解决方案丨EasyGo链式SVG系统的实时仿真应用

   

电力系统中的无功补偿装置经历了从电容器、同步调相机到静止无功补偿装置（SVC）再到现今的静止无功发生器（SVG）的演进过程。这一发展体现了对于电网稳定性和能源效率的不断追求，为电力系统的可靠运行和可持续发展提供了重要支持。

   

链式SVG        

SVG又称为STATCOM，是一种基于大功率逆变器的动态补偿装置。它以大功率三相电压型逆变器为核心，输出电压通过连接电抗器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相。

装置通过调节输出电压与系统电压的关系来确定输出功率的特性，当幅值小于系统侧电压幅值时输出容性无功，大于时输出感性无功。

     

     

   

   

链式SVG是将自换相的桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流和谐波电流，从而实现动态无功补偿、谐波消除以及稳定交流母线电压的目的。

它可以省去笨重的变压器，显著降低成本，并缩小装置的体积。模块化设计也容易实现冗余运行，可以极大地提高装置运行的安全性，并降低维修难度。

而链式SVG的H桥级联逆变的调试策略的优劣，直接决定了输出电压电流中谐波的含量。同时，直流侧电容电压的平衡控制，也是确保SVG安全有效运行的关键。因此，建立有效的链式SVG仿真验证平台是进行控制特性研究的有效手段。

   

链式SVG电路拓扑      

     

     

   

   

链式SVG由基本功率单元直接串联叠加而成，每个单元模块均为H桥型单相逆变器。其优点是直流侧相互独立，不存在电容上的均压问题，不需要钳位二极管或者钳位电容，容易实现模块化，所以维护很方便。

同时，链式H桥结构控制方法简单，每个功率单元可以独立进行控制，通过增加H桥的串联个数，就能获得更多的电平，可以方便的提高输出电压等级和减少谐波含量。

EasyGo技术路线主要是基于FPGA进行开关精确建模的方式，在保证1us小步长仿真精度的前提下，尽量做到更多链式SVG单元模块的串联。

如下图Demo模型，为容量12MVA,10KV的链式SVG系统，交流电网侧为10kv母线，SVG每相由8个H桥模块级联而成，每个H桥承压1300V。主电路拓扑如下所示：

   

   

 

 

控制上外环控制电容电压(Id_ref)以及无功功率(Iq_ref)，内环采用电流控制实现电容均压以及相间平衡。

计算出调制波设定值后，采用载波移相来生成多路脉冲。（本文主要介绍链式SVG的主电路仿真，控制系统只采取通用简单的控制策略，不作过多研究。）

   

   

 

 

为考虑模型实时仿真的可行性，系统采用多个步长设置。整个电力电子电路系统的仿真步长为1e-6；而控制系统的控制周期设定为1e-4，也就是10Khz，载波频率设置在2000Hz。

   

   

 

 

可以看到，离线仿真结果能较好的跟随电压设定值以及无功设定值。

本文我们利用PXIBox来进行整个链式SVG的实时仿真。

我们将模型载入到DeskSim里面来快速分析模型的信息（DeskSim自带模型分析功能）。整个系统有135个关键元件，其中一共有96个开关器件，需要接收96路脉冲控制指令。

整个系统的主电路部分通过模型的部署，我们将主电路部分放至在其中一块FPGA上进行1.5us的实时仿真，CPU用来做控制算法运行，实时步长1e-4，另外一块FPGA用来做脉冲发生。

这样，利用PXIBox的多FPGA并行的独特优势，将控制系统和电路仿真系统通过物理IO对接起来，只使用一台PXIBox即可完成HIL+RCP的半实物仿真验证。

仿真架构如图所示：

   

   

 

 

由于本demo系统中只使用了一块FPGA HIL模块，数字输入通道的数量有限（可以通过扩展多块HIL板卡来完成IO的扩展），而本算法中单个H桥的上下管直接采取的是取反操作。因此，我们利用EasyGo FPGAcoder模块，对单个DI进行取反操作。

这样，我们只需要使用48路DI即可完成控制指令的接收，在有限的硬件资源下完成超出硬件资源的系统仿真应用。

具体模型搭建如下所示：

   

   

 

 

利用PXIBox，我们完成了以上链式SVG的demo实时运行。具体验证结果如下：  

   

   

 

 

链式SVG的实时仿真demo就为大家分享到这里了，欢迎感兴趣的工程师们留言交流。