1140V-DSTATCOM的控制系統(tǒng)研究

PAGE18PAGEI1140VDSTATCOM的數(shù)學(xué)模型ModelingOFDSTATCOMin1140VofLowVoltage摘要:隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，采煤機(jī)械設(shè)備功率大幅度增加，供電距離不斷加長(zhǎng)，這些都使系統(tǒng)中的無(wú)功缺損加大，導(dǎo)致井下供電質(zhì)量下降。因此，對(duì)煤礦井下進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償至關(guān)重要。本文主要對(duì)1140V電壓等級(jí)下DSTATCOM控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了靜止同步補(bǔ)償器在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真工具建立了DSTATCOM的仿真模型，仿真了在恒定感性負(fù)載、變化的感性負(fù)載，以及在恒定容性負(fù)載和負(fù)載由感性到容性變化的情況。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型在恒定負(fù)載下具有良好的補(bǔ)償效果，并且在負(fù)載性質(zhì)發(fā)生變化以及突加負(fù)載和突甩負(fù)載情況下具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和良好的跟蹤能力。驗(yàn)證了本文所述模型的正確性和有效性。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器；MATLAB仿真；Abstract:Withtherapiddevelopmentofmoderncoalmine,themechanizationdegreerisesfast,thepowerofminingmachineryequipmentgreatlyincreases,andthedistanceisextendedfromthepowersupply,whichresultinginthedeteriorationofpowersupplyqualityandreactivedefects.Therefore,thereactivecompensationisessentialforthecoalmine.ThethesiscreatesthesimulationmodelofDSTATCOMusingMATLAB/Simulinksimulationtool.Itsimulatesthesituationsinconstantinductiveload,inductiveloadchanges,theconstantcapacitiveloadandtheloadchangeingfromtheinductivetocapacitive.SimulationresultsshowthatthecontrolsystemofDSTATCOMhasgoodcompensationeffectinconstantload,andhasexcellenttransientstabilityinchangeingloadandsuddenaddingorsuddenrejectingload.ControlmethoddescribedinthisarticledemonstratethecorrectnessandThesimulationresultsprovethecorrectnessandeffectivenesofthecontrolstrategy.Keywords:DistributionStaticSynchronousCompensator；MATLABsimulation碩士學(xué)位論文6總結(jié)與展望PAGE191引言隨著現(xiàn)代化礦井快速發(fā)展，井下機(jī)械化程度不斷提升，采煤機(jī)械設(shè)備功率大幅度提高及供電距離不斷加長(zhǎng)，我國(guó)煤礦井下工作面供電電壓等級(jí)也相應(yīng)地逐步提高，1140V電壓等級(jí)已成為我國(guó)煤礦井下的主要供電電壓等級(jí)之一。井下1140V電壓等級(jí)下所帶的用電設(shè)備大多是感性負(fù)荷，如采煤機(jī)、絞車、皮帶機(jī)等，各種感性負(fù)荷與電網(wǎng)供電電源之間必然循環(huán)著大量無(wú)功功率，無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)的影響主要有以下幾個(gè)方面：(1)功率因數(shù)降低，設(shè)備容量利用少。(2)增大線路和變壓器的電壓降，對(duì)于沖擊性的無(wú)功功率負(fù)載來(lái)說，還可能使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重降低供電質(zhì)量，造成電機(jī)啟動(dòng)困難或頻繁燒毀,特別是在大功率電動(dòng)機(jī)使用上表現(xiàn)尤為明顯。(3)增加設(shè)備的容量。(4)設(shè)備及線路損耗增加。由此可以看出，大量無(wú)功功率的存在，會(huì)造成井下供電質(zhì)量惡化，同時(shí)無(wú)功損耗帶來(lái)電能浪費(fèi)嚴(yán)重。