動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制算法

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的控制算法摘要：針對無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問題，通過分析單相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，提出一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和系統(tǒng)無功電流反饋控制的算法，直接對裝置輸出的電流進(jìn)行控制，避開監(jiān)測有功和無功電流分量的繁瑣過程，簡化了監(jiān)測諧波的過程。所提出算法的控制目標(biāo)是使補(bǔ)償裝置發(fā)出的電流為系統(tǒng)的無功電流，該算法包括電流和電壓2個(gè)反饋環(huán)。電流環(huán)采用滯環(huán)比較的方式，將計(jì)算得到的目標(biāo)電流和補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出的電流進(jìn)行閉環(huán)比較；電壓環(huán)采用周期控制思想。通過說明直流側(cè)電壓和變流器兩側(cè)功率傳輸?shù)年P(guān)系，推導(dǎo)出損耗電流與直流側(cè)電壓的變化關(guān)系公式;提出損耗有功電流和負(fù)荷無功電流的計(jì)算方法，以及直流側(cè)電壓的控制策略;數(shù)值仿真計(jì)算和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法無功補(bǔ)償效果良好。關(guān)鍵詞：控制算法；直流側(cè)電壓控制；損耗電流；無功電流；仿真Abstract：Comparisonbetweensimulativeandrecordeddataofshort-circuitcurrentAbstract:thesimulativeresultsandtheactualrecordeddataofashort-circuitfaultinpowergridarecompared.Itshowsthattheyarematchedwellwithsmallerror,whichconsistedofthewaverecordingerrorandthesimulativecalculation.TheformerincludesCTerror,relayprotection(faultrecorder)errorandvirtualvaluecalculationerror.Thelatterincludesoperationmodesimulationerrorandelementparametererror.Thepropercontrolofinfluencingfactors,suchascalculationmethod(basedonpowerflowornot),zero-sequencemutualinductance,lowvoltagesmallgenerators,loadmodels,etc,theerrorcanbecontrolledwithin5%,whichmeansthat,thecurrentshort-circuitcurrentcalculationmethodisadvisable.Keywords：short-circuitcurrent,virtualvalue,instantaneousvalue,simulation,waverecord引言各種非線性、沖擊性裝置的廣泛應(yīng)用，給電網(wǎng)帶來了大量的諧波和無功功率污染，如何有效地治理諧波和無功功率的污染已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的問題。對于一個(gè)補(bǔ)償裝置而言，其補(bǔ)償性能決定于諧波及無功電流檢測方法以及補(bǔ)償電流控制方法。這些年，無功諧波電流的檢測方法和補(bǔ)償電流控制算法發(fā)展很快。當(dāng)前的算法研究中大都采用瞬時(shí)無功功率理論或其他檢測方法進(jìn)行相應(yīng)的控制，這些方法需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能有一定的影響。文獻(xiàn)［6］中指出在實(shí)際系統(tǒng)的負(fù)荷電流中含有容性無功分量時(shí)，存在著在控制算法中引入正反饋的肯能，從而導(dǎo)致補(bǔ)償效果差及系統(tǒng)電流震蕩?；诖?，本文提出了一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和系統(tǒng)無功電流反饋控制的算法，直接對裝置輸出的電流進(jìn)行控制，避開了檢測有功和無功電流分量的繁瑣過程，簡化了檢測諧波的過程。