svpwm調(diào)制的sacom控制方案

svpwm調(diào)制的sacom控制方案

0功電流雙環(huán)控制器大型通信設(shè)備將降低電網(wǎng)的能力，降低能源生產(chǎn)、傳輸和使用效率，并影響正常的負(fù)荷工作。靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)作為一種較理想的無功補(bǔ)償設(shè)備,得到了越來越深入的研究和廣泛的應(yīng)用。STATCOM的控制方案可分為間接電流控制和直接電流控制2種。間接電流控制通過控制逆變器的電壓相位,達(dá)到控制輸出無功電流的目的,其直流側(cè)電壓根據(jù)無功的需求自動調(diào)節(jié)。間接電流控制的開關(guān)器件的工作頻率較低,但由于無功變化依賴于直流電壓變化,所以系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢,適合于大容量場合。通過多重化等方法可以提高逆變器輸出電壓的質(zhì)量,從而減少輸出電流的諧波大小。直接電流控制方法引入了輸出電流的反饋控制回路,使得STATCOM的輸出電流能夠?qū)崟r跟隨指令電流的變化。因此其動態(tài)響應(yīng)速度快,輸出電流諧波小,但開關(guān)頻率較高,適合中小容量STATCOM。文獻(xiàn)[7鄄8]建立了STATCOM電流控制的數(shù)學(xué)模型,并且討論了控制器設(shè)計等問題。而文獻(xiàn)[9鄄11]討論了利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)電力電子應(yīng)用相關(guān)的控制器設(shè)計?，F(xiàn)應(yīng)用直接電流控制原理,采用STATCOM的無功、有功電流解耦控制方法,分析了電壓電流雙環(huán)控制器的簡化設(shè)計方法。通過使用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)提高直流電壓利用率,并降低輸出電流的諧波畸變率。因此,該方法具有動態(tài)響應(yīng)速度快、調(diào)制深度高、開關(guān)損耗低、輸出電流諧波畸變小等優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能良好。1控制電流到電壓轉(zhuǎn)移的控制圖1是基于SVPWM的STATCOM直接電流控制原理圖?？刂破鞑捎猛叫D(zhuǎn)坐標(biāo)變換理論和鎖相環(huán)(PLL)檢測負(fù)載電流iLabc中的無功分量iqref;同時將補(bǔ)償電流iabc從abc坐標(biāo)系分解到dq坐標(biāo)系,得到iabc中無功分量的瞬時值iq和有功分量的瞬時值ip。然后,利用PI控制器實(shí)現(xiàn)電流空間矢量(id,iq)到電壓空間矢量(ud,uq)的轉(zhuǎn)換。最后,輸出空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生的PWM驅(qū)動信號。另外,STATCOM輸出電流iabc同樣通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換從abc坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系下?；o功分量在dq坐標(biāo)系下是q軸的直流量,通過低通濾波器可濾除諧波分量得到iqref。直流電壓通過電壓外環(huán)耦合到d軸分量,因此可通過控制STATCOM吸收或輸出有功電流達(dá)到控制直流電壓的目的。電流dq分量通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)整到電壓平面,并通過脈寬調(diào)制技術(shù)輸出PWM脈沖,則控制電壓源逆變器(VSI)3組橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷及其作用時間,就可改變電壓源逆變器的輸出電壓uCabc。此時,連接電抗XL上的電壓為假設(shè)系統(tǒng)電壓uSabc穩(wěn)定,因此控制VSI輸出電壓uCabc的大小和相位,就可以控制XL上的電壓,從而達(dá)到控制STATCOM輸出電流的目的。2電流控制采用spwm技術(shù)由于STATCOM主電路包含PWM逆變器,難以對該非線性電路進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述。文獻(xiàn)研究了其頻率響應(yīng)特性并建立了簡化模型?，F(xiàn)采用該模型并忽略電源電壓和負(fù)載電流影響,根據(jù)圖1建立STATCOM電流內(nèi)環(huán)在s域的控制系統(tǒng)如圖2所示。圖中τc1、τc2分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對負(fù)載電流和STATCOM輸出電流采樣的轉(zhuǎn)換延遲時間常數(shù);kc1、kc2是兩通道的電流傳感器變比;L、R分別是STATCOM交流側(cè)連接電抗器的電感和電阻值;kcp是PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),kci是PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù);τVSI是逆變器模塊的輸出延遲時間常數(shù),通常近似取一次開關(guān)時間的一半;kVSI是逆變器模塊輸出電壓的增益。如果采用SPWM技術(shù),kVSI=udc/2;如果采用SVPWM技術(shù),則。很顯然,SVPWM技術(shù)可以得到更高的直流電壓利用率。由前面的分析知:當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時無功電流在dq平面的分量是恒定的,低通濾波器LPF輸出的無功給定也是不變的。假設(shè)負(fù)載電流和STATCOM輸出電流采樣的AD通道參數(shù)相同,則有τc1=τc2=τc及kc1=kc2=kc,則圖2(a)的系統(tǒng)就可以簡化為圖2(b)。該簡化系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為通常,VSI模塊的輸出延遲τVSI和AD采樣的轉(zhuǎn)換延遲τc都較小,因此可合并為一個延時單元τ,即τ=τVSI+τc。