一種新型svc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一種新型svc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于雙閉環(huán)pid控制的晶閘管變流裝置隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，變流裝置的應(yīng)用越來越普遍。特別是大型變流裝置得到廣泛應(yīng)用，尤其是大型變流裝置。它被廣泛應(yīng)用于提升裝置、輥之間的電壓提升裝置和其他直流電壓擾動(dòng)。它是能源系統(tǒng)中的主要電源。然而,這些裝置的運(yùn)行,會(huì)造成系統(tǒng)功率因數(shù)低、電壓波形嚴(yán)重畸變等問題,直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量和其它用電設(shè)備的安全運(yùn)行。靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,SVC)可以就地提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償,是解決這些問題的經(jīng)濟(jì)有效辦法。其中,晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor,TCR)是目前應(yīng)用比較廣泛的SVC裝置,在抑制電壓波動(dòng)及改善功率因數(shù)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有可靠性好、性價(jià)比高的優(yōu)良性能。對(duì)TCR的控制策略方面還有待于進(jìn)一步研究。目前提出的模糊-PID控制方法,狀態(tài)反饋非線性控制方法文提出了基于西門子公司Simadyn-D全數(shù)字控制TCR裝置的新思路。Simadyn-D全數(shù)字控制系統(tǒng)是西門子公司在九十年代初推出的高性能全數(shù)字控制系統(tǒng),具有多個(gè)CPU實(shí)時(shí)、多任務(wù)并行處理,強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算功能等特點(diǎn)。特別適用于實(shí)現(xiàn)快速開閉環(huán)控制、邏輯控制、變流器控制等任務(wù)。本文在深入分析TCR控制系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上,以晶閘管變流裝置用于礦井絞車拖動(dòng)為負(fù)載,設(shè)計(jì)了一種基于雙閉環(huán)PID控制的固定電容器+晶閘管控制電抗器(FixedCapacitor+ThyristorControlledReactor—FC+TCR)型SVC裝置?；贛atlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,為下一步開發(fā)基于西門子公司的Simadyn-D全數(shù)字控制器的FC+TCR型SVC裝置作理論準(zhǔn)備。1晶閘管不導(dǎo)通圖1(a)為FC+TCR型SVC主電路圖。FC對(duì)于基波是容性無功補(bǔ)償裝置,向系統(tǒng)提供恒定的超前基波無功。以A、B相間的TCR為例,雙向晶閘管T1、T2按相控方式工作。令T1、T2的觸發(fā)控制角為α,由TCR的工作原理,當(dāng)α在90°-180°之間變化時(shí),電抗器L中的電流的基波分量I1與α之間的關(guān)系為:式中Uab——A、B相電壓有效值;XL——與晶閘管串聯(lián)電抗的感抗值。α=90°時(shí),晶閘管完全導(dǎo)通,I1最大;α=180°時(shí),晶閘管全關(guān)斷,I1為零。因此,電抗器L中的電流是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。即α在90°-180°之間變化時(shí),TCR向系統(tǒng)提供的滯后基波無功是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。由于負(fù)荷一般是感性的,設(shè)負(fù)荷的無功功率變化量為?QL。為使系統(tǒng)的無功功率保持恒定,只要調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)控制角α,使TCR無功功率的變化量?QTCR與?QL數(shù)值相等,變化方向相反,以此抵消負(fù)載無功功率沖擊的影響。FC產(chǎn)生的容性無功功率QC與感性無功功率QTCR+QL相互補(bǔ)償,即QTCR+QL–QC=∑Q?？梢?控制QTCR可改變系統(tǒng)的總無功功率∑Q,從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)。圖1(b)所示是FC+TCR型SVC的U-I特性。晶閘管不導(dǎo)通時(shí),SVC只有電容器組工作,特性如OA;當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通且只有TCR工作時(shí),特性如OD;合成特性如OC。TCR的額定容量大于固定電容器組的額定容量,以抵消容性無功功率,并在需要按滯后功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)提供凈感性無功功率。設(shè)電壓在Uref給定值上下波動(dòng),可通過晶閘管的相位控制以改變電抗器L的等效電抗值,使特性工作在AB段。