該算法針對系統(tǒng)基波無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，載系統(tǒng)基波無功很大，功率因數(shù)較低的情況下，補(bǔ)償效果良好。利用數(shù)值仿真對該算法進(jìn)行了大量的計(jì)算，仿真結(jié)果表明，使用該算法對系統(tǒng)進(jìn)行具有保持系統(tǒng)電流無畸變的優(yōu)點(diǎn)，可以工作在感性區(qū)和容性區(qū)，無功補(bǔ)償范圍廣，穩(wěn)定性能好。系統(tǒng)單相結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中所示系統(tǒng)基波無功很大，功率因數(shù)較低。is為電源電流，iL為負(fù)載電流，ic為補(bǔ)償電流，Udc為變流器直流側(cè)電容電壓，us為電源電壓，設(shè)電網(wǎng)電壓為無畸變正弦波，直接以us的相位為參考相位，變流器交流側(cè)電感L上輸出的補(bǔ)償電流ic包含基波有功電流、基波無功電流和諧波電流。所提算法的控制目標(biāo)是使補(bǔ)償裝置發(fā)出的電流為系統(tǒng)的無功電流。系統(tǒng)電流提供負(fù)荷的有功電流分量和補(bǔ)償裝置的損耗等有功電流分量，同時(shí)使系統(tǒng)的電流和系統(tǒng)電壓同相位，達(dá)到基波功率因數(shù)為1的目標(biāo)。該算法包含電流和電壓2個(gè)反饋環(huán)。電壓環(huán)采用周期控制思想，通過PI調(diào)節(jié)控制，與直流側(cè)電壓Udc形成負(fù)反饋，保持直流側(cè)電容電壓為恒定值。電流環(huán)控制采用滯環(huán)比較的方式，將計(jì)算得到的目標(biāo)電流和補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出的電流進(jìn)行閉環(huán)比較。國i系統(tǒng)單相結(jié)構(gòu)匪采用周期控制，設(shè)電網(wǎng)電壓為無畸變正弦波：u(t)二Usin31負(fù)荷瞬時(shí)電流如下式："(t)=Isin(31+0)=Isinwt+Icos3t補(bǔ)償目標(biāo)為電源電流i(t)中只含有基波的有功分量ip(t),即補(bǔ)償后系統(tǒng)電流為i(t)=I；sinwt,從而達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康?。P由于基波有功電流與基波電壓產(chǎn)生有功功率，其他電流與基波電壓產(chǎn)生無功功率，各功率的計(jì)算如下：負(fù)荷瞬時(shí)功率為p(t)=u(t)i(t)=p+q=IUsinwt+IwL s L LLpsM qUsirwtcosnt瞬時(shí)無功功率qL在任一個(gè)周期［t0,t0+T內(nèi)的積分為零，如下式Piidt=ffL&i僉句/coswJj1df=0電源輸出功率為負(fù)荷有功功率和補(bǔ)償裝置的損耗功率之和：p(t)二注p=IU sin^wt+IU Xsin231=(I+I)wS LA pL sM pA s pL pAsinwtu(t) s _ 一一補(bǔ)償裝置輸出功率為負(fù)荷的無功功率，計(jì)算如下所示：p二-p二IU simtcosnt有功電流和無功電流sM即i(t)=i(t)-i(t)=i(t)+i(t),為負(fù)荷的無功電流和裝置的損耗電流之和。有功電流為電源側(cè)流向補(bǔ)償裝置的損耗電流；無功電流與負(fù)荷的無功電流分量大小相同，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生，流向負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的算法結(jié)構(gòu)圖可以簡單表示為圖2,即計(jì)算目標(biāo)電流i3c中的有功分量和無功分量，以i3c為目標(biāo)電流與采集到的系統(tǒng)補(bǔ)償電流［進(jìn)行比較，作為電流滯環(huán)控制的輸入，進(jìn)行滯環(huán)電流比控制算法結(jié)構(gòu)圖算法的關(guān)鍵部分在于直流側(cè)電壓控制和對目標(biāo)電流i3c的求取，由以上分析可知，主要在于求出補(bǔ)償?shù)臒o功電流iq(t)和裝置的需補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鱥pA(t),有功電流又分為2部分：損耗電流和動(dòng)態(tài)時(shí)直流側(cè)電容電壓充放電電流。其中，通過對電容電壓的周期變化進(jìn)行PI變換，得到需要補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鳎ㄟ^對采樣進(jìn)行周期控制，保證在電網(wǎng)電壓過零時(shí)刻發(fā)生變化，使得電網(wǎng)電壓和電流畸變較小。無功計(jì)算部分包含了sin?信息(。