同時,令kpi=kcp/kci、kRL=R/L可得:為降低設(shè)計的復(fù)雜度,采用零極點(diǎn)抵消方法降低閉環(huán)傳遞函數(shù)的階次。令kpi=kRL,得電流控制內(nèi)環(huán)的二階簡化系統(tǒng)為,其中k=kcpkVSIkc/L。因此,簡化的電流控制內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中,ωn是系統(tǒng)無阻尼自然振蕩角頻率,ξ是阻尼比。由式(4)知k=1/(4ξ2τ),因此可計算PI控制器的參數(shù)為對于該二階系統(tǒng),系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,選擇ξ=0.707計算PI控制器的參數(shù)kcp及kci,則可以使系統(tǒng)具有最優(yōu)的階躍響應(yīng)特性。3s域的控制器電壓調(diào)節(jié)器的性能由諸多因素決定?？紤]STATCOM直流側(cè)的放電電阻Rdc,則直流電容上的充放電行為可描述為其中,τc=RdcCdc。但實(shí)際系統(tǒng)中通常有τc垌1,因此直流側(cè)模型可以近似為一個理想的積分環(huán)節(jié),即uc(s)/ic(s)=1/(Cdcs),其積分系數(shù)為1/Cdc。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1建立STATCOM電壓外環(huán)在s域的控制系統(tǒng)如圖3(a)所示,其中τcv、kcv是AD對直流電壓采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換延遲和傳感器變比;kvp是電壓PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),kvi是PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)。由于電壓采樣、電流控制器和VSI模塊的延遲通常都比整個電壓環(huán)路的延遲小得多,因此,在電壓外環(huán)控制中三者可以簡化為一階模型:。其中,kv=kVSIkcvkcp,τv=τcvτVSI。則圖3(a)的直流電壓控制系統(tǒng)可簡化為圖3(b)。其開環(huán)傳遞函數(shù)為從而可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為故系統(tǒng)的特征方程為根據(jù)勞斯判據(jù)可得系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)范圍為根據(jù)式(10)并綜合穩(wěn)定性、動態(tài)性能等要求,就可以選擇合適的電壓控制環(huán)路PI控制器的參數(shù)。4svpwm控制器參數(shù)為驗(yàn)證基于SVPWM的電壓電流雙環(huán)控制策略的系統(tǒng)性能,利用Simulink建立系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真研究,同時研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并完成了動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)如下:三相系統(tǒng)電壓有效值/頻率為300V/50Hz;交流連接電抗/電阻為350μH/0.01Ω;直流側(cè)額定電壓/電容為1000V/35mF;功率模塊為SKiiP240GB172。根據(jù)第2節(jié)的討論計算電流控制器的參數(shù)。其中,開關(guān)頻率3.3kHz,延時取開關(guān)周期的一半,τVSI=0.000152s,AD采用頻率40kHz,τc=0.000025s,因此τ=0.000177s;kRL=28.5;采用SVPWM調(diào)制方式,則kVSI=577.4;另外,電流傳感器變比為500∶1,因此kc=0.002。選擇阻尼比ξ=0.707,則k=2833.7。再由式(5)可計算出kcp=0.859,kci=24.5。根據(jù)第3節(jié)的討論計算電壓控制器的參數(shù)。其中,τv=τ=0.000177s;電壓傳感器變比為1500∶1,則kcv=0.000667,kv=0.33。因此,由式(10)可得kvp<6.19,考慮kvi的穩(wěn)定取值范圍,取kvp=0.25,從而有kvi<0.456,取kvi=0.25。選取以上控制器參數(shù)并根據(jù)圖2在Simulink建立仿真系統(tǒng)。圖4是無功給定從滯后250A突變到超前500A時輸出電流的瞬態(tài)仿真波形。圖5記錄了啟動過程直流電壓的仿真波形。直流電壓初始值設(shè)定為線電壓峰值?？梢钥闯?直流電壓控制器在啟動過程中的1.5s內(nèi)將電容升壓并穩(wěn)定到給定值1000V,超調(diào)量低于10%。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制器用FPGA芯片EP1C12Q240C8?；赟VPWM的電壓電流雙環(huán)控制的全部控制策略用VerilogHDL語言描述,利用QuartusⅡ軟件分析、綜合,并布線實(shí)現(xiàn)?？刂破鞯倪壿媶卧Y源占用率約為57%,整個系統(tǒng)的工作頻率為30MHz。圖6是SVPWM控制器的實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)三相負(fù)載與電容中點(diǎn)連接時,負(fù)載電流呈現(xiàn)馬鞍型波形,與理論分析的結(jié)果一致。圖7記錄了系統(tǒng)啟動時的直流電壓波形。初始時,控制器不工作,逆變器通過反并二極管工作在三相不控整流模式,直流電壓充電到交流線電壓峰值。控制器工作后,直流電壓調(diào)節(jié)器工作在升壓模式,直流電壓迅速上升,經(jīng)過約1s的調(diào)整時間后穩(wěn)定在給定值。最后,STATCOM系統(tǒng)開始正常工作,直流電壓穩(wěn)定不變。圖8是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。此時輸出電流畸變率小于1.7%。圖9是無功電流從超前300A突變到滯后300A