煤礦井下使用無(wú)功補(bǔ)償裝置，其作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：(1)提高供用電系統(tǒng)和負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗；(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓。(3)抑制諧波，凈化電網(wǎng)；(4)減少電氣事故率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。經(jīng)過無(wú)功補(bǔ)償后，系統(tǒng)電流下降，所有電氣設(shè)備承受實(shí)際電流減少，減少了因電流大造成各類電氣事故的幾率。然而，現(xiàn)階段對(duì)煤礦井下動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究很少，對(duì)井下配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）裝置的研究還處于初始階段。目前，煤礦井下投入使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置大多是TCR或TSC,長(zhǎng)期以來(lái)，這些功率補(bǔ)償裝置在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在可靠性低，響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，且不能很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)功雙向動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊?。而DSTATCOM因其響應(yīng)速度快，能對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行雙向動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而成為現(xiàn)代靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究的熱點(diǎn)。2DSTATCOM數(shù)學(xué)建模2.1概述(Introduction)煤礦井下供電系統(tǒng)的生產(chǎn)負(fù)荷，一般都處于供電網(wǎng)絡(luò)的最末端，其用電設(shè)備大部分都是由1140V低壓系統(tǒng)供電。因此，用電負(fù)荷變化較大，功率因數(shù)只有0.6-0.7,有時(shí)甚至更低。井下各用電設(shè)備長(zhǎng)期在功率因數(shù)較低的情況下運(yùn)行,電網(wǎng)的線路損耗所造成能源浪費(fèi)極大。隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的裝機(jī)功率都達(dá)1000kW以上。而且，由于工作面走向增加，導(dǎo)致供電距離加長(zhǎng)，這些，都使系統(tǒng)中的無(wú)功損失加大。同時(shí)，因設(shè)備容量大、供電距離遠(yuǎn)、設(shè)備起動(dòng)力矩降低的問題也無(wú)法解決。因此，提高功率因數(shù)，選用最佳的無(wú)功補(bǔ)償是至關(guān)重要的。以某礦綜采工作面變電站低壓側(cè)連接設(shè)備為例,變壓器容量630kVA,二次側(cè)額定電壓1140V，負(fù)載參數(shù)見表1。表1負(fù)載參數(shù)表Table1Tableofloadparameter負(fù)載數(shù)量設(shè)備容量/kW功率因數(shù)皮帶機(jī)1臺(tái)75*20.65絞車1臺(tái)1800.65備用——————(1)膠帶機(jī)、絞車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備容量為330kW，線路電流；(2)當(dāng)只有皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備容量為150kW，線路電流；將DSTATCOM裝置安裝在煤礦井下低壓側(cè)1140V的供電系統(tǒng)如圖1所示：無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝在低壓饋電開關(guān)的輸出端（或井下皮帶運(yùn)輸機(jī)或其它用電設(shè)備的開關(guān)的前級(jí)）。圖1DSTATCOM安裝位置Figure1InstallationsiteofDSTATCOM2.2DSTATCOM數(shù)學(xué)模型(MathematicalModelingofDSTATCOM)研究模型前，在不影響準(zhǔn)確性的前提下，通常作以下假設(shè)：（1）電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為三相對(duì)稱的純正弦波電動(dòng)勢(shì)；（2）A，B，C三相電路參數(shù)對(duì)稱，且系統(tǒng)中的電感、電容等都是線性的，不考慮飽和。(3)將系統(tǒng)中的其它有功和無(wú)功損耗(例如功率器件的發(fā)熱等)全都折合疊加到阻抗支路上。（4）為簡(jiǎn)化一般數(shù)學(xué)描述，可忽略開關(guān)函數(shù)描述模型中的高頻分量，即只考慮其中的基波分量。2.2DSTATCOM其等效電路圖如圖2。其中，分別為電網(wǎng)側(cè)三相電壓，為DSTATCOM向電網(wǎng)提供的三相補(bǔ)償電流。