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链式SVG仿真测试

静止无功发生器,英文描述为:Static Var Generator,简称为SVG,又称高压动态无功补偿发生装置或静止同步补偿器,是指由全控器件组成的变流器来进行动态无功补偿的装置。相较于其他结构SVG,链式SVG结构简单、易于扩展和模块化、可实现分相控制及冗余运行[1]。


链式SVG由多个子模块级联组成,不需要变压器,经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器功率单元包含直流电容和逆变桥两个部分,常见子模块为半桥型、全桥型等,开关器件采用全控型IGBT、GTO等。工作中,通过调节逆变桥中电力电子器件的开关,可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位,因此,整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功,可以快速发出大小相等、相位相反的无功,实现无功的就地平衡,保持系统实时高功率因数运行。


基于此特性,链式SVG广泛应用于大功率风电场、冶金等应用场所。近年来,对于链式SVG的拓扑和控制研究正成为高等院校和工业领域的研究热点。


基于StarSim的解决方案



链式SVG的任意拓扑小步长实时仿真

链式SVG组成部件多(多子模块、电压电流传感器),控制复杂,想要搭建出多级的完整实物系统比较困难。因此目前许多链式SVG的研究工作是通过仿真来进行。而对象仿真主要有两种方法,离线仿真和实时仿真。实时仿真是一种通过实时运行数学模型来模拟物理系统行为的技术,科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证。实时仿真测试是一种比离线仿真更接近真实工况的研究方法,因此得到了越来越广泛的应用。


远宽能源(ModelingTech)推出了基于FPGA的StarSim实时仿真器,其特点是可以任意搭建电力电子拓扑,同时可以实现基于FPGA的1微秒小步长实时仿真。这样的实时仿真器特别适合于研究人员来进行各类新型链式SVG拓扑研究或者通过实时仿真来验证所提出的新的链式SVG控制策略。


应用实例



三相九电平链式SVG系统

本文以四个全桥子模块级联的链式SVG系统为例,利用远宽能源提供的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实时仿真测试。系统的具体拓扑如下,其为一三相九电平链式SVG系统,每相分别含有4个全桥子模块(FBSMs)。


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图1 九电平SVG系统拓扑


图中,FBSM为Full-bridge sub-module的简写,具体的内部结构如下图:


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图2 SVG全桥子模块



注:①此系统虽然仿真的是全桥结构,但实时仿真系统本身并没有对拓扑有任何限制或预先假设,即用户可以很方便地在此平台上搭建和仿真其它新型拓扑。

②图1中的SVG系统一共含有84个关键元件(其中48个开关、其它为L、C、电源等),对于此系统,StarSim实时仿真软件目前最小可以0.7975微秒的步长实时仿真运行。


实时仿真测试系统

实时仿真系统的照片如下图所示,下图左边的白色机箱是实时仿真器,它的FPGA上按1微秒的仿真步长实时运行着三相九电平的链式SVG系统数学模型;右边的白色机箱是链式SVG的原型控制器,它运行着变流器控制、电容均压、链式SVG的PSPWM(Phase shift PWM)脉冲发生等控制算法[2]。实时仿真器和原型控制器通过真实的物理I/O互联。


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图3 实时仿真系统


链式SVG控制算法

链式SVG各功率单元直流电容相互独立,受元件参数、逆变桥损耗、脉冲延时等差异的影响,直流侧电容电压不平衡成为必须解决的问题,否则会对装置的输出谐波特性产生不利影响,严重时某些链节可能过压,影响装置安全[2]。因此,寻找快速有效的均压方法非常重要。此链式SVG实验采用的整体控制策略参考文献[3],如下图所示:


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图4 链式SVG控制策略


链式SVG的实时仿真结果

如下是利用实时仿真器的上位机软件截取的三相前两个全桥子模块共六个子模块对应高压直流电容的电压波形,可以看到,三相的六个电容电压均压都控制在2000V,纹波(peak-to-peak ripple)处于正常范围,控制算法实现了模块间的电压均衡控制。


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如下是利用实时仿真器上位机软件截取的A相相电压和相电流波形,可以看到,电压和电流的相位相差整90度。


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如下是利用原型控制器上位机软件截取的系统Active power和Reactive power的波形,可以看到,无功功率被控制在设定的3MVA,有功功率被控制在0,达到控制要求。


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如下示波器波形展示的是其中一个全桥子模块内部一个IGBT的PWM脉冲,可以看到,PWM脉冲的宽度根据参考波在实时调整:


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如下示波器波形,展示的是链式SVG系统网侧的端点电压,可以看到基于FPGA的小步长仿真很好地反映了系统的特性,即清晰的阶梯状电压波形,和真实的SVG系统响应一致:


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参考文献:

[1] Hanson D J, Woodhouse M L, Horwill C, et al. STATCOM: A New Era of Reactive Compensa-tion[J]. Power Engineering Journal, 2002, 16(3): 151-160.

[2] 王廷凰, 查晓明. 链式SVG新型直流电压均衡控制方法[J]. 电力电容器与无功补偿, 2011(02):30-34+58.

[3] H. Akagi, S. Inoue and T. Yoshii, "Control and Performance of a Transformerless Cascade PWM STATCOM With Star Configuration," in IEEE Transactions on Industry A-pplications, vol. 43, no. 4, pp. 1041-1049, July-aug. 2007. doi: 10.1109/TIA.2007.900487

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