當(dāng)電壓大于Uref,SVC呈感性,消耗無功,使系統(tǒng)電壓下降。反之,則提供無功,使系統(tǒng)電壓上升?？梢?控制QTCR可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。2svc管理系統(tǒng)項(xiàng)目2.1基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的電壓波形畸變檢測(cè)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬時(shí)無功功率的變化,以確定SVC的無功功率補(bǔ)償量?QTCR,是決定SVC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能的前提。目前的SVC裝置比較多地運(yùn)用基于瞬時(shí)無功功率理論的p、q算法檢測(cè)無功功率。p、q算法實(shí)現(xiàn)如下:將三相電路各相電壓瞬時(shí)值(ea、eb、ec)和電流瞬時(shí)值(ia、ib、ic)變換到兩相正交的α-β坐標(biāo)系上,分別為eα、eβ及iα、iβ;在α-β平面上,eα、eβ和iα、iβ分別可以合成為電壓矢量e和電流矢量i,即(2)、(3)式中,e、i分別為矢量e、i的模;?e、?i分別為矢量e、i的幅角。三相電路瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq分別為矢量i在矢量e及其法線上的投影,即ip=icos?,iq=isin?。因而三相電路瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q為:然而,對(duì)于三相三線制電路,只要電網(wǎng)電壓波形畸變,不論三相電壓、電流是否對(duì)稱,p、q算法的檢測(cè)結(jié)果都有誤差。為了減少電壓波形畸變帶來的影響,本文采用一種新的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法來檢測(cè)系統(tǒng)有功及無功功率。從電機(jī)工程的觀點(diǎn)來看,d、q矢量屬于同步轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。假定同步電機(jī)定子a、b、c三相繞組由平衡的三相正弦交流電壓供電,則變換至同步轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系后,a、b、c三相有功電流相當(dāng)于d軸繞組的直流分量,a、b、c三相無功電流相當(dāng)于q軸繞組的直流分量。設(shè)三相不平衡波動(dòng)性負(fù)荷的三相電流為iLa,iLb和iLc,在無中線時(shí)有式(6)可得出變換至d和q分量的變換式如下,即(7)式的變換為Park變換,其逆變換為將(8)式中id和iq分解為式中,Id和Iq分別為id和iq的直流分量,分別對(duì)應(yīng)于三相交流電流的基波有功和基波無功分量。id和iq分別為id和iq的交流分量,對(duì)應(yīng)于諧波分量?；o功分量Iq經(jīng)過Park逆變換和相關(guān)線性計(jì)算可得無功功率Q。無功功率Q檢測(cè)在Matlab中實(shí)現(xiàn)如圖2所示。采樣三相電壓瞬時(shí)值,通過PLL鎖相電路得到與系統(tǒng)電壓同步的sinωt,cosωt,作為Park變換模塊的輸入值;三相電流瞬時(shí)值通過Park變換,得到電流的有功和無功分量id和iq。其中無功分量iq經(jīng)過低通濾波器LPF濾除負(fù)序及各次諧波分量得到直流分量Iq;Iq再經(jīng)過Park逆變換可得a、b、c坐標(biāo)下的基波無功分量Iaq、Ibq、Icq,其與三相電網(wǎng)電壓有效值的乘積即為無功功率Q。2.2調(diào)節(jié)單元-線性插值及觸發(fā)角控制系統(tǒng)的目標(biāo)有:(1)當(dāng)絞車啟動(dòng)時(shí),引起電網(wǎng)電壓降在3%以下;(2)系統(tǒng)平均功率因數(shù)為tanΦset。調(diào)節(jié)單元框圖如圖3所示。外環(huán)為一個(gè)響應(yīng)速度較慢的功率因數(shù)閉環(huán)控制。其中系統(tǒng)無功功率基準(zhǔn)值Qref=PL×tanφset,PL為負(fù)載有功功率。實(shí)際系統(tǒng)中的無功功率總量∑Q=QL+QTCR-QC,則?Q=Qref-∑Q,經(jīng)過PID調(diào)節(jié),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)QTCR,直到∑Q=Qref,使系統(tǒng)平均功率因數(shù)為tanΦset。內(nèi)環(huán)為電壓閉環(huán)控制,為了提高控制精度,在電壓反饋形成的閉環(huán)內(nèi)還引入了補(bǔ)償電流ISVC的反饋。電流調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié),因此電流偏差可以忽略,補(bǔ)償電流將完全由電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)決定。調(diào)節(jié)單元還包括線性化函數(shù)、觸發(fā)角計(jì)算環(huán)節(jié)及同步六脈波發(fā)生器。由式(1)知,TCR電抗器電流的基波分量I1與晶閘管觸發(fā)控制角α之間呈非線性關(guān)系。