為基波電流超前系統(tǒng)電壓的電角度)，它表明了系統(tǒng)中負(fù)荷電流含有的是感性分量還是容性無功分量及無功分量含量大小，將無功計(jì)算結(jié)果直接作用于無功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出的電流信號(hào)，因此系統(tǒng)電流為感性或容性時(shí)均可以得到有效的補(bǔ)償。算法設(shè)計(jì)直流側(cè)電壓控制按照PWM控制規(guī)律，要有效地對系統(tǒng)無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，變流器的直流側(cè)電容就必須保持恒定。保持直接側(cè)電容電壓恒定是系統(tǒng)控制目標(biāo)之一。無功功率Ql通過變流器與直流側(cè)儲(chǔ)能元件電容C產(chǎn)生能量交換，引起直流側(cè)電容電壓波動(dòng)，但其在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零，因此一個(gè)無損的無功補(bǔ)償設(shè)備系統(tǒng)其直流側(cè)電容電壓載一個(gè)周期內(nèi)的周期平均值保持為一個(gè)定值。由于電力電子器件開斷不可避免地會(huì)消耗能量，有功率的存在將要消耗電容上儲(chǔ)存的能量，似的電容電壓不斷下降，有以上式子可得，實(shí)際補(bǔ)償裝置存在的損耗功率在一個(gè)周期內(nèi)的積分不為零，所以會(huì)引起電容電壓周期值的變化，即電容電壓周期值的變化反映了逆變器二側(cè)有功功率的傳遞。在該算法里對電容電壓進(jìn)行周期采樣，進(jìn)行比較，即找出電容電壓的周期值期變化值計(jì)算等效的損耗電流，控制有功的傳遞情況，保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定在某一值附近波動(dòng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)直流側(cè)電容的電壓如圖3所示。圖3為電容電壓參考值為U卡=ref380V時(shí)的真結(jié)果圖。圖3(a)表示穩(wěn)態(tài)時(shí)的直流側(cè)電容電壓；圖3(b)為局部放大圖，從圖中可以到，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流側(cè)電容電壓在固定值附近上下波動(dòng)，該波動(dòng)是無功功率的傳遞引起的，波動(dòng)變化幅度與變流器兩側(cè)無功傳遞大小有關(guān)。正常運(yùn)行后，在0.1s時(shí)投入大容量無功負(fù)荷，直流側(cè)電流的變化如圖4所示，可見大量無功負(fù)荷投入后，補(bǔ)償裝置輸出的無功電流增加，損耗相應(yīng)增大，穩(wěn)態(tài)時(shí)r> z\TOC\o"1-5"\h\z直流側(cè)的電壓穩(wěn)定值下降，電壓波動(dòng)也有 —— ——400r ky kyAd350-300 ' 1 ' ?0 0.08 0.16 0.24 0.32〃s(a)直流側(cè)電容電壓382P80378 1 1 ? ' ? ?0.070.080.090.100.110.120.13〃s(b)局部效果圖圖3直流例I電容電壓的變化Fig.3VariationofDCcapacitorvoltage400r、350TOC\o"1-5"\h\z300 1 ? * ?0 0.08 0.16 0.24 032z/s圖4負(fù)荷波動(dòng)時(shí)直流側(cè)電壓的變化Fig.4VariationofDCcapacitor |voltagewhenloadfluctuates通過以上分析可得：由于損耗電流的存在電容電壓值會(huì)使直流側(cè)電壓不斷下降；并且在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中，功率平衡會(huì)短時(shí)被破壞，電容電壓也發(fā)生波動(dòng)。通過PI調(diào)節(jié)對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，其中比例環(huán)節(jié)使得電容電壓快速接近給定值，積分環(huán)節(jié)用來調(diào)節(jié)靜差，使得電容上電壓在給定參考電壓值附近波動(dòng)，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。直流側(cè)電壓的控制框圖如圖5所示。由上圖可以看書，當(dāng)電容電壓偏高時(shí)，ipa就會(huì)減小，即有功電流從無功補(bǔ)償裝置側(cè)流向系統(tǒng)側(cè)。此時(shí)系統(tǒng)電流會(huì)相應(yīng)有所減小。反之，當(dāng)電容電壓偏低時(shí)，ipa就會(huì)增大即有功電系統(tǒng)側(cè)流向無功補(bǔ)償裝置。