不平衡非線性工況下STATCOM的控制

程玉凱

（中國礦業大學 信電學院，江蘇 徐州 221116）

電弧爐、軋鋼機等是一類特殊的負載，它們的三相負荷不對稱，產生的電流存在較大的畸變，使得供電電壓不斷波動，我們將其稱為不平衡非線性負載.這種負載的特點是當加上工頻電壓時，不論工頻電壓是否平衡，其流出的電流總是不平衡的，且含有大量的諧波和基波無功成分.傳統的STATCOM僅能對基波無功電流進行補償，不能應用于此種負荷系統中[1-4].針對這種現象，本文提出了一種融合APF和STATCOM的控制方法，采用該種控制方法的有源逆變器不但可以補償負載產生的無功電流而且還能補償三相負荷電流中的諧波分量和不平衡分量，使得電源側電流為平衡的基波有功電流.

1 總體結構

新型STATCOM的總體結構如圖1所示.

圖1中，ia、ib和 ic表示三相電流，ia1p、ib1p和 ic1p以

圖1 STATCOM總體結構圖

2 無功及諧波電流檢測

無功及諧波電流檢測方法有很多，但絕大多數方法計算繁瑣，且由于采用了鎖相環PLL和低通濾波器LPF，使得結果不夠準確，響應較慢[5-6].本文采用的三相鑒相組式結構避免使用鎖相環PLL和低通濾波器LPF，計算簡單，響應快速，其結構示意圖如圖2所示，其中虛線框部分表示積分均值濾波模塊.

由于組式結構的三相方法一致，因此這里僅選用a相作為研究對象.

設

其中，ω'表示輸入電流的基波頻率，ω表示工頻（ω=100π），y表示信號發生器產生的正弦信號（可由（8）式獲得）.

圖2 無功和諧波電流檢測模塊

經化簡可得到

ia1p即為ia中的基波有功分量，ia1q+h為ia中的基波無功和諧波分量.

經過此模塊后，電流中就僅剩下基波有功分量了.

由上述分析可知，該方法計算簡單，延遲較小（僅為T/6），響應速度快，且不受電網頻率變化的影響，是一種較為實用的三相電路諧波和無功電流檢測方法.

3 相序分離

我們知道，不平衡電流與平衡電流的不同在于前者含有負序電流分量.傳統方法是根據斯坦門茲定理在三相并聯一個三相不平衡負載與線路負載組合成一個平衡負載.從原理上說這個并聯的不平衡負載實際上提供了負序電流與線路負荷產生的負序電流相抵消，使得電流中僅剩余正序電流，使三相電流平衡.因此，我們的新型STOTCOM逆變器只需要輸出負序電流與線路負荷產生的負序電流抵消，就可以使得電源側電流平衡了.

經過上一節的無功和諧波檢測模塊可以得到基波有功電流，分離模塊的任務就是對基波有功電流進行相序分解，得到正序分量、負序和零序分量[7-8].本文提出的方法省去了傳統相序分離方法（如pq變換法、dq變化法等）中普遍應用的PLL電路和同步電路，不需要采用三角函數運算，并且解決了電網電壓不平衡和電網頻率波動對電流相序分離造成的不利影響，其結構如圖3所示.

根據圖3，我們可以列出輸出信號ia1p1、ib1p1和ic1p1的表達式，如式4所示.

設a相電壓的表達式為

將其輸入到一個微分反相器后得到

圖3 相序分離模塊示意圖

將式（8）代入式（4）便得到輸入電流的正序分量，這樣負序零序分量便也被分離出來了.

另外，采用本模塊還可以進一步檢測上一模塊中未檢測到的諧波成分，也就是說上一模塊工作不正常“漏檢”諧波時本模塊可以對其進行“修正”，因此大大提高了工作的可靠性.

4 觸發脈沖的形成

觸發脈沖的形成就是對于逆變器的控制方法，目前常用的控制方法有：滯環比較法、三角波調制法等.滯環比較法結構簡單，實時性好，電流響應快，因此是目前應用較為廣泛的一種控制方法.本文采用的滯環控制電路結構如圖4所示.