分別為逆變器輸出的三相電壓，L為交流側(cè)濾波電感，R為連接電感等效電阻和功率開關(guān)管損耗等效電阻的和。圖2DSTATCOM的等效電路Figure2EquivalentmodelofDSTATCOM采用開關(guān)函數(shù)法研究DSTATCOM的數(shù)學(xué)模型，其逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Figure3Topologystructureofinverter首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)：(2-1)根據(jù)基爾霍夫電壓定律，a相回路方程為：(2-2)當(dāng)上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)斷時(shí)，。當(dāng)上橋臂關(guān)斷而下橋臂導(dǎo)通時(shí)，。由于，式2-2可改寫成(2-3)同理，可以得到b相和c相的回路方程：(2-4)(2-5)對(duì)于一個(gè)三相對(duì)稱系統(tǒng)，有：(2-6)(2-7)聯(lián)立式(2-3)到式(2-7)，可以得到：(2-8)直流側(cè)電流可以描述為：(2-9)聯(lián)立以上各式，可得DSTATCOM在三相靜止坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)模型：(2-10)主要參數(shù)為裝置的等值電感L，等值電阻R（代表?yè)p耗），DSTATCOM直流側(cè)電容參數(shù)C及其電壓?？刂屏繛?，改變就可以控制DSTATCOM產(chǎn)生電流的大小和方向，從而控制DSTATCOM產(chǎn)生的無(wú)功功率的大小和性質(zhì)。2.2本文采用等功率坐標(biāo)變換，遵循變換前后系統(tǒng)功率不變。有變換矩陣和（2-11）（2-12）設(shè)三相電路電壓及電流分別為：（2-13）（2-14）式中，——相電壓的峰值；——相電流的峰值。由式（2-11），將三相abc坐標(biāo)系下的電壓電流量分別變換至αβ坐標(biāo)系可得：（2-15）（2-16）經(jīng)變換后，可得DSTATCOM在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：（2-17）式中，，2.2經(jīng)過Park變換后，空間矢量以電網(wǎng)角頻率ω速度旋轉(zhuǎn)。假設(shè)坐標(biāo)的軸在初始時(shí)刻和電網(wǎng)電壓矢量重合，則靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換如圖4。從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為:（2-18）（2-19）式中，。圖4αβ/dq的坐標(biāo)變換Figure4Coordinatetransformofαβ/dq經(jīng)變換后，可得DSTATCOM在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：（2-23）式中，，3模型的仿真驗(yàn)證與分析3.1仿真模型的建立圖5DSTATCOM仿真模型Figure5SimulatesystemofDSTATCOM為了驗(yàn)證文中的控制方法，利用美國(guó)MATHWORKS公司的仿真軟件MATLAB7.0進(jìn)行仿真分析。DSTATCOM的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。具體的仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)相電壓峰值：；頻率：均為50Hz；相位：根據(jù)三相對(duì)稱依次設(shè)為；直流側(cè)電容電壓給定值：；直流側(cè)電容值：；交流側(cè)連接電感值：；裝置額定無(wú)功功率：400kVar；整個(gè)系統(tǒng)分為三部分：主電路，測(cè)量電路和控制器部分。主電路主要由三相電壓源、連接電抗器、三相橋式電壓源型逆變器、直流側(cè)電容以及三相負(fù)載組成，其中交流側(cè)的三相負(fù)載可以通過斷路器投切來(lái)模擬其動(dòng)態(tài)變化情況。測(cè)量電路主要用于測(cè)量交直流側(cè)的電壓、電流。在該DSTATCOM模型中，控制器是其核心部件，它主要包括電量轉(zhuǎn)換、電流調(diào)節(jié)、電容電壓調(diào)節(jié)和SVPWM波生成四個(gè)模塊。如圖6至9所示。圖6電量轉(zhuǎn)換模塊Figure6Electricalparameterstransformationblock圖7電流調(diào)節(jié)模塊Figure7Currentadjustmentblock圖8電容電壓調(diào)節(jié)模塊Fig8Voltageadjustmentblock圖9SVPWM波生成模塊Fig.9SVPWMpulsesproductionblock3.2仿真結(jié)果分析(SimulationResultsAnalysis)本仿真主要驗(yàn)證在恒定感性負(fù)載及負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)DSTATCOM的無(wú)功補(bǔ)償性能；為了更全面的驗(yàn)證DSTATCOM的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能，另外還仿真了負(fù)載為容性以及負(fù)載由感性變?nèi)菪詴r(shí)的補(bǔ)償能力和無(wú)功負(fù)荷的跟蹤能力。