三相四線制D-STATCOM的工作原理與仿真

李 濤 常鮮戎 唐坦坦

（華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電氣化鐵路等負(fù)荷不斷增加。這些負(fù)荷具有非線性、沖擊性的特點(diǎn)，使配電網(wǎng)中的電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生出大量的諧波。同時(shí)，配電網(wǎng)中各種不平衡的工業(yè)負(fù)荷，尤其是應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)的單相饋線等，不僅會(huì)引起配電網(wǎng)三相電流不對稱，而且會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)中性點(diǎn)的電壓（配電網(wǎng)中性點(diǎn)多采用不接地方式）的偏移，使得配電網(wǎng)三相電壓不對稱。此外，配電網(wǎng)中大量的異步電動(dòng)機(jī)、變壓器以及電弧爐等負(fù)荷需要消耗大量的無功功率、這些無功功率如果不能得到及時(shí)補(bǔ)償，將會(huì)造成配電網(wǎng)電壓的降低和波動(dòng)，嚴(yán)重惡化供電的質(zhì)量。目前，配電網(wǎng)中這些產(chǎn)生大量諧波、消耗大量無功和三相不對稱的負(fù)荷已經(jīng)對配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了不利的影響[1-2]。配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（Distribute Static Synchronous Compensator）[3]作為FACTS重要成員，在電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償和諧波抑制等方面起到顯著的作用，成為現(xiàn)代電能質(zhì)量控制研究的熱點(diǎn)。

Matlab中有專用于電力系統(tǒng)分析的電力系統(tǒng)模塊集（Power System Bloekset，PSB），它是一種針對電力系統(tǒng)的可視化建模與仿真工具，可用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真。強(qiáng)大的PSB和Simulink同時(shí)使用將使一些復(fù)雜的、非線性的電力系統(tǒng)的建模與仿變得非常簡捷。因此，它已成為電力科研工作者和工程技術(shù)人員應(yīng)用它來進(jìn)行電力系統(tǒng)有關(guān)問題的仿真分析和輔助設(shè)計(jì)的理想工具。

1 D-STATCOM的基本原理

圖1為D-STATCOM結(jié)構(gòu)原理簡圖[4]。

圖1 D-STATCOM結(jié)構(gòu)原理圖

圖中， es是交流電源， is為其輸出電流；非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波電流、消耗無功功率并引起三相電流不平衡； il為負(fù)載電流。D-STATCOM 的結(jié)構(gòu)由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。主電路主要由電流變換電路構(gòu)成，并采用電容作為直流側(cè)儲能元件；控制系統(tǒng)包含指令電流運(yùn)算單元和補(bǔ)償電流跟蹤控制單元（脈沖信號發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)電路）。三相四線制D-STATCOM工作原理是由測得的配電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流信息，通過指令電流運(yùn)算單元計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號，經(jīng)過補(bǔ)償電流跟蹤單元的控制，產(chǎn)生脈沖控制信號，該信號再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，得到能夠控制電流變換電路大功率開關(guān)器件導(dǎo)通關(guān)斷的信號，使得電流變換電路產(chǎn)生跟蹤指令電流信號的補(bǔ)償電流 ic。補(bǔ)償電流包含了負(fù)載電流中無功、諧波以及不平衡成分，補(bǔ)償后，配電網(wǎng)只需提供負(fù)載電流的基波正序有功成分。

當(dāng)D-STATCOM僅補(bǔ)償負(fù)載電流的諧波成分時(shí)，指令電流運(yùn)算單元計(jì)算出負(fù)載電流的諧波分量，作為補(bǔ)償電流的指令信號 ic*，經(jīng)過補(bǔ)償電流跟蹤控制單元的控制，由電流變換電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流 ic跟蹤指令電流信號 ic*，由于 ic與負(fù)載電流中的諧波成分 ilh大小相等，因而相互抵消，從而使得配電網(wǎng)只向負(fù)載提供基波電流。此時(shí)，這一原理可用如下的一組公式描述。

式中， il1為負(fù)載電流的基波分量； ilh為負(fù)載電流的諧波分量。

本文研究的三相四線制D-STATCOM不僅要補(bǔ)償負(fù)載電流的諧波分量，還需要補(bǔ)償其無功電流成分，在三相負(fù)荷不平衡時(shí)，還要補(bǔ)償負(fù)荷電流的負(fù)序及零序成分。因此，要在補(bǔ)償電流中增加負(fù)載電流的無功分量及零、負(fù)序分量。經(jīng)過補(bǔ)償以后，配電網(wǎng)電源側(cè)電流等于負(fù)載電流的基波正序有功分量。此時(shí)，前面給出的公式需要調(diào)整為

式中，il1p+為負(fù)載電流的基波正序有功分量；il1p-為負(fù)載電流的基波負(fù)序有功分量；il1p+為負(fù)載電流的基波無功正序分量；il1p-為負(fù)載電流的基波負(fù)序無功分量； il0為負(fù)載電流的零序分量。

