煤矿电网三相H桥串联型高压SVG的控制

1、煤矿电网三相H桥串联型高压SVG的控制王晓晨1 吴东兵 2 1合肥工业大学(宣城校区)信息工程系， 安徽 宣城2420002 合肥工业大学电气与自动化学院，安徽 合肥230009摘要：煤矿电网为提高供电电能质量，已普遍采用SVG进行动态无功补偿。本文对最为实用的三相H桥串联型高压SVG进行深入研究。首先分析其拓扑结构及基本工作原理，用电容代替附加直流电源。然后介绍载波移相的调制方式，给出控制系统的结构图，并详述控制原理和控制过程。采用无功电流闭环控制，省去了一般PWM整流器所带的直流电压控制闭环。最后用MATLAB仿真整个系统，仿真实验结果表明：此控制系统的稳态、动态性能均达到预期目标，完全可

2、用于工作现场。关键词：静止无功发生器；H桥串联；载波移相；无功电流控制；MATLAB仿真0 引言随着采掘、运输等煤矿机械自动化程度的提高，大量大功率的电动机和电力电子变流装置投入使用。这些用电设备对于煤矿供电系统产生了许多不利影响，如功率因数低、无功功率冲击、谐波电流大、供电损耗增加等。因此，为确保整个煤矿的供电质量，必须对电网的电能质量进行综合改善。SVG是静止无功发生器的英文缩写（Static Var Generator)，又称静止同步补偿器，主要功能是通过对电网的并网无功补偿，可以提高变电所进线侧的功率因数，使供电线路电压稳定、增加线路输出的有功功率。相对于传统的调相机、以晶闸管控制感性

3、电流的SVC（静止无功补偿器）等方案，SVG具有显著的优点。以前普通使用基于晶闸管电抗器的SVC对电网实施无功动态补偿，但是SVC有谐波分量大、运行效率低、体积大等缺点。所以近年来，煤矿电网已开始采用性价比更高的SVG。通常将SVG装置直接并接在6kv、10kv的电网中，所以SVG的容量比较大，电压等级比较高，一般多采用H桥串联的拓扑结构。H桥串联的SVG装置又分为有辅助直流电源及无辅助直流电源两类。本文对无辅助直流电源的H桥串联的SVG的控制策略进行了深入研究，给出系统的控制结构图、理论分析、以及仿真实验结果，旨在为煤矿电气工程类研究、技术人员提供理论参考。1、 无辅助直流电源的H桥串联SV

4、G的拓扑结构单相SVG的主电路如图1所示，Ed为辅助直流电源，全控器件v1v4工作在正弦波脉宽调制状态。v1v4的驱动脉冲是由参考正弦波ura和三角载波ut比较后生成，如图2所示，采用单极式调制，即载波ut为单极性信号。生成的4路脉冲信号为ug1、ug2、ug3、ug4，波形如图3所示。经分析，得到调制电路的输出电压uAB波形，uAB为脉冲序列波，uAB亦记为调制电压up。单个H桥的输出电压为三个电平：+Ed、0、-Ed。up的基波的相位与参考正弦信号ura相同，基波分量的幅值与ur的幅值成正比。改变ura的幅值就可以改变up基波分量的幅值。图1 单相SVG主电路图2 H桥驱动电路结构图1中，

5、ea为电源电压，其频率和幅值基本不变，若ura的频率与相位与ea相同，那么改变ura的幅值，即改变调制电压up的基波分量电压幅值，就可以改变交流电路电流ia的大小和相位。若忽略交流电路的电阻，则交流回路的电压平衡方程为 （1）若up的基波幅值小于ea的幅值，则ia滞后ea 90，为感性电流；若up的基波幅值大于ea的幅值，则ia超前ea 90，为容性电流。那么，改变up基波的幅值就可以改变网侧电流ia的大小和极性（感性或容性）。这就是SVG的基本工作原理。 多个H桥串联，可构成高压SVG装置，三相H桥串联SVG主电路拓扑结构如图4所示，每桥为2个H桥串联。通常根据母线电压以及全控器件的电压等级

6、不同来决定采用几个H桥串联。Ed通常用单相不控整流器提供，而单相桥的交流电源ua1、ua2，ub1、ub2，uc1、uc2来自同一台辅助变压器，此辅助变压器有多个二次绕组。目前，煤矿已有无辅助直流电源的H桥串联SVG装置投入使用。将图4中的辅助电源及二极管整流器撤去，即为无辅助直流电源的H桥串联SVG。它本质上是一个空载的单相PWM整流器。采用2个H桥串联的SVG的调制电压波形如图5所示，每个桥的调制电压为三电平，2个H桥串联的调制电压波形为五电平。为了减少调制电压以及交流侧电流的谐波分量，采用载波移相的方法。即若每相有n个H桥串联，则各H桥的载波电压ut相位依次移相360/n。在图4中，每相

