻。当系统中的负荷需要大量无功电流时，在相同负载条件下，未加入综合起动策略的SVG进行仿真，仿真结果波形图分别如图4～图7所示。

在同样条件下，图4中未加综合起动策略的直流侧电压波形出现超调现象，而图4中经过起动策略直流侧电压比较平滑并且电压很快稳定在700 V。将图4和图5进行比较，可得出如下结论：无论是否加入综合起动策略，SVG直流侧电压最后都能稳定；加入综合起动策略后，能有效抑制SVG直流侧电压超调。

图6和图7分别为未加起动策略和加入起动策略SVG起动时电流波形图。从图6中可知，在未加起动策略时起动电流约800 A；图7运用本文提出的起动策略能有效抑制SVG并网时的冲击电流，使电流冲击下降至小于150 A。通过比较，可得出以下结论：是否加入综合起动策略对补偿电流的影响不大；未加入综合起动策略后的起动电流是加入后起动电流的大约5倍多。

图4 未加起动策略直流侧电压

图5 加入起动策略直流侧电压图

图6 未加起动策略起动电流图

图7 加起动策略起动电流图

4 实验结果

对本文提出的起动策略进行实验分析，其中三相交流侧输入线电压有效值380 V，给定直流母线电压=700 V，= 0.25 mH，=8 400 μF，电感内阻=1 Ω，载波频率=12.8 kHz。图8示出未加起动策略起动冲击电流波形，可见，最大冲击电流已经达到约360 A，这对IGBT有冲击损伤；图9示出加入起动策略后SVG起动时冲击电流波形图，最大冲击电流只有约200 A。因此，本文提出的综合起动策略对抑制SVG起动时冲击电流具有良好的实际运用价值。

图8 未加起动策略冲击电流波形图

图9 加起动策略冲击电流波形图

5 结论

本文对SVG并网起动时电流冲击过大问题，提出了综合起动策略。该策略把电压外环直流侧预充电和电流内环的解耦控制以及补偿电流线性递增控制法等综合运用到SVG装置中，能有效抑制冲击电流。通过仿真实验结果证明了该综合起动策略的正确性和重要的应用价值。

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

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[3]PENG F Z,LAI J S.Generalized instantaneous reactive power theory for three-phase power systems[J].IEEE Trans Instrum Meas, 1996,45(1):293-297.

[4]姚志垒，肖岚，陈良亮.三相SVPWM并网逆变器的改进解耦控制方法[J].电力系统自动化，2012,36(20):99-103.

[5]卢婧婧，龚锦霞，解大，等.直流电压控制算法与武功电流反馈控制算法的分析和比较[J].电网技术，2008,32(1):24-28.

[6]邓卫华，张波，丘东元，等.三相电压型PWM整流器状态反馈精确线性化解耦控制研究[J].中国电机工程学报，2005,25(7):99-103.

Low voltage static var generator of composite start strategy

The inrush current of tradition control methods under Static Var Generator(SVG)was large when starting.A new comprehensive starting strategy was presented.The strategy used improved decoupling control method,that the active component(d)and reactive component(q)were effectively separated.The compensation accuracy was increased.Design of the DC recharges and DC voltage step-lift mode,reactive current linear incremental approach, the DC voltage overshoot was reduced when SVG start,easing the impact of current.Simulation and test show that compared with conventional control methods,the inrush current is effectively curbed when SVG start.

static var generator;soft start;improved decoupling control;inrush current

TM 933

A

1002-087(2016)03-0711-04

2015-08-17

广西自然科学基金(2012GXNSFAA053195)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任基金 (12-071-11-61-003)；广西壮族自治区教育厅高校科研项目(YB2014138)；广西研究生科研创新项目(YCSZ2014142)

李彩林(1975—)，男，广西省人，博士，副教授，主要研究方向为电力电子和配电网络自动化。