三相四橋臂D-STATCOM仿真研究

焦廣旭，段成群，鄭牡丹

(山西電力公司晉城供電分公司，山西 晉城 048000)

1 引言

隨著電力負荷的種類越來越多，大量非線性負荷和大功率單相負荷的涌現使得電網中，特別是低壓配電網的諧波問題、三相負荷不對稱問題以及無功補償問題越發嚴重。這些問題嚴重影響了供電質量，對電網和其他電力用戶造成損害［1-3］。

另一方面，隨著社會經濟的快速發展，對電力能源的質量要求越來越高，電能質量對社會的影響也越來越大，由于電能質量問題造成的電力用戶產品不合格的現象時有發生。因此加強對電網的諧波、無功和不對稱電流的有效補償是電力系統面臨的重大課題。

傳統的補償方法大多數只能對單一問題進行處理，而對解決其它問題可能還會起副作用。如使用并聯電容器可以調整功率因數，但會引起諧波放大;用無源濾波器可以消除某次設定的諧波，但又容易與電網發生諧振;解決三相不對稱問題只能是在設計階段盡量合理的分配三相負荷，而對實際運行中負荷變化引起的三相不對稱則沒有合適的解決方法。因此，研發新型的補償設備，綜合補償電網的諧波、無功和不對稱電流對供電部門和電力用戶都具有積極的作用和意義。

近年來，隨著電力用戶對供電質量要求的提高，作為“用戶電力”技術之一的配電網靜止同步補償器DSTATCOM(Distribution Static Compensator)受到人們的關注。D-STATCOM在抑制諧波、補償無功和平衡三相不對稱負荷方面的優良性能，使其成為綜合提高電能質量的不可或缺的重要裝置［4-6］。

為了保障人身和用電設備的安全，我國的低壓配電網(380/220V)采用中性點直接接地運行方式。為了補償零序電流，D-STATCOM裝置必須具有零序電流回路。本文主要研究三相四橋臂并聯型D-STATCOM裝置的性能，利用MATLAB仿真工具搭建仿真模型，驗證D-STATCOM裝置補償低壓配電線路的無功、諧波和不對稱電流的原理與功能。

2 D-STATCOM的控制系統

D-STATCOM的控制系統主要由兩大部分組成，即指令電流形成電路和各橋臂控制信號產生電路。

D-STATCOM裝置是一種綜合補償線路諧波、無功和不對稱電流分量的電力電子設備，為了具有良好的動態響應品質，D-STATCOM裝置必須快速補償負荷電流的無功、諧波和不對稱分量，使電網僅提供負荷電流中的基波正序有功電流分量I1。因此，D-STATCOM的諧波電流檢測和序電流分析不能采用傳統的基于傅里葉變換和相量理論的方法，因其形成指令電流的時間大于一個周波。

目前，D-STATCOM主要采用基于瞬時無功功率理論的各種電流檢測方法［7-11］。本文采用改進的ip-iq法，該方法能適應系統電壓畸變的環境，在系統電壓含有諧波分量和不對稱的條件下，仍能準確的分離出基波正序有功電流分量ip。該方法的原理框圖如圖1所示。

圖1 改進的ip-iq法原理框圖

指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分量、基波無功電流分量以及非正序有功電流分量。這些電流分量構成了D-STATCOM裝置補償電流的指令信號，即指令電流。

各橋臂控制信號［11-12］產生電路根據實測的 DSTATCOM補償電流與指令電流之差，計算出主電路各橋臂開關器件的觸發脈沖。此脈沖經驅動電路后作用于各橋臂開關器件，使D-STATCOM裝置輸出的補償電流等于指令電流。這樣負載電流中的諧波電流分量、基波無功電流分量以及非正序有功電流分量由DSTATCOM裝置提供，而系統電源只需提供負載電流的基波正序有功電流分量，從而消除了非線性負荷對電力系統的影響，保障了電網的電能質量。

3 D-STATCOM仿真模型

為分析、研究D-STATCOM裝置補償負荷電流的諧波分量、基波無功分量以及非正序有功分量的能力，對其進行了仿真計算。

仿真應用MATLAB軟件進行。圖2為D-STATCOM裝置仿真系統結構圖。

圖2 D-STATCOM裝置仿真系統結構圖

3.1 系統電源仿真模型

采用MATLAB電力系統仿真工具箱中的AC Voltage Source(交流電壓源)模擬系統電源。通過設置模塊中交流電壓的幅值、相角、頻率以及采樣時間，構造合適的三相系統電壓模型，仿真中系統為相電壓為220V的三相交流電壓源。

3.2 非線性負荷仿真模型

非線性負載是電網中主要的諧波源。非線性負載種類較多，如整流逆變電路、電弧爐、空調、電視機、變壓器等，為了研究D-STATCOM對不對稱、諧波、無功電流分量的補償效果，負荷仿真模型采用了一種極端情形:A、C相無負荷，B相與接地線間接一單相全波整流電路后接電阻電感負載。

3.3 D-STATCOM主回路仿真模型

為了補償零序電流分量，D-STATCOM裝置的主回路必須具有零序電流通路。能流過零序電流的主回路有多種形式，本文主要分析三相四橋臂主回路形式。主電路具有四個橋臂，每個橋臂由上、下半橋組成。上半橋接在直流電源的正端，下半橋連在直流電源的負端。每個半橋由IGBT和反并聯二極管組成的模塊與阻容保護電路并聯構成。上下橋臂連接的橋臂中點為橋臂外接端點。四個橋臂的外接端點分別經濾波電抗器接在電網的A、B、C相和中性點N(接地線)。