先給出逆變器輸出的相電壓與線電壓波形，如圖10所示：（a）相電壓波形（b）線電壓波形圖10逆變器輸出的相電壓和線電壓波形Figure10Outputvoltageofinverter3.2.1假設(shè)只有皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備容量為150kW。在第一個(gè)工頻周期（0.02s內(nèi)），為直流側(cè)電容充電時(shí)間，0.02s時(shí)刻，DSTATCOM裝置投入運(yùn)行。仿真波形如圖11所示。圖（a）為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形；圖(b)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形，圖(c)為電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM產(chǎn)生的電流的波形。通過比較可以看出，投入裝置前，由于系統(tǒng)所帶的三相負(fù)載為感性負(fù)載，需要從電網(wǎng)側(cè)吸收感性無(wú)功，致使系統(tǒng)電流滯后于系統(tǒng)電壓，功率因數(shù)很低，僅為0.65；在投入DSTATCOM裝置之后，裝置輸出滯后于系統(tǒng)電壓900的無(wú)功電流，提供了負(fù)載所需要的感性無(wú)功電流，即在DSTATCOM裝置投入運(yùn)行后，負(fù)載所需要的無(wú)功電流不必由電源提供而由DSTATCOM裝置提供。大約在半個(gè)周波后，系統(tǒng)電流和電壓同相位，系統(tǒng)電流變?yōu)榧冇泄﹄娏?，而且電流幅值明顯減小。圖（d）為直流側(cè)電容電壓波形圖，可以看出，0.02s后，電壓幅值穩(wěn)定在給定值2300V附近，說明了電容電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)直流電壓的穩(wěn)定作用；圖（e）和圖（f）為有功電流和無(wú)功電流的跟蹤效果圖，有功電流給定值為負(fù)載有功電流和直流側(cè)電容波動(dòng)和開關(guān)器件的通斷所帶來(lái)的有功電流的和，無(wú)功電流給定值為0，補(bǔ)償效果說明電壓和電流環(huán)的跟蹤效果都是良好的。（a）補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(b)補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(c)電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM電流波形(d)直流側(cè)電容電壓波形(e)有功電流跟蹤效果（f）無(wú)功電流跟蹤效果圖11感性負(fù)載下仿真波形Figure11Simulationwaveformswithinductiveload3.2.2(1)0.1s前，只有皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備容量為150kW，線路電流；(2)0.1s時(shí)刻，再投入膠帶機(jī)負(fù)載，膠帶機(jī)、絞車同時(shí)運(yùn)行，設(shè)備容量為330kW，線路電流；(3)0.2s時(shí)刻，切除所有負(fù)載，系統(tǒng)空載運(yùn)行。仿真波形如圖12所示。(a)補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(b)補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(c)系統(tǒng)電壓和DSTATCOM電流波形(d)直流側(cè)電壓電壓波形(e)有功電流跟蹤效果(f)無(wú)功電流的跟蹤效果圖12負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)的仿真波形Figure12Simulationwaveformsofdynamicvariationload圖12所示，圖（a）為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形；圖(b)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形，圖(c)為電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM產(chǎn)生的電流的波形。通過比較可以看出，在0.1s時(shí)刻突加負(fù)載時(shí)，DSTATCOM裝置可以快速跟蹤負(fù)載變化，過渡過程很小，大約經(jīng)過一個(gè)周波后，裝置輸出電流波形穩(wěn)定，從而使系統(tǒng)電壓和電流達(dá)到同相位。在0.2s時(shí)突甩負(fù)載，此時(shí)為空載運(yùn)行，可以看出，系統(tǒng)電流幾乎為0。逆變器的狀態(tài)由感性運(yùn)行轉(zhuǎn)變到備用狀態(tài)，也就是說，DSTATCOM裝置既不從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率，也不向系統(tǒng)注入無(wú)功功率。圖（d）為直流側(cè)電容電壓波形圖，可以看出，0.1s前，電壓幅值穩(wěn)定在給定值2300V附近，說明了電容電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)直流電壓的穩(wěn)定作用；0.1s時(shí)刻，突加負(fù)載，在此過程中，直流側(cè)電壓有小幅度的波動(dòng)，但很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；0.2s后，空載運(yùn)行，直流側(cè)電壓下降。