ＳＴＡＴＣＯＭ控制策略與裝置結構設計

摘 要：基于現代電力系統對無功補償技術應用的迫切需要，對配電網靜止同步無功補償裝置（STATCOM）進行了相關研究。針對配電網STATCOM裝置級控制進行了分析，結合實際工程中等效電阻時變的特點，分析了簡化型無電阻反饋控制策略，采用空間矢量PWM（SVPWM）控制方法，設計了基于智能功率模塊IPM及雙DSP控制的配電網STATCOM裝置。

關鍵詞：控制策略；STATCOM裝置；分析；設計

中圖分類號：TP203文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）07-0334-02

1 STATCOM控制策略分析

1.1 STATCOM控制策略基礎

從控制策略上來講，可以分為三個層次：系統級，裝置級，器件級。這三個層次控制的邏輯關系如下圖所示：

控制目標系統級

裝置級

器件級

主電路驅動

圖1 控制層次邏輯關系

系統級控制主要是針對整個系統要實現的目標而言，因此輸電網STATCOM要比配電網STATCOM的系統級控制要復雜。我國清華大學研制的20Mvar STATCOM就是多目標系統級控制，其目標是提供無功功率、穩定母線電壓、提供系統阻尼，控制方法采用了模糊控制。對于配電網STATCOM來說，其實現的功能就是提供無功功率，進行就地補償，同時兼有穩定接入點電壓的功能。因此本文中系統級控制方式不予考慮，將系統級控制的輸出看作常量，表征無功補償參考輸入。

器件級控制就是驅動開關器件的控制，根據驅動脈沖的形狀分為方波控制和PWM波控制。PWM波由不同的方法產生，如空間矢量PWM，特定諧波消除PWM以及最平常的正弦調制SPWM等。

裝置級控制是系統級控制與器件級控制之間的一個橋梁，研究從脈沖控制結果到系統無功電流需求之間的模型與控制問題，亦即探討配電網STATCOM無功輸出電流與脈沖控制角之間的非線性關系，進而設計一定的控制規律使得裝置輸出能較好地滿足從系統角度提出的無功電流需求。

1.2 簡化型無電阻反饋控制方法

設定逆變器交流側相電壓的d，q軸分量分別為uId＝u1udc、uIq＝u2udc。原狀態方程可以寫為：

為了達到無功電流和有功電流的解禍，引入新的變量P1>P2，使得狀態方程如以下形式：

因此其反饋控制率為：

下面是系統的控制結構圖：

1.3 空間矢量PWM（SVPWM）

SVPWM基本思想就是將三相逆變器的交流側電壓在復平面上綜合成電壓矢量，并通過若干開關狀態形成一系列的空間矢量，利用這些電壓矢量去逼近以交流電動機理想磁通圓為基準的電壓圓，從而形成PWM波形。空間矢量脈寬調制是應用于三相電壓源逆變器的功率器件的一種特殊的開關觸發順序和脈寬大小的組合。這種開關觸發順序和組合可以在逆變器的交流側產生三相互差120度電角度的波形失真較小的正弦波電流。

1.4 系統控制結構

本文筆者選取了簡化型無電阻反饋＋空間矢量PWM的控制策系統的完整的控制結構圖如圖3所示：

圖3 系統完整控制結構圖

根據無電阻反饋控制方法的分析，加上無電阻反饋控制后逆變器交流側相電壓的d，q軸分量表達式為：

通過兩相旋轉坐標到兩相靜止坐標變換，可以得到目標電壓矢量。

2 配電網STATCOM裝置總體結構

配電網STATCOM主電路由一組三相逆變器構成，配電網STATCOM系統結構框圖如圖4：

圖4 與電網連接的STATCOM系統結構框圖

從圖4可以看出，配電網STATCOM的整體結構按照功能可以分成以下幾個部分：

主電路單元：產生輸出電流的主要電路，主要由變流器、直流側電容器、連接電抗器和各種繼電保護裝置組成。

電源電路：為測量電路、控制電路提供工作電源。

測量電路：采用霍爾元器件、提拉電路對系統接入點電壓、負載電流、裝置輸出電流以及直流側電壓進行采樣測量。

控制電路：對輸入的測量反饋信號、遙控器指令信號和各繼電器信號等進行處理，實現產生PWM波形來驅動逆變部分的功率元件以及保護等功能，并對數據進行存儲和通信。

工業控制機：系統電壓、電流、無功在線顯示，給定參數輸入（電壓，電流）控制參數調節并接收本體中存儲的數據。

3 系統主電路設計

系統主電路由智能功率模塊IPM、整流橋、濾波電容、驅動保護電路等共同構成。在主電路中整流部分設計采用不可控整流，優點是保證直流側電壓恒定。主電路的直流側使用大電容穩壓和濾波。本文將主電路的整流電路設計為如圖5所示：

圖5 主電路整流部分原理圖

如果后級逆變器輸出電流太大或出現故障，要及時給后級逆變器斷電。圖中放電電阻的作用是使變頻器在關閉時自動給濾波電容放電，以保證變頻器在不使用的安全性。圖中充電電阻的作用是為了防止在變頻器剛接通電源時產生很強大的電流，燒壞三相整流全橋及相關的電路。圖中繼電器的作用，它與充電電阻并聯，一方面是為了在變頻器正常工作時短接充電電阻，為后級的逆變器提供足夠的電流，另一方面是為了在變頻器出現故障時斷開，讓故障電流經過充電電阻以限制電流。圖中熔斷絲是為了保護后級的IPM，如果電流過大它則自動熔斷，這樣后級的IPM就沒有電流回路，保護了IPM不受損壞。這個熔斷絲不能放在電容之前，是因為如果IPM過流，熔斷絲可能會熔斷，即使這樣，濾波電容還有電量，繼續給IPM供電，很有可能因過流而燒壞IPM及相關電路，就起不到保護IPM的作用。

4 測量電路設計

為了實現對STATCOM的控制，要檢測系統接入點三相電壓以及三相電流，同時為了使開關動作與系統電壓同步必須要有同步信號，數據采集模塊要實現這兩項功能。而輸出無功閉環控制要求得知裝置輸出無功，這樣需要測量裝置輸出電流，只需測量2路，另1路計算得出，直流側要求測量直流側電壓。下面將電流檢測電路和電壓頻率捕獲電路加以介紹。

電流檢測采用Honeywell公司的磁平衡式霍爾電流傳感器CSNE151-100（1：1000）工作電壓為±15V，線性度為0.2％。因為TMS320LF2407中的A/D轉換器只能處理OV到SV的電壓量，因此還必須經過電壓偏移電路提升2.5V。輸出端再經過二極管嵌位限幅和高頻濾波去掉毛刺和雜波后送入DSP的AD輸入通道。該電路如圖6所示，圖中的集成運算放大器采用LF356，它具有失調小、低漂移、高輸入阻抗、低噪聲、器件頻帶寬、轉換速度高、建立時間少等優點，適用于電流采樣電路。

圖6 電流采樣電路

另外，本系統需要捕獲電網電壓的頻率來估算無功電流和計算并網時刻，電壓頻率捕獲電路將正弦信號調理成同頻的方波信號，供DSP的CAP單元捕獲。電壓頻率捕獲電路如圖7所示：

圖7 電壓頻率捕獲電路

參考文獻

［1］謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償：結構、原理、控制與應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］任王德，劉發友，周勝軍.動態無功補償技術的應用現狀［J］.電網技術，2006，（23）.