一種新型svc控制系統(tǒng)的設計

一種新型svc控制系統(tǒng)的設計

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，變流裝置的應用越來越普遍。特別是大型變流裝置得到廣泛應用，尤其是大型變流裝置。它被廣泛應用于提升裝置、輥之間的電壓提升裝置和其他直流電壓擾動。它是能源系統(tǒng)中的主要電源。然而,這些裝置的運行,會造成系統(tǒng)功率因數(shù)低、電壓波形嚴重畸變等問題,直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量和其它用電設備的安全運行。靜止無功補償器(StaticVarCompensator,SVC)可以就地提供動態(tài)無功補償,是解決這些問題的經(jīng)濟有效辦法。其中,晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor,TCR)是目前應用比較廣泛的SVC裝置,在抑制電壓波動及改善功率因數(shù)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有可靠性好、性價比高的優(yōu)良性能。對TCR的控制策略方面還有待于進一步研究。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CPU實時、多任務并行處理,強大的算術(shù)運算功能等特點。特別適用于實現(xiàn)快速開閉環(huán)控制、邏輯控制、變流器控制等任務。本文在深入分析TCR控制系統(tǒng)的工作原理的基礎上,以晶閘管變流裝置用于礦井絞車拖動為負載,設計了一種基于雙閉環(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對控制系統(tǒng)進行設計與仿真,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裝置作理論準備。1晶閘管不導通圖1(a)為FC+TCR型SVC主電路圖。FC對于基波是容性無功補償裝置,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α在90°-180°之間變化時,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,晶閘管完全導通,I1最大;α=180°時,晶閘管全關(guān)斷,I1為零。因此,電抗器L中的電流是動態(tài)可調(diào)的。即α在90°-180°之間變化時,TCR向系統(tǒng)提供的滯后基波無功是動態(tài)可調(diào)的。由于負荷一般是感性的,設負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。晶閘管不導通時,SVC只有電容器組工作,特性如OA;當晶閘管全導通且只有TCR工作時,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)運行時提供凈感性無功功率。設電壓在Uref給定值上下波動,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)項目2.1基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標變換的電壓波形畸變檢測準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬時無功功率的變化,以確定SVC的無功功率補償量?QTCR,是決定SVC動態(tài)補償性能的前提。目前的SVC裝置比較多地運用基于瞬時無功功率理論的p、q算法檢測無功功率。p、q算法實現(xiàn)如下:將三相電路各相電壓瞬時值(ea、eb、ec)和電流瞬時值(ia、ib、ic)變換到兩相正交的α-β坐標系上,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。三相電路瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為矢量i在矢量e及其法線上的投影,即ip=icos?,iq=isin?。因而三相電路瞬時有功功率p和瞬時無功功率q為:然而,對于三相三線制電路,只要電網(wǎng)電壓波形畸變,不論三相電壓、電流是否對稱,p、q算法的檢測結(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)坐標變換法來檢測系統(tǒng)有功及無功功率。從電機工程的觀點來看,d、q矢量屬于同步轉(zhuǎn)子坐標系。假定同步電機定子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)子坐標系后,a、b、c三相有功電流相當于d軸繞組的直流分量,a、b、c三相無功電流相當于q軸繞組的直流分量。設三相不平衡波動性負荷的三相電流為iLa,iLb和iLc,在無中線時有式(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,分別對應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,對應于諧波分量?；o功分量Iq經(jīng)過Park逆變換和相關(guān)線性計算可得無功功率Q。無功功率Q檢測在Matlab中實現(xiàn)如圖2所示。采樣三相電壓瞬時值,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)的目標有:(1)當絞車啟動時,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)為一個響應速度較慢的功率因數(shù)閉環(huán)控制。其中系統(tǒng)無功功率基準值Qref=PL×tanφset,PL為負載有功功率。實際系統(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,補償電流將完全由電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號決定。調(diào)節(jié)單元還包括線性化函數(shù)、觸發(fā)角計算環(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,從而實現(xiàn)線性控制,引入一個非線性校正函數(shù),其表達式為:u為經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器出來的控制信號。其校正效果如圖4所示。本文采用線性插值法計算觸發(fā)角。在Matlab中利用Matlab/Simulink中的Look-upTable查表模塊實現(xiàn)。3fc對晶閘管閥的調(diào)諧系統(tǒng)中絞車負載模型如圖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)晶閘管對的兩側(cè),以防止當電抗器的兩端發(fā)生短路時,整個交流電壓加到晶閘管閥上而導致其損壞。FC中,每個電容串聯(lián)一個小電抗器,將電容器組調(diào)諧成針對某次諧波以及高次諧波的無源濾波器,以吸收負載和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。由于負載為晶閘管變流裝置用于礦井絞車拖動,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,最大步長為1e-3,相對誤差為1e-3。3.1諧波成分檢測圖6給出了電網(wǎng)電壓波形畸變時,用p、q算法和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標變換法得到的基波正序無功分量不同的檢測結(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算法檢測出的基波正序無功分量也含有諧波成分,檢測不準確。而用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標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)坐標變換法在電網(wǎng)電壓畸變時,也能準確實時地檢測出系統(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,絞車投入系統(tǒng),母線電壓波形如圖7所示。由圖7看出,絞車啟動過程的瞬間,母線電壓僅有較小的壓降,經(jīng)過約4-5個周期后電壓恢復為正常值?？梢?控制系統(tǒng)響應迅速,能夠在絞車啟動時平穩(wěn)電壓。在0.5s時,絞車給定電流突然增大,相當于絞車加速的過程。絞車給定電流、實際檢測電流,及負載輸入端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負載電流ILa、ILb、ILc增大,使得負載的瞬時無功功率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)所示是電壓檢測電路的輸出量。從圖中可以看出,在0.5秒時,電壓有微小的波動,但很快恢復原值?？梢?控制系統(tǒng)能夠及時調(diào)節(jié)負載無功功率沖擊引起的電壓波動,響應時間約5ms,調(diào)節(jié)時間約20-30ms。3.3ppt頻譜分析圖9(a)所示是補償前系統(tǒng)相電流及FFT頻譜分析結(jié)果,在沒有投入補償裝置前,系統(tǒng)相電流中諧波污染較為嚴重;圖9(b)所示是經(jīng)過SVC補償器后,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。可見,系統(tǒng)的FC參數(shù)設計合理,能夠很好地濾除負載及TCR補償電路產(chǎn)生的諧波。4采用雙閉環(huán)pid控制的tcr-fc型svc系統(tǒng)在基于瞬時無功功率理論的基礎上,本文用dq