2 三相四線制D-STATCOM的構(gòu)成

三相四線制D-STATCOM的總體結(jié)構(gòu)由主電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。其中主電路由電流變換器與連接電抗或者連接變壓器組成。控制系統(tǒng)由信號采集、控制算法處理、脈沖發(fā)生與驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。下面分主電路和控制系統(tǒng)兩部分對三相四線制D-STATCOM的構(gòu)成進(jìn)行介紹。

2.1 主電路

配電網(wǎng)中有較多的三相四線制負(fù)載，即存在中線。因此，存在三相電流之和不為零的情況，即存在零序電流。為了消除系統(tǒng)中的零序電流，人們研究出了多種三相四線制主電路結(jié)構(gòu)的D-STATCOM，這種三相四線制D-STATCOM不僅可以消除三相電流中的無功分量和諧波分量，在系統(tǒng)不對稱的情況下，還能夠消除三相電流中的零、負(fù)序電流分量，因而功能更加完善。本文采用四極型三相四線制D-STATCOM，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 D-STATCOM結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)

D-STATCOM的控制系統(tǒng)如圖3所示，其中主要部分為數(shù)據(jù)采集和補(bǔ)償指令電流計(jì)算。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

1）數(shù)據(jù)采集方法

本文所采用的數(shù)據(jù)采集方法為 ip- iq法[5]，這種理論的有優(yōu)點(diǎn)是可以檢測出除基頻分量外的所有高頻分量，同時(shí)可檢測出無功電流分量。在只檢測無功電流時(shí)，可以完全無延時(shí)的得出檢測結(jié)果。該方法運(yùn)算原理圖如圖4所示，但由于該方法對三相電壓不對稱時(shí)計(jì)算有誤差的情況，本文對該方法進(jìn)行了一些改進(jìn)，利用三項(xiàng)電壓實(shí)時(shí)分解出三相電壓的正序分量，通過同步參考坐標(biāo)法計(jì)算出與正序電壓分量同相位的同步旋轉(zhuǎn)向量，以此取代傳統(tǒng) ip- iq法中通過鎖相環(huán)對一相電壓鎖相得到的正余弦值構(gòu)成的向量。運(yùn)算流程圖如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng) ip - i q 法運(yùn)算原理圖

圖5 改進(jìn) ip - i q 法運(yùn)算正余弦原理圖

由改進(jìn)的 ip- iq法得到的正余弦可以根據(jù)定義計(jì)算出 ip、iq，經(jīng)LPF濾波得出 ip、iq的直流分量這里，是由iaf、ibf、icf產(chǎn)生的，因此由即可計(jì)算出 iaf、 ibf、icf，進(jìn)而計(jì)算出 iac、 ibc、 icc。

2）補(bǔ)償指令電流計(jì)算

三相四線制D-STATCOM要求主電路逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r(shí)跟蹤指令電流信號的變化，因此電流跟蹤控制通常采用跟蹤型PWM控制方式。目前，比較常用的 PWM 的控制方法主要有滯環(huán)比較方式[6]和三角波比較方式。因滯環(huán)控制方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、精度較高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，本文選用滯環(huán)比較控制作為電流跟蹤控制方法。該方法是將補(bǔ)償電流指令值（即通過改進(jìn) ip- iq法計(jì)算出的無功、諧波電流以及中線電流）與逆變器實(shí)際輸出補(bǔ)償電流值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開斷，從而達(dá)到逆變器輸出值實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流參考值的目的[32]，其原理如圖6所示。

圖6 滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)方法圖

3 Matlab的仿真

3.1 控制系統(tǒng)仿真模型

本文采用Matlab 2008a中的Simulink按照前面所述構(gòu)建并聯(lián)型三相四線制 D-STATCOM 仿真系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)模型如圖7所示。其中系統(tǒng)的電壓源、交流側(cè)電感、直流側(cè)電容、非線性負(fù)載以及 IGBT逆變橋都是PSB中的固有模塊，而諧波和無功電流檢測模塊和 PWM脈沖產(chǎn)生模塊是用固有模塊搭建并封裝而成。

具體仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓220V，系統(tǒng)頻率50Hz；負(fù)載一（load1）：為電阻和電抗串聯(lián)，電阻為18Ω，電抗為0.04H；負(fù)載二（load2）：為電阻和電抗并聯(lián)，電阻為 100Ω，電抗為 0.00001H；直流側(cè)電容：電容值為0.005F，電壓初始值設(shè)置為400V，正常工作是直流電容電壓參考值 udcref設(shè)置為800V；連接阻抗：電阻值為0.53Ω，電抗值為：0.005H。