此時(shí)，系統(tǒng)電流會(huì)相應(yīng)有所增大。由此可見，通過調(diào)節(jié)，直流側(cè)電容電壓的控制形成了負(fù)反饋，達(dá)到直流側(cè)電容電壓始終在某一固定值附近流動(dòng)的目標(biāo)。損耗電流的計(jì)算由下式可得損耗電流等效幅值Ipa的計(jì)算公式：通過上式可得，變流器直流側(cè)電容電壓上的變化可以反映損耗電流的大小。通過比例積分環(huán)節(jié)將采樣的電壓比較值修正后可以得到損耗電流的幅值大小。損耗電流與系統(tǒng)電壓同電位，基于二者可以得到系統(tǒng)的損耗電流。由于損耗電流的存在，電容電壓值會(huì)在某一個(gè)固定值附近，穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定，CUmT都是已知參數(shù)，因此損耗電流的變化與Udc和Udc的大小變化有關(guān)，故可以由式（9）確定損耗電流的大小并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，準(zhǔn)確地表示這種變化可以控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定值變化。無功電流的計(jì)算利用三角函數(shù)系的正交性，將系統(tǒng)電壓采樣后延遲1/4周期，得到其相應(yīng)的弦值us'（t）=UsMcos①（t），與采樣得到的負(fù)荷電流相乘，在一個(gè)周期積分內(nèi)平均以提取基波無功電流分量。下面介紹周期平均無功電流的計(jì)算。首先計(jì)算無功功率周期平均值，用符號(hào)q表示。在任意一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)算公式如下：J Ifq=二如3ift)df=— iXf4血⑶!FgcosAJyd;=—.J*”co扣，＜8瀘rdr=T"帝4=4^sin(1由上式可以得到無功電流幅值為Iq=ILsin。=2q/UsM。實(shí)際中，系統(tǒng)電壓經(jīng)過PLL鎖相環(huán)后，由檢測到的相位可得到us'(t)=cos31，其相位和系統(tǒng)電壓相位相差90°，幅值為1。使用u‘t代替u's(t)可得到更簡潔的結(jié)果Iq=2q，從而避免了計(jì)算系統(tǒng)電壓的幅值，減小計(jì)算量，同時(shí)避免系統(tǒng)電壓突變等情況的影響。無功電流的計(jì)算框圖如上所示。由上式可以看出，該算法僅僅用了一個(gè)延時(shí)器，一個(gè)乘法器和一個(gè)周期平均環(huán)節(jié)就可以得到系統(tǒng)的無功電流分量，結(jié)構(gòu)簡單。數(shù)值仿真與動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果在0.08s時(shí)投入無功補(bǔ)償裝置，得到仿真結(jié)果。在0.08s前為補(bǔ)償前系統(tǒng)電壓和電流，此時(shí)，電流相位超前電壓約60度。投入時(shí)經(jīng)過一個(gè)小時(shí)擾動(dòng)后，系統(tǒng)電流與電壓波形相位重合無功補(bǔ)償裝置投入的時(shí)間直接影響其動(dòng)態(tài)過程，如選擇在系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)處投入，可使動(dòng)態(tài)過程縮短。0.08s投入補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)的電壓和電流采用該算法的樣機(jī)裝置投入時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示。其中錄波器橫坐標(biāo)為t單位為S。上一波形為系統(tǒng)電壓波形，錄波器下一波形為系統(tǒng)電流波形。

-IDJ i————1 1 1I5J315,16 E土盼LL22IS.25 l^.2BMa檢人運(yùn)行時(shí)我統(tǒng)電.氐七盛維電旗波股10芝10芝fvWVWXA?qSAAA/VWW_|01 J—T ? ? IS29.18529.8?52^8*529.90529W5的朋EW稽定運(yùn)行時(shí)束壕電氏與養(yǎng)短電流波形圖9(a)采用了軟啟動(dòng)直流電容充電方式，從圖9(a)可以得到，裝置未投入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)電壓的過零時(shí)超前系統(tǒng)電流0.003s，裝換成電角度為喧X36O==5廣Q02cow山=0588從圖9(b)可以得到，當(dāng)裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)電壓幾乎與系統(tǒng)電流同相，通過實(shí)際檢測，此時(shí)cos@=0.992，無功補(bǔ)償效果良好。