圖（e）和圖（f）為有功電流和無(wú)功電流的跟蹤效果圖，0.1s時(shí)刻，突加負(fù)載，有功電流給定值增大，DSTATCOM發(fā)出的有功無(wú)功值能快速跟蹤其變化并且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明其在負(fù)載變化時(shí)內(nèi)外環(huán)的跟蹤效果都是良好的。3.2.3仿真波形如圖13所示。圖（a）為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形；圖(c)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形，圖(e)為電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM產(chǎn)生的電流的波形。通過比較可以看出，由于三相負(fù)載為容性負(fù)載，在投入DSTATCOM裝置前，需要系統(tǒng)提供容性無(wú)功來(lái)滿足運(yùn)行要求，致使系統(tǒng)電流超前于電網(wǎng)側(cè)電壓，功率因數(shù)很低，僅為0.65,圖(b)所示；投入裝置后，裝置輸出超前于系統(tǒng)電壓900的無(wú)功電流，提供了負(fù)載所需要的容性無(wú)功電流。也就是說，DSTATCOM投入運(yùn)行后，不必由電源提供負(fù)載所需要的無(wú)功電流，而是由DSTATCOM裝置提供這個(gè)容性無(wú)功電流。大約在半個(gè)周波后，功率因數(shù)為1，如圖(d)系所示。系統(tǒng)電流和電網(wǎng)側(cè)的電壓同相位，也就是說系統(tǒng)電流變?yōu)榧冇泄﹄娏?，并且電流得幅值也明顯減小了。圖（f）為直流側(cè)電容電壓波形圖，可以看出，，電壓幅值穩(wěn)定在給定值2300V附近，說明了電容電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)直流電壓的穩(wěn)定作用；圖（g）和圖（h）為有功電流和無(wú)功電流的跟蹤效果圖，有功電流給定值為負(fù)載有功電流和直流側(cè)電容波動(dòng)和開關(guān)器件的通斷所帶來(lái)的有功電流的和，無(wú)功電流給定值為0，補(bǔ)償效果說明兩個(gè)控制環(huán)的跟蹤效果良好。(a)補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(b)補(bǔ)償前功率因數(shù)(c)補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形(d)補(bǔ)償后功率因數(shù)(e)DSTATCOM電壓和電流波形(f)直流側(cè)電容電壓(g)有功電流的跟蹤效果(h)無(wú)功電流的跟蹤效果圖13容性負(fù)載下仿真波形Figure13Simulationwaveformswithcapacitiveload3.2.4仿真設(shè)定：在0.1s前，DSTATCOM投入運(yùn)行，負(fù)載為感性；在0.1s時(shí)刻，裝置仍舊運(yùn)行，只是將負(fù)載由原來(lái)的感性變?yōu)槿菪载?fù)載。仿真波形如圖14所示。圖（a）為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形；圖(b)為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形，圖(c)為電網(wǎng)側(cè)電壓和DSTATCOM產(chǎn)生的電流的波形。通過比較可以看出，在0.1s時(shí)刻前，由于負(fù)載為感性，需要系統(tǒng)提供感性無(wú)功，裝置輸出滯后于系統(tǒng)電壓900的無(wú)功電流，系統(tǒng)電流和電網(wǎng)側(cè)電壓同相位，其變?yōu)榧冇泄﹄娏?，而且可以看出，電流的幅值明顯減小了。在0.1s時(shí)刻，將負(fù)載由感性狀態(tài)切換到容性狀態(tài)，可以看出，裝置輸出的電流也很快由感性電流變?yōu)槿菪噪娏鳌＝?jīng)過不到一個(gè)周期的過渡時(shí)間，系統(tǒng)的電流依然是純有功電流。同樣地，圖（d）為直流側(cè)電容電壓波形圖，在t=0.1s時(shí)，由于負(fù)載的性質(zhì)發(fā)生了變化，直流側(cè)電壓有一個(gè)小擾動(dòng)，但是經(jīng)過短暫的過渡過渡過程后，其電壓穩(wěn)定在給定值2300V附近。圖（e）和圖（f）為有功電流和無(wú)功電流的跟蹤效果圖。仿真結(jié)果表明，DSTATCOM不但具有較高的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償性能，而且對(duì)負(fù)載性質(zhì)的突變也具有較快的響應(yīng)速度以及較好的暫態(tài)穩(wěn)定性。(a)補(bǔ)償前電網(wǎng)電壓和電流波形(b)補(bǔ)償后電網(wǎng)電壓和電流波形(c)系統(tǒng)電壓和DSTATCOM電流波形(d)直流側(cè)電容電壓波形(e)有功電流的跟蹤效果（f）無(wú)功電流的跟蹤效果圖14負(fù)載性質(zhì)變化時(shí)仿真波形Figure14Simulationwaveformswhenloadischarged4小結(jié)(Summary)本文建立了114