圖7 D-STATCOM系統(tǒng)模型圖

圖8為三相四線制D-STATCOM仿真系統(tǒng)模型中control system模塊的內(nèi)部仿真模型。該控制系統(tǒng)模型是按照前文介紹的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案搭建的。模型中form_sin_cos模塊的實(shí)現(xiàn)的功能是：將B1處的電壓值（即為電源電壓）B1_Vabc采用改進(jìn)瞬時(shí)對稱分量法進(jìn)行實(shí)時(shí)分解，得出三相電壓的基波正序分量，再計(jì)算出與基波正序電壓分量同步的旋轉(zhuǎn)向量。基于此旋轉(zhuǎn)向量，將負(fù)荷電流B2_Iabc經(jīng)過abc_to_pq模塊進(jìn)行abc-pq變換，取有功量經(jīng)過低通濾波Filter模塊，得到其直流分量。直流側(cè)電壓 Vdc與其參考值800V的做減法后經(jīng)過比例積分 PID模塊與有功量的直流分量相疊加，結(jié)果再經(jīng)pq_to_abc模塊進(jìn)行pq-abc變換，得到三相電流的基波正序有功分量，將此電流值作為電源側(cè)三相電流指令值。同時(shí)，為了得到零序電流分量，將三相負(fù)荷電流B2_Iabc經(jīng)過函數(shù)模塊f(u)求得三相電流之和，再取其相反數(shù)，作為零序電流參考值。將電源側(cè)三相電流參考值和零序電流參考值合為I_ref輸入滯環(huán)比較控制relay control模塊進(jìn)行補(bǔ)償電流跟蹤控制。滯環(huán)比較控制模塊將補(bǔ)償電流指令值，與電網(wǎng)側(cè)實(shí)際輸出電流值進(jìn)行滯環(huán)比較后產(chǎn)生PWM信號，PWM信號控制主電路大功率開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。其中relay control模塊仿真圖形如圖9所示。

圖8 control system模塊的內(nèi)部仿真模型

圖9 relay control模塊內(nèi)部仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

圖10為采用本文所搭建的三相四線制D-STATCOM仿真模型得到的仿真結(jié)果。其中圖10（a）為負(fù)載三相電流的波形，電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，含有大量的諧波。圖 10（b）為經(jīng)過三相四線制D-STATCOM補(bǔ)償后，系統(tǒng)側(cè)的電流波形，可以看出，在剛剛開始時(shí)，D-STATCOM沒有投入過程中系統(tǒng)的電流畸變率很大，存在大量的諧波，經(jīng)D-STATCOM補(bǔ)償以后，電流明顯是三相對稱的波形圖。

圖10 負(fù)荷側(cè)和系統(tǒng)側(cè)電流波形圖

為了進(jìn)一步說明三相四線制D-STATCOM抑制電網(wǎng)諧波的作用，本文將負(fù)荷電流和補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電流進(jìn)行了快速傅里葉（FFT）分析。圖11是對負(fù)載電流進(jìn)行傅里葉分析的結(jié)果。圖中以負(fù)載電流的基波分量為基準(zhǔn)，可見負(fù)載電流中含有較大的5次、7次，11次及13次諧波，總諧波畸變率（THD）為23.95%。經(jīng)過三相四線制D-STATCOM補(bǔ)償以后的系統(tǒng)側(cè)電流的傅里葉分析結(jié)果如圖12所示，可以明顯的看出，對應(yīng)的5次、7次，11次及13次諧波的含量明顯降低，總諧波畸變率也降低到 1.92%。因此三相四線制D-STATCOM對電網(wǎng)諧波的抑制作用是非常明顯的。

圖11 負(fù)載電流FFT分析結(jié)果

圖12 補(bǔ)償后系統(tǒng)電流FFT分析結(jié)果

圖13 補(bǔ)償后系統(tǒng)輸出有功和無功功率曲線

為了說明三相四線制D-STATCOM補(bǔ)償無功功率的作用，本文將補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)輸出的有功功率和無功功率繪制成關(guān)于時(shí)間的曲線，如圖13所示。圖中上面的曲線為有功功率曲線，下面的曲線為無功功率曲線。有功功率曲線在投入后有一個(gè)從大變小的過程，是因?yàn)樵诖诉^程中直流側(cè)儲能電容充電消耗有功功率，在電容電壓穩(wěn)定后，系統(tǒng)的有功功率也能保持穩(wěn)定。可以看到，系統(tǒng)輸出的無功功率總是在零值附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，說明三相四線制D-STATCOM 具有較好的無功補(bǔ)償效果，從而使得系統(tǒng)向負(fù)荷提供的無功功率很小。

4 結(jié)論

本文中主要介紹了適用于三相四線制 DSTATCOM 的工作原理，并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)三相四線制D-STATCOM具有較好的補(bǔ)償電網(wǎng)無功、抑制電網(wǎng)諧波等功能，并達(dá)到了較為理想的效果，實(shí)現(xiàn)了仿真的目的。

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