4 D-STATCOM仿真和分析

按照圖2的仿真系統結構圖，采用MATLAB對三相四橋臂D-STATCOM裝置的補償功能進行仿真分析。其主電路參數如表1所示。

表1 仿真模型的主要參數

4.1 D-STATCOM啟動過程仿真

當D-STATCOM裝置的直流母線電壓為零時將DSTATCOM裝置接入電網，系統電壓經各橋臂反并聯的二極管向直流穩壓電容充電。在啟動瞬間會出現很大的充電電流，影響IGBT模塊的壽命［13］。為限制充電電流，在D-STATCOM裝置啟動時投入限流電阻，減少啟動電流。當直流電壓達到切除限流電阻的定值時，短接限流電阻，使D-STATCOM裝置主電路進入正常工作模式。圖3為D-STATCOM裝置啟動過程直流電壓波形，由圖可見，在啟動過程前期，由于限流電阻的作用，D-STATCOM裝置的直流電壓上升速率較慢，在t=0.969s時，直流電壓達到切除限流電阻的給定值(420V)，裝置短接限流電阻，直流電壓以較快速率上升。短接限流電阻的同時裝置開始對直流電壓進行控制，因此，直流電壓在快速上升約半個周波后，在控制規律作用下。繼續上升，逐漸穩定到582V。由于裝置已開始對電流的畸變量進行補償，因此直流電壓有波動，從圖上可以看出，電壓的波動范圍約為±5V。

圖3 啟動過程直流電壓波形

4.2 D-STATCOM補償過程仿真

當僅B相接負荷時，仿真系統的負荷電流波形如圖4所示。從圖中可看出，A、C相負荷電流為零，B相電流的波形也有明顯畸變。可見系統負荷電流嚴重不對稱且存在高次諧波。

圖4 負荷電流波形

圖5 D-STATCOM輸出電流波形

圖5為D-STATCOM裝置輸出電流波形，在t=0.969s前，裝置處于啟動階段，D-STATCOM裝置的電流為直流電容的充電電流。在限流電阻的作用下，充電電流的最大瞬時電流被限制在42A左右。在啟動階段，D-STATCOM裝置閉鎖補償功能，因此系統提供負荷電流和D-STATCOM裝置的充電電流如圖6所示。

圖6 系統電流波形

在t=0.969s以后，D-STATCOM裝置的啟動階段結束，進入正常工作階段，D-STATCOM裝置開始提供補償電流，經過約半個周波的過渡過程后，系統三相電流開始對稱，總諧波畸變率也從補償前的17.22%下降到2.20%，滿足IEC 60092-101標準中總諧波畸變率小于5%的電能質量標準。

補償后的系統電壓和電流的相位關系如圖7所示。補償前系統電壓超前電流一個角度，補償后電壓電流同相位。即系統僅提供有功電流。

圖7 B相電壓、電流相位關系圖

另外，補償前大于50A的中線電流經過補償之后幾乎為零(小于0.3A)，表明經過D-STATCOM補償后系統三相電流基本對稱如圖8所示。

圖8 中線電流波形

5 結論

本文對三相四橋臂D-STATCOM裝置補償負荷電流的諧波、無功和不對稱分量的功能進行了分析與仿真研究。仿真結果表明，本文設計的D-STATCOM裝置具有較好的補償特性，可以有效的抑制電網的電流畸變問題。應用D-STATCOM裝置可以很好的解決非線性負荷對配電網造成的電能質量問題，對改善電網供電質量具有重要意義。

［1］郭偉峰.三相四線制并聯有源電力濾波器的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［2］段大鵬，江秀臣，孫才新，等.用于不平衡負荷的D-STATCOM數學建模與系統仿真［J］.高電壓技術，2008，34(8):1704-1709.

［3］楊杰，賴聲禮，李心廣.三相電壓不對稱時諧波與基波有功、無功電流的精確檢測方法研究［J］.繼電器，2003，31(4):6-9.

［4］王志群，朱守真，周雙喜.基于Pisarenko諧波分解的間諧波估算方法［J］.電網技術，2004，28(15):72-77.

［5］涂春鳴，李慧，唐杰，等.電網電壓不對稱對D-STATCOM的影響分析及抑制［J］.電工技術學報，2009，8(24):114-120.

［6］Chang G W，Shee T C.A novel reference compensation current strategy for shunt active power filter control［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2004，19(4):1751-1758.

［7］趙成勇，何明鋒.基于復小波變換相位信息的諧波檢測算法［J］.中國電機工程學報，2005，25(1):38-42.

［8］丁洪發，段獻忠，何仰贊.同步檢測法的改進及其在三相不對稱無功補償中的應用［J］.中國電機工程學報，2000，20(6):17-20.

［9］劉亮，鄧名高.D-STATCOM指令電流檢測算法研究［J］.電力電子技術，2010，44(9):31-33.

［10］楊柳，，劉會金.陳允平.三相四線制系統任意次諧波電流的檢測新方法［J］.中國電機工程學報，2005，25(13):41-44.

［11］熊元新，陳允平.正弦電路瞬時功率理論研究［J］.電網技術，2001，25(6):18-21.

［12］伏祥運，王建賾，范偉鋒，等.不平衡系統中D-STATCOM的控制策略［J］.電力系統及其自動化學報，2007，19(4):93-99.

［13］Asiminoaei L，Blaabjerg F，Hansen S，et al.Adaptive Compensation of Reactive Power With Shunt Active Power Filters［J］.Industry Applications，IEEE Transactions，2008，44(3):867-877.