鏈式STATCOM在配電網中的應用研究

2011-10-09 09:46:16莫志祿

電子設計工程 2011年24期

莫志祿

（北京市祿智科技發展有限公司北京 100055）

在工業生產和日常生活用電負載中，大量使用的阻感性負載需要大量的無功功率，而無功功率給電網帶來很多問題，如增加設備容量、使線路電壓降增大等。要解決這些問題，合理的方法是就地產生無功功率從而達到無功平衡[1]。STATCOM作為一種無功補償裝置，具有無功調節速度快、調節范圍廣、欠壓條件下無功調節能力強、諧波含量較低、接入系統無諧振等優點，是現階段配電網無功補償和電能質量控制的發展方向之一[2-3]。

目前已投運的高壓大容量STATCOM主要分為兩種結構：多重化結構和鏈式結構[4]。這兩種結構雖然在對系統的等效和外特性方面是相同的，但工作原理卻不同。鏈式STATCOM相對于多重化結構的STATCOM具有無需多重化接入變壓器、占地面積小、效率高、可實現分相控制和冗余運行等優點，因此，近年來得到了廣泛的研究和應用[5]。控制策略直接關系到STATCOM裝置的補償性能，控制策略既應具有快速的動態響應速度，響應時間越短越有利于提高控制效果，又應保證無靜態誤差[6]；此外，由于鏈式STATCOM各級聯單元具有獨立的直流側電容，在裝置運行時，如果沒有附加控制措施，直流側電容電壓會產生不平衡的問題，嚴重時會影響裝置的正常工作[7]。

基于以上分析，本文對鏈式STATCOM的無功輸出和直流側電容電壓的控制展開研究，分析了解耦控制策略控制無功輸出，設計了脈沖循環換位法控制直流側電容電壓；最后，在5MVA鏈式STATCOM的仿真模型上進行了研究。

1 主電路結構和工作原理

鏈式STATCOM的拓撲結構如圖1所示。級聯變換器三相采用Y型結構，變換器的每相由若干個級聯單元串聯而成，L為和電網相連的濾波電感的電感值，將功率開關管損耗等效電阻同濾波電感等效電阻合并為R，uSa、uSb、uSc為電網三相電壓，ia、ib、ic為變換器交流側三相電流，ea、eb、ec為變換器輸出的三相電壓，Udc_xn（x∈（a，b，c），n≤N）為級聯單元的直流側電容電壓。

STATCOM的單相等效電路如圖2所示。V˙S為電網電壓，I˙為變換器交流側電流，V˙C為變換器的輸出電壓。

以電網電壓V˙S作為參考值，改變STATCOM交流側輸出電壓V˙C的幅值和相位，那么相量V˙L的幅值和相位也隨之被改變，從而變換器交流側電流I˙的相位和幅值得到了控制，就可以使STATCOM吸收或發出滿足要求的無功功率。圖3是穩態時STATCOM的矢量圖。

圖1 鏈式STATCOM的拓撲結構Fig.1 Topology of cascaded STATCOM

圖2 STATCOM單相等效電路Fig.2 Single phase equivalent circuit of STATCOM

圖3 穩態時STATCOM的矢量圖Fig.3 Space vector of STATCOM

變換器的輸出電壓V˙C與變換器交流側電流I˙相差 90°，電網電壓V˙S與變換器交流側電流I˙的相位差比90°小了δ，這表明，電流I˙中有一定的有功分量，這部分有功功率用于補償裝置的損耗。電流I˙在上的投影即為STATCOM裝置的有功電流分量，與正交的分量為STATCOM裝置的無功電流分量。改變δ的大小和的幅值，則I˙的幅值和相位也隨之改變，從而也就控制了STATCOM從電網吸收或發出的無功功率。

分析圖3所示的穩態時STATCOM矢量圖，STATCOM從電網吸收的有功電流和無功電流有效值分別為

從而可得出STATCOM從系統吸收的有功功率P和無功功率Q分別為

由式（3）和（4）可知，不管 δ取何值，P 均大于 0，也就是說，STATCOM均要從系統吸收有功功率來平衡STATCOM運行時所消耗的各種能量；而STATCOM從系統吸收的無功功率Q則可由δ控制其大小及性質。

2 解耦控制策略

在建立鏈式STATCOM模型之前，先做如下假設：

1）系統及主電路三相參數對稱；

2）只考慮基波分量而忽略諧波分量；

3）所有損耗用等效電阻R表示。

根據STATCOM裝置的單相等效電路，可以列出裝置在abc三相靜止坐標系下的方程為：

基于abc三相靜止坐標系的數學模型清晰直觀，但要控制的交流側電流為交流量，這既不利于理論分析，也不利于控制。利用PARK變換將該數學模型轉換至同步旋轉坐標系中后，在同步旋轉坐標系下的數學模型為：

式中：vd、vq為三相電網電壓在同步旋轉坐標系下的投影；id、iq為變換器交流側三相電流在同步旋轉坐標系下的投影；uid、uiq為逆變器輸出三相電壓在同步旋轉坐標系下的投影；ω為電網電壓的基波角頻率。

模型中所有基波正序分量都將轉化為直流量，取同步旋轉坐標系的d軸與電網a相電壓矢量重合，則vq=0，式（6）可進一步簡化為：

控制系統一般采用雙環控制策略，外環為直流電壓環，主要作用是控制直流側電壓；內環為電流環，主要作用是控制裝置吸收的有功功率和裝置輸出的無功功率。

由式（7）可知，有功電流id和無功電流iq之間通過電抗L互相耦合，有功電流id的變化會引起無功電流iq的變化，同理，無功電流iq也會引起有功電流id的變化，這不利于控制。為此，采用解耦控制策略，當電流調節器采用PI控制器時，則uid和uiq的控制方程如下：