7、有2个H桥串联，则两个H桥的载波电压ut1与ut2相位相差180。在图5中，给出第1个H桥（载波为ut1）的驱动脉冲波形以及H桥的调制电压up1波形，还给出第2个H桥的调制电压up2波形，以及总的调制电压up的波形。图3 单相SVG波形图4 三相H桥串联SVG拓扑结构2、三相H桥串联SVG控制系统的结构及原理三相H桥串联的SVG控制系统的结构如图6所示，HA1、HA2、HAn表示A相主电路的第一个H桥、第二个H桥、第n个H桥的框图，B相、C相亦如此。框图内的主电路同图4所示H桥电路。L为每相主电路里串联的电抗器。 2.1各控制单元（1） H桥驱动脉冲生成单元GA1、GA2、GAn分别是A桥各桥

8、的驱动脉冲生成电路，亦称为脉宽调制电路，如图2所示。波形分析如图3所示。GA1、GA2、GAn电路相同，正弦参考信号uprA相同，但载波信号的相位不同，ut1、ut2、utn等三角载波的相位依次相差2/n周期。单极性调制，调制原理如前所述。B相、C相的驱动脉冲生成电路与原理同A相。（2） 正弦参考信号的生成uprA、uprB、uprC为A、B、C各相脉宽调制电路的正弦参考信号，其幅值取自无功调节器AQR的输出量，其相位取自网侧A相电压uA的相位角t（经程序处理后为角，亦为三相电源电压合成的空间矢量电压的空间相位角）。那么，uprA、uprB、uprC分别与ABC三相电源电压uA、 uB、uC同

9、相。改变upm*只是改变参考信号的幅值,即改变H桥调制电压基波分量的幅值。（3） 无功电流环对无功电流iq采用闭环控制，无功电流调节器AQR为比例积分调节器，可实现无静差调节，还可提高动态跟随和抗扰性能。由于iq的偏差是靠改变调制电压up的基波幅值upm来调节的，所以无功调节器AQR的输出量作为upm的期望值。在电网输出感性无功时，其网侧电流滞后于电压，三相网侧电流对应的合成空间电流的无功电流分量iq为负极性。当电网输出容性无功时，iq为正极性，那么iq是双极性的量，同样，无功电流给定也是双极性的。当iq*为负极性时，表示期望的SVG系统提供无功电流为感性的，当iq*为正极性时，表示期望的SV

10、G系统提供的无功电流为容性的。此系统无需对电容两端直流电压做闭环控制。因为稳态时SVG几乎不消耗有功功率，故有功电流一直为0，直流侧电压就不会波动。这样有功电流也不需要加闭环控制。这与一般PWM整流器的电压电流双闭环矢量控制相比，结构更简化。（4） 角的检测角是SVG控制系统的重要物理量，它是电网A相电压的相位角，是0至2的不停变化的电角度。通过同步电路得到uA的正半周起始点，经过软件锁相程序的运行可得时变量角。有了准确的角就可以使三相调制电压的基波分量与电网电压同步。（5） iq的检测图6中，通过电流传感器得到三相网侧电流iA、iB、iC，经信号处理电路送给DSP芯片，经坐标变换得到网侧电流

11、空间矢量的两个分量id（有功分量）、iq（无功）。(2) 图5 两个H桥串联的SVG调制电压波形2.2无功电流调节过程（1）无功电流期望值iq*为负极性的调节过程当无功电流期望值iq*为负极性时，即为感性无功电流期望值，若实际的无功电流iq（亦为负极性）与iq*相等，AQR调节器的输入为i=iq*-iq=0,其输出upm为稳定的正极性值，与其对应的调制电压up的基波幅值小于电源电压幅值，电抗器上的压降为正极性，iA比电源电压uA滞后90。若iq*（负极性）增加，则AQR的输入i=iq*-i0,upm增加，调制电压基波幅值增加，电抗器上的压降减小，滞后的无功电流iq减小，直到新的稳定状态iq=i