為使雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)單元的輸出,即控制電壓VT與電抗器基波電流I1成線性關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)線性控制,引入一個(gè)非線性校正函數(shù),其表達(dá)式為:u為經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器出來的控制信號(hào)。其校正效果如圖4所示。本文采用線性插值法計(jì)算觸發(fā)角。在Matlab中利用Matlab/Simulink中的Look-upTable查表模塊實(shí)現(xiàn)。3fc對(duì)晶閘管閥的調(diào)諧系統(tǒng)中絞車負(fù)載模型如圖5所示,采用電流反饋閉環(huán)控制。SVC主電路如圖1所示。三相TCR由3個(gè)單相TCR按三角形聯(lián)結(jié)連接而成,以防止3倍數(shù)次諧波滲透入輸電線路;每一相的電抗器被拆分成兩半,各為13.6mH,放置在反并聯(lián)晶閘管對(duì)的兩側(cè),以防止當(dāng)電抗器的兩端發(fā)生短路時(shí),整個(gè)交流電壓加到晶閘管閥上而導(dǎo)致其損壞。FC中,每個(gè)電容串聯(lián)一個(gè)小電抗器,將電容器組調(diào)諧成針對(duì)某次諧波以及高次諧波的無源濾波器,以吸收負(fù)載和SVC裝置本身所產(chǎn)生的諧波。在基波頻率下,調(diào)諧電抗器只是略微減小固定電容器組的凈容量。由于負(fù)載為晶閘管變流裝置用于礦井絞車拖動(dòng),其交流電流中主要含3次、5次、7次諧波和11次、13次等高次諧波。所以,FC包括3次、5次、7次及高通無源濾波器HPF。圖中各電感電容參數(shù)依次分別為:1C=72uF,1L=15.6mH;2C=26.4uF,2L=15.4mH;3C=64.5uF,3L=3.21mH;4C=420uF,4L=16mH,4R=10?。系統(tǒng)采用ode23tb仿真算法,最大步長(zhǎng)為1e-3,相對(duì)誤差為1e-3。3.1諧波成分檢測(cè)圖6給出了電網(wǎng)電壓波形畸變時(shí),用p、q算法和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法得到的基波正序無功分量不同的檢測(cè)結(jié)果?；兊碾娋W(wǎng)電壓中分別含有5次和7次諧波,兩者的有效值分別為基本有效值的8%和5%。由圖6可知,用p、q算法檢測(cè)出的基波正序無功分量也含有諧波成分,檢測(cè)不準(zhǔn)確。而用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法得到的基波正序無功分量不含諧波成分。可見,dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法在電網(wǎng)電壓畸變時(shí),也能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測(cè)出系統(tǒng)無功功率,比p、q算法精確可靠。3.2不同電流下tcr晶閘管電壓變化在1.5s時(shí),絞車投入系統(tǒng),母線電壓波形如圖7所示。由圖7看出,絞車啟動(dòng)過程的瞬間,母線電壓僅有較小的壓降,經(jīng)過約4-5個(gè)周期后電壓恢復(fù)為正常值?？梢?控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速,能夠在絞車啟動(dòng)時(shí)平穩(wěn)電壓。在0.5s時(shí),絞車給定電流突然增大,相當(dāng)于絞車加速的過程。絞車給定電流、實(shí)際檢測(cè)電流,及負(fù)載輸入端a、b兩相交流電流變化如圖8(a)所示。從圖中可以看出,給定電流增加使整個(gè)負(fù)載電流ILa、ILb、ILc增大,使得負(fù)載的瞬時(shí)無功功率QL增大。圖8(b)所示是控制環(huán)節(jié)最終輸出量,即TCR晶閘管控制觸發(fā)角α的變化。圖8(c)所示是TCR晶閘管中相電流變化。從圖中可以看出,控制環(huán)節(jié)使TCR晶閘管控制觸發(fā)角α增大,晶閘管中相電流減小,因此使QTCR減小。圖8(d)所示是電壓檢測(cè)電路的輸出量。從圖中可以看出,在0.5秒時(shí),電壓有微小的波動(dòng),但很快恢復(fù)原值?？梢?控制系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載無功功率沖擊引起的電壓波動(dòng),響應(yīng)時(shí)間約5ms,調(diào)節(jié)時(shí)間約20-30ms。3.3ppt頻譜分析圖9(a)所示是補(bǔ)償前系統(tǒng)相電流及FFT頻譜分析結(jié)果,在沒有投入補(bǔ)償裝置前,系統(tǒng)相電流中諧波污染較為嚴(yán)重;圖9(b)所示是經(jīng)過SVC補(bǔ)償器后,系統(tǒng)相電流及其FFT頻譜分析,其諧波電流值小于用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值?？梢?系統(tǒng)的FC參數(shù)設(shè)計(jì)合理,能夠很好地濾除負(fù)載及TCR補(bǔ)償電路產(chǎn)生的諧波。4采用雙閉環(huán)pid控制的tcr-fc型svc系統(tǒng)在基于瞬時(shí)無功功率理論的基礎(chǔ)上,本文用dq