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机械与建筑工程
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基于预测电流控制的配电网无功补偿器的研究
【关键词】 配电网;电能质量;DSTATCOM;预测电流控制
【出   处】 2018年 1期
【收   录】 中国学术期刊网
【作   者】 张 愉1 ,刘华 ,马少军 3
【项   目】 暂不属于基金项目
【单   位】
【摘   要】   摘要 :配电网静止无功补偿器DSTATCOM是用户电力技术的重要装置之一。本文提出基于预测电流控制的双环控制方法,利用 DSTATCOM 来抑制电压波动、跌落和平衡三相不对称负载
正文

  摘要 :配电网静止无功补偿器DSTATCOM是用户电力技术的重要装置之一。本文提出基于预测电流控制的双环控制方法,利用 DSTATCOM 来抑制电压波动、跌落和平衡三相不对称负载。实验结果表明,本文所设计的DSTATCOM具有良好的性能,能够有效地解决电能质量问题。

  关键词:配电网;电能质量;DSTATCOM;预测电流控制

  中图分类号:TM 文献标识码:A Study on Distribution Static Compensator Based on Predictive Current Control ZHANG Yu1 LIU Hua2 MA Shao-jun3 (1 Department of Electronic Information of Suzhou College, Suzhou, Jiangsu 215104, China;

  Abstract:Distribution static compensator is an important part of Custom Power ,This paper presents the double loop control method of DSTATCOM based Control theory of Predictive Current, restraining voltage sag, voltage fluctuation and balancing three phase unsymmetrical load by use of DSTATCOM. The Experiment results show that the DSTATCOM designed has good performance and can solve effectively the problems of Power quality.

  Key words: Distribution network,Power quality,DSTATCOM,Control of Predictive Current 1、引言

  近年来煤矿电气设备、电网中整流器、变频调速器、电弧炉、电气化铁路等各种电力电子设备的大量使用,在带来经济效益的同时,这类负载的非线性、冲击性以及不平衡的用电特性,使电网中的扰动成分增加,电能质量日益恶化。与此同时,随着生产和生活水平的不断提高,用户对电能质量提出了更高的要求:不仅要求供电连续可靠,还希望供电电压、频率稳定,波形良好。[1,2]

  配电网静止无功补偿器DSTATCOM(Distribution Static Compensator)是用户电力技术[3]的重要装置之一,其采用可关断器件在电网三相之间实现无功交换,只要在直流侧并联较小容量的电容器,便可向电网实时进行动态无功补偿,从而在很大程度上可以改善电压跌落,抑制电压闪变,提高供电电压质量。与传统的补偿方法相比较,DSTATCOM具有响应快、体积小、谐波少,不易与系统发生谐振等优点。

  2、DSTATCOM的工作原理

  图1 DSTATCOM工作原理图

图1给出了单相DSTATCOM与系统的连接图,其中代表系统电压,代表单相逆变器输出电

  压的基波分量。假设逆变器损耗为0,即R=0,则US和 UI同相位。因此当UI>US时,DSTATCOM发出无功功率;反之,当US>UI时,DSTATCOM吸收无功功率。当UI=US时,DSTATCOM与系统之间将没有无功功率的交换。因此,只要控制逆变器输出电压大小,就可以控制逆变器与系统交换无功的大小和方向,因而也就可以应用于不平衡负荷补偿。 实际逆变器损耗并不为0,因此稳态时有:

(1)

(2)

式中,Km为逆变器输出电压基波有效值与直流电压之比(称为调制比),Ud为直流电压,Qs为DSTATCOM输出到系统的无功功率,,δ为领先的相角。

  由(1)(2)式可知,只要同时控制δ角和Km,就可以控制DSTATCOM与系统交换的无功功率大小和方向,且可以保持直流电容电压的稳定。[4]

  3.主电路的设计

  主电路的设计直接影响到DSTATCOM装置的性能。 本文采用IGBT三电平逆变器的±10 kvar DSTATCOM主电路见图2所示。装置通过连接电抗并联在电网上。

  图2三电平逆变器电路

  与传统的二电平逆变器相比,三电平逆变器有以下优点:首先,每一个主管上承受的电压仅为直流侧电压的一半,这样有利于提高装置的电压等级;其次,在同样的开关频率及控制方式下,三电平逆变器输出电压和电流谐波小于二电平逆变器[2]。并且在同样的输出电压波形下,器件的开关损耗也较二电平逆变器小。

  4 控制器设计

  DSTATCOM的控制器应实现两个功能:首先,必须能实时准确地检测出负荷所需无功功率;其次,必须能根据计算出的参考电流波形,实时输出相应波形[5]。本文设计的DSTATCOM的控制器由内环控制器和外环控制器两部分组成。外环控制器输出的控制信号作为内环控制器所需的无功电流(或无功功率)、有功电流(或有功功率)的参考值。内环控制器产生一个同步的驱动信号,使逆变器的输出电流和无功及有功指令之间建立一种线性的关系,实现对电流快速控制的目的。

  4.1 DSTATCOM外环控制策略

本文外环控制器应用ip-iq无功电流检测方法,其原理见图3所示。该方法采用一个锁相环( PL L ) 和一个正、余弦信号发生电路得到一个与A 相电网电压ea 同步的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt,负载电流经过变换算出其有功与无功分量ip、iq,再通过 LPF 滤波得到其基波有功分量和基波无功分量,在稳态情况下均为直流信号。作为动态补偿的无功电流参考值iqref,通过控制补偿装置就可发出负荷所需的无功功率,减少无功在系统中的流动。由于在动态补偿时补偿电流的时变性和系统存在的各种损耗,直流电压将会产生大的波动而使补偿系统无法正常工作。因此必须通过装置与交流系统的有功交换控制直流侧电容电压在其正常范围之内,通常采用PI控制方法确定装置应从系统吸收的有功电流(或有功功率)参考值。

  图3 ip-iq检测方法原理图

式中

  4.2 DSTATCOM内环控制策略

  内环控制是DSTATCOM装置的控制核心,配电网补偿装置一般容量较小,对其响应速度有较高的要求,本文内环控制器采用预测电流控制的策略,主要是利用当前采样时刻的状态信息,预测下一个采样周期补偿电流的轨迹,从而确定逆变器的开关函数,使补偿电流跟随电流参考值变化。其数学模型是

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