圖4中，每相電路均由一個反相器、兩個比較器、一個RS觸發器和一個D觸發器組成.輸入信號與環寬設定值在兩個比較器中進行比較，比較器輸出信號觸發RS觸發器，此時如果時間脈沖到來，達到上升沿時，觸發D觸發器，Q輸出高電平（觸發信號），Qˉ輸出低電平（閉鎖信號）.

圖4 滯環比較原理結構圖

5 仿真研究

根據圖1所示的結構圖在PSIM中搭建仿真電路圖，設定電源電壓為6 kV，電源頻率49.5 Hz，負載為一個非線性不對稱負載，結構如圖5所示，仿真時間為0.2 s.在STATCOM沒有投入時，通過電流互感器和電壓互感器測得的電流和電壓波形如圖6所示.由圖6可知，系統中三相電流波形不對稱且畸變較大，三相電壓也存在不平衡.

圖5 不平衡非線性負載結構圖

圖6 補償前三相電流和電壓波形

首先僅將無功和諧波檢測模塊投入使用，在0.1 s時投入STATCOM逆變器，三相電流波形如圖7所示.

由圖7可知，僅使用無功和諧波檢測模塊，投入STATCOM后，STATCOM等效于APF，它能將其中的諧波分量補償掉但不能對三相電流的不平衡分量進行抑制.

然后僅將相序模塊投入使用，在0.1 s時投入STATCOM逆變器，三相電流波形如圖8所示.

圖7 三相電流波形圖（僅投入諧波和無功檢測模塊）

圖8 三相電流波形圖（僅投入相序分離模塊）

為觀察三相電流中的無功成分，我們選擇三相電壓和電流視角，三相電壓和三相電流對比波形如圖9所示.

由圖8和圖9可知，僅投入相位分離模塊后，此時STATCOM逆變器是一個APF，它雖然能實現對諧波分量的補償并抑制電網三相電流的不平衡分量，但不能補償電網的無功分量.

最后將無功和諧波檢測模塊以及相序分離模塊一起投入使用，在0.1 s投入STATCOM逆變器，參考信號和逆變器輸出電流波形如圖10所示.

圖9 三相電壓和電流波形對比圖

圖10 三相參考信號和逆變器輸出電流波形

此時三相電流波形的波形如圖11所示.三相電壓和電流波形如圖12所示.

由圖11和圖12可知，投入STATCOM后，STATCOM不僅可以補償三相電路中的無功分量還可以補償三相電路中的諧波和不平衡分量.

圖11 逆變器投入前后三相電流波形對比

圖12 STATCOM投入前后三相電壓和電流對比

6 結論

隨著電力電子等各種非線性裝置的廣泛應用，電力系統的運行環境越來越惡劣.傳統的STATCOM和APF只能補償基波無功電流和諧波，在惡劣工況下其應用受到了很大的限制.本文提出的新型控制方法融合了傳統STATCOM和APF的特點，是一種可用于惡劣工況下的STATCOM.仿真分析表明，采用本文方法的STATCOM，可以對電源電壓不平衡和非線性不平衡負載條件下的電網進行補償，響應準確且快速.

[1]武守信，周孝信，趙賀，等.電力系統最新技術：靈活交流輸電系統的發展及研究[J].電網技術，1996，20（5）：1-3.

[2]Peng F Z,Lai J S.A multilevel voltage-source inverter with separate DC source for static var generation[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,32(5):1130-1137.

[3]Edwards C W,Mattern K E.Advanced Static Var Generator Employing GTO Thyristors[J].IEEE Transactions on Power Delvery,1998,3(4):1622-1627.

[4]劉釗.風力發電系統中鏈式STATCOM關鍵技術[D].武漢：華中科技大學，2010.

[5]公茂忠，劉漢奎，顧建軍，等.并聯型有源電力濾波器參考電流獲取的新方法[J].中國電機工程學報，2002，22（9）：43-47.

[6]Hochgraf Lasserter R H.Statcom controls for operation with unbanced voltage[J].IEEE Transactions on Power Delvery,1998,13(2):538-544.

[7]付延婷.不平衡負荷的靜止無功補償裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[8]Li Kuang,Liu Jinjun,Wang zhaoan,et al.Static Var Generator Control Strategy for Unbalanced Systems in Medium Voltage Applications[C].Aachen:20043Srh Annual IEEE Power Electronic Specializers Conference,2004:4257-4262.