APF和SVG聯(lián)合運行的穩(wěn)定控制

1、APF和SVC聯(lián)合運行的穩(wěn)定控制1 引言隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，接人電力系統(tǒng)的非線性負荷的數(shù)量和容量正迅 速增加，電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴重。另外，大多數(shù)負載的功率因數(shù)很低，也給電 網(wǎng)帶來了額外負擔，影響了供電質(zhì)量。因此，抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電 子技術(shù)、電氣自動化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題。補償無功和諧波治理有多種方式，本文從經(jīng)濟性和補償性能兩方面綜合考慮，采 用有源電力濾波器(APF)+靜止無功補償器(SVC)的方式來同時進行諧波治理和補償無功。 對于單獨的APF控制或單獨的SVC控制的研究已有很多，但是對于APF和SVC聯(lián)合運 行的穩(wěn)定控制研究在文獻中還不

2、多見。本文將研究APF和SVC聯(lián)合運行中的相互影響 問題及其提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的策略。2電路結(jié)構(gòu)分析本文中SVC采用固定電容與晶閘管控制電抗器(FCC+TCR)的組合形式。APF的控 制方式主要有3種:負載電流前饋控制、電源電流反饋控制、復合控制(即同時采用負載 電流前饋和電源電流反饋的控制)。由于復合控制性能最好且包含了前面 2 種控制方法， 因此最具普遍性。對于SVC控制而言，由于SVC的電容、電感參數(shù)會受到環(huán)境、溫度、 老化等因素的影響，為保證SVC的控制性能，一般采用電源電流反饋控制;兼顧到系統(tǒng) 的動態(tài)性能，SVC采用復合控制的方法。APF則以復合控制為基礎(chǔ)，當只需要負載電 流前饋控制時把

3、電源電流反饋斷開即可，反之亦然。3 APF和SVC聯(lián)合運行的控制策略和仿真結(jié)果本文研究主要在三相四線制的電網(wǎng)中進行,不過本文結(jié)論同樣適用于三相三線制的 電網(wǎng)。主電路如圖 1 所示。圖1 主電路本文中的SVC采用三角形接法,SVC的控制是面向負載的控制方法,即補償負載的 無功、補償三相負載的不平衡。SVC采用PI調(diào)節(jié)器，再加上一個觸發(fā)電路前端的線性化 環(huán)節(jié)。APF有2個控制閉環(huán):電流環(huán)和直流電壓環(huán)。APF的電流環(huán)采用無差拍控制，脈寬 調(diào)制(PWM)波的產(chǎn)生采用空間矢量調(diào)制的方式，開關(guān)頻率為10kHz。在分析APF與SVC 的互相作用時，由于APF的開關(guān)頻率很高，可以認為APF的電流環(huán)可以理想地跟

4、蹤參考 電流。APF工作時需要維持一定的直流母線電壓，這是由直流電壓環(huán)控制APF從電網(wǎng)吸 收一定的基波有功電流來實現(xiàn)的。這一基波有功電流的大小由 APF 工作時的電路損耗 來決定,而電路損耗的能量與系統(tǒng)容量相比很小,因此用于直流電壓控制的基波有功電流 比系統(tǒng)的基波電流小得多，基本上可忽略不計。在APF直流電壓的控制環(huán)穩(wěn)定的條件 下,APF直流電壓的控制對APF的動態(tài)響應基本沒有影響。這樣,APF的動態(tài)特性就由電 流檢測的環(huán)節(jié)來決定。當APF采用負載電流前饋控制時,系統(tǒng)在dq旋轉(zhuǎn)坐標下的單相 等效控制框圖如圖2所示。圖2 等效控制框圖這里APF采用的檢測方法是Ip-Iq的負載電流檢測中dq旋轉(zhuǎn)變

5、換后面所加的低通 濾波器為帶寬10Hz的二階巴特沃思低通濾波器，因此整個APF環(huán)節(jié)等效于該二階巴特 沃思低通濾波器。圖中G1(s),G2(s)分別等效于SVC的負載電流檢測、電源電流檢測中 所用的帶寬為10Hz的二階巴特沃思低通濾波器。1/(1+Ts)部分代表TCR觸發(fā)控制所 造成的延遲圈，由于這里采用的是可以補償負載不平衡的算法,TCR的三相觸發(fā)不對稱， 因此相當于3個單相的TCR控制，此時T值一般取電網(wǎng)周期的1/4，即 5ms。3. 1設(shè)計SVC控制器時考慮APF的影響考慮到投人APF的影響，重新設(shè)計SVC的PI控制器為0. 3+18. 85/s，這樣，沒 有投人APF的情況下，系統(tǒng)的剪切

6、頻率為3 Hz，相位裕度為75。投人APF之后，系 統(tǒng)的剪切頻率為3 Hz，相位裕度為50。因此在這種情況下，無論APF是否投人，系 統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。仿真結(jié)果如圖 3 所示。圖 3TCR 晶閘管觸發(fā)角的仿真模型上面的仿真中0. 6 s時投入APF ,1 s時負載發(fā)生突變擾動后（整流負載的觸發(fā)角 由 10變?yōu)?60） ,SVC 系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定工作。3. 2提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的方法圖3很清楚地表明，APF對SVC的影響主要由APF電流檢測中的濾波器特性決 定。當采用通常的Id-Iq法來檢測諧波電流時，在靜止坐標系中APF相當于中心頻率 為 50 Hz 的一個帶通濾波器，這個等效帶通濾波器的帶寬就是

7、電流檢測中的低通濾波 器帶寬，而SVC就是要對50 Hz的基波無功進行控制，因此SVC與APF之間的耦合就 較嚴重。為了減弱APF對SVC的影響，需要對APF這一等效帶通濾波器進行改造。經(jīng) 過分析，考慮采用“只檢測需要補償?shù)闹C波”的檢測方法。對電源電流進行檢測（即采 用電源電流反饋控制），檢測的諧波次數(shù)為3,5,7,9,11,13,15,17,19,21，這樣，APF就 相當于以上述各次諧波為中心的多頻帶陷波器，該多頻帶陷波器的中心頻率距離50Hz 比較遠，所以對50 Hz的基波的動態(tài)特性基本上沒有影響，從而消除了 APF對TCR的 影響。當APF采用上述檢測方法時，電路在dq旋轉(zhuǎn)坐標下的單相

8、等效控制框圖如圖4 所示。| 55 15id電31| 55 15id電31電茨API環(huán)節(jié)圖4 單相等效控制框圖圖5是PI調(diào)節(jié)器采用2. 1節(jié)中的參數(shù)，即1+62. 8/s, APF采用上述檢測方法， 投人APF之后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。10I40 r10I40 r：-2D-皿圖5 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖由圖5可知，此時系統(tǒng)的剪切頻率為10 Hz，相位裕度30，與投人APF前一樣。 因此，采用這種新的檢測方法后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性能沒有任何影響。綜上，由仿真可知，采用了“補償特定次數(shù)的諧波”的檢測方式后，基本上消除 了 APF對SVC的影響。4 結(jié)語1)SVC控制器的設(shè)計要考慮到APF的影響，