式中：Kp、Ki為 PI控制器的比例系數和積分系數；、為電流指令值。

將式（8）代入式（7），并化簡得：

可見有功電流id和無功電流iq之間實現了解耦。由上述分析可得鏈式STATCOM的解耦控制框圖如圖4所示。有功電流參考信號是電壓外環計算得到，無功電流參考信號從控制目標獲得，它們分別與裝置輸出的有功電流和無功電流相比較，差值經由PI控制器輸出，再通過式（7）可以計算得到逆變器輸出電壓的參考信號uid和uiq。

圖4 鏈式STATCOM的解耦控制框圖Fig.4 Decoupled control strategy block of cascaded STATCOM

3 直流側電容電壓平衡控制

對于鏈式STATCOM，各級聯單元直流側電容電壓的穩定是裝置可靠運行的前提，因此必須進行直流側電容電壓平衡控制以保證裝置的正常運行。文中采用脈沖循環交換法，使在每個周波周期或每半個周波周期，對各級聯單元的觸發脈沖進行依次循環換位，在一個較長的時間段內使各級聯單元的吸收有功功率和等效損耗基本相同，即各級聯單元的工作狀態在平均意義上是一致的，從而控制各級聯單元的直流側電容電壓達到平衡[8]。

4 仿真結果

為了驗證解耦控制策略和脈沖循環換位法的可行性和有效性，用PSCAD仿真軟件構造了鏈式STATCOM的仿真模型，仿真模型參數如下：電網線電壓為10 kV，裝置容量為±5 MVA，級聯單元數為12，級聯單元直流側電容電壓為1 kV。

圖5所示為A相各級聯單元直流側電容電壓的仿真波形。由圖可見，沒啟動脈沖循環換位法之前各級聯單元直流側電容電壓不平衡。在3.5 s時啟動脈沖循環換位法，經過大約10個周波后電壓基本平衡，在4.5 s時裝置輸出滿額無功功率，此時電壓依舊保持平衡。

圖5 A相各級聯單元直流側電容電壓的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of every DC-capacitor-voltage

圖6為無功補償時電網側電壓和電流的仿真波形，Us為電網側電壓，Is為電網側電流（反向測量）。4.5 s時裝置輸出滿額無功功率。由圖可知，功率因數等于1，裝置能夠快速準確地補償負載電流中無功分量，補償后系統僅提供有功電流。

圖6 無功補償時電網側電壓和電流的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid side voltage and current

5 結論

筆者介紹了鏈式STATCOM的拓撲結構，在此基礎上分析了無功補償[9]的工作原理；解耦控制策略控制無功輸出具有動態響應速度快，穩定后無靜差的特性[10]；脈沖循環換位法能有效控制直流側電容電壓平衡；仿真結果驗證了解耦控制策略和脈沖循環換位法的正確性和可行性。

[1]王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]陳淮金.靈活交流輸電系統技術及其應用（一）[J].電力系統自動化，1994，18（3）：60-65.

CHEN Huai-jin.Technology of flexible AC transmission system and its application[J].Automation of Electric Power Systems， 1994， 18（3）： 60-65.

[3]何大愚.柔性交流輸電技術和用戶電力技術的新發展[J].電力系統自動化，1999，23（6）： 8-13.

HE Da-yu.New developments of FACTS and CUSTOM power technology manifested by IEEE pes definition[J].Automation of Electric Power Systems， 1999， 23（6）： 8-13.

[4]沈斐，王婭嵐，劉文華，等.大容量STATCOM主電路結構的分析和比較[J].電力系統自動化，2003，27（8）：59-65.

SHEN Fei，WANG Ya-lan，LIU Wen-hua， et al.Analysis and comparison oflarge capacity STATCOM circuit configuration [J].Automation of Electric Power Systems，2003， 27（8）： 59-65.

[5]Peng F Z，Lai J S.Dynamic performance and control of a static var generator using cascade multilevel inverters[J].IEEE Transactions on industry applications， 1997， 33（3）：748-754.

[6]涂春鳴，李慧，唐杰，等.基于直接電流控制的D-STATCOM裝置研制[J].高電壓技術， 2008， 34（6）：1173-1178.

TU Chun-ming， LI Hui， TANG Jie， et al.Development of D-STATCOM based on direct current controller[J].High Voltage Engineering， 2008， 34（6）： 1173-1178.

[7]劉文華，宋強，滕樂天，等.基于鏈式逆變器的±50MVA靜止同步補償器的直流電壓平衡控制 [J].中國電機工程學報， 2004， 24（4）：145-150.

LIU Wen-hua， SONG Qiang， TENG Le-tian， etal.Balancing control of DC voltage of 50MVA STATCOM based on cascade multilevel inverters[J].Proceedings of the CSEE，2004， 24（4）：145-150.

[8]魏文輝.鏈式靜止同步補償器的主電路及動態控制策略的研究[D].北京：清華大學，2004.

[9]王光明，沙敏俠.無功補償裝置在10kV饋線中的應用[J].陜西電力,2011(07):61-63.

WANG Guang-ming，SHA Min-xia.Application of reactive power compensation device in 10 kV feeder[J].Shaanxi Electric Power，2011（07）:61-63.

[10]郝海斌，唐小娜，郭懷德.基于非線性控制策略的智能電網DSTATCOM模型研究[J].陜西電力，2010（01）:41-44.