12、q*，调节过程结束。当iq*=0时，iq=iq*=0，但此时AQR的输出并不等于零，与此值对应的调制电压up的基波幅值与电源电压幅值相等，电抗器上的工频压降为零。（2） 无功电流期望值iq*为正极性的调节过程在iq*、iq、upm均为稳定值时，iq*=iq，与upm对应的调制电压up的基波幅值比电源电压高，电抗器上的压降为负极性，iA比电源电压超前90。若iq*（正极性）增加，则AQR的输入i=iq*-i0,经AQR使upm增加（见图6），调制电压up的基波幅值增加，电抗器上的压降（负极性）增加，超前的无功电流增加，直到新的稳定状态iq=iq*，调节过程结束。若iq*（正极性）减小，则AQR的

13、输入i0,经AQR使upm减小，即调制电压up的基波幅值减小，电抗器上的压降（负极性）减小，超前的无功电流减小，直到新的稳定状态，调节过程结束。图6 三相H桥串联的SVG控制结构3、 系统仿真与分析为了验证图6给出的H桥串联SVG的控制结构是否正确，本文用MATLAB仿真软件对其进行了仿真。3.1 仿真系统原始数据（1）采用3个H桥串联；（2）直流侧滤波电容为1000uF；（3）交流侧串联电抗器的电感量为2mH，含直流电阻0.01；（4）SVG启动时，每相交流回路串10电阻，起动之后将电阻短接；（5）A相交流电压有效值2000V;（6）无功电流期望值iq*为正极性50A。图7 A相交流电压uA

14、与电流iA过渡过程波形3.2 仿真结果与分析（1）网侧A相交流电压uA与电流iA波形图7给出了网侧A相交流电压uA与电流iA在SVG起动过程与稳态时的过渡过程波形。受串联10电阻的限流作用，在整个起动过程中，iA几乎都小于200A(有效值）。起动初期，直流侧电容两端电压比较低，电阻和电感上的压降比较大，故电流iA的幅值比较大。随着直流侧电容上的压降上升，调制电压up的基波幅值升高，电阻上的压降下降，iA幅值减小。由后图8（c）可知，在0.3秒之前，单个H桥的电容两端的电压ud已达到1200V,调制电压见图8（b）up的幅值已很高，电阻电感上的压降很小，故iA幅值很小。在0.3秒时，串联的10电

15、阻被切除，网侧电流iA未有明显变化，很快达到稳态。在稳态状态，iA的相位超前于uA90，iA的幅值约为40A。根据iA、iB、iC合成空间电流矢量的概念，iA的有效值为29A(),合成的空间电流矢量的幅值为50A（)。由于ip=0A,故iq=50A。（2） 网侧电流无功分量iq、有功电流ip波形图8（a）给出网侧电流无功分量iq、有功电流id的过渡过程波形。在进入稳定状态后，id=0A,iq=50A.由于交流回路的电阻为0.01，29A的相电流有效值产生的损耗不到10w，故电流的有功分量id=0A。Iq=50A,与iq*相等，达到了iq*的要求。这说明SVG闭环控制系统是无静差调节系统。（3）

16、调制电压up波形图8（b）为3个H桥串联的调制电压up波形，含七个电平：即+3600V、+2400V、+1200V、0V、-1200V、-2400V、-3600V。（4） 直流侧电压ud波形图8（c）为一个H桥的直流电压ud波形，稳态时，ud约为1200V，且纹波很小。这说明无需直流侧电压闭环，仍然保持它的稳定。（5） 流经电容的电流ic波形图8（d）为流经电容的电流ic波形。ic极性为负说明对电容C充电，ic为正极性时说明电容器放电。当ud偏低时，ic的平均值为负，为充电趋势。当ud偏高时，ic的平均值为正，为电容放电趋势。当ic的平均值为零时，说明电容器两端的平均电压稳定不变，系统达到稳态

17、。由上所述，图6给出的控制结构可实现对H桥串联SVG的无功电流的控制，跟随性能良好，且未附设直流电源。（a）、波形（b）调制波形(c) 直流侧电容电压（d）直流侧电容电流波形图8 过渡过程波形4、 结论1） 对于煤矿电网使用的H桥串联的SVG系统，用电容代替附加直流电源是可行的，对无功电流的控制没有影响。这样可以简化主电路，降低SVG装置的造价。2） 经仿真验证，图6给出的三相H桥串联的SVG的控制结构正确可行。控制结构的几个技术要点为： （1）采用三角载波移相的脉宽调制技术实现的多电平逆变器能有效减少网侧电流的谐波分量。 （2）三相正弦参考信号的相位取决于网侧A相电源电压的相位角。 （3）三相正弦参考信号的幅值取决于