靜止同步補償器偏磁控制方法

張建國，牟曉春，李　陽

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.浙江富陽市供電公司，浙江富陽311400）

靜止同步補償器偏磁控制方法

張建國1，牟曉春2，李陽3

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.浙江富陽市供電公司，浙江富陽311400）

靜止型無功補償器（STATCOM）對其控制系統的研究和設計是保持系統穩定和正常運行的一個重要方面。分析了偏磁對STATCOM運行的影響及危害；提出了一種有效的偏磁控制方法及其程序實現，減小了因偏磁而產生的二次諧波，提高了STATCOM輸出電壓的質量和運行可靠性；針對某±500 kVar的STATCOM工程進行仿真，其結果驗證了此補償方法的有效性和必要性。

靜止同步補償器；偏磁；諧波抑制

隨著大功率電力電子器件的迅猛發展，在電力系統中引入靈活交流輸電系統（FACTS）和用戶電力的概念［1-3］。這是電力電子技術在電力系統中應用的結果，也是電力系統發展的趨勢。靜止同步補償器（STATCOM）作為一種新型的快速連續雙向調節無功的新一代靜止無功補償裝置，在改善系統穩定性、提高現有輸電線路的輸送容量和抑制電壓閃變等方面具有很大的優勢［4-6］。目前，國內外已研制出多臺容量不等的STATCOM裝置，并且部分已投入到電力系統運行中，但在STATCOM的主電路設計和控制方法上各有不同。文獻［7］分析了偏磁對變壓器的影響，給出了限制偏磁的措施，但是沒有給出具體的實現方法。文獻［8］提出一種通過對調制波進行直接處理的全數字化基于脈寬處理的偏磁抑制方法，并用在3 kW單相光伏并網逆變器的樣機上，取得了較好的效果。文中提出了一種有效控制偏磁的方法及其軟件實現，并在±500 kVar STATCOM上進行仿真測試，結果證明了該方法能有效抑制偏磁的產生，提高了STATCOM輸出電壓的質量和STATCOM的運行可靠性。

1　系統結構及其逆變器拓撲結構

±500 kVar STATCOM裝置主要包括硬件和軟件兩大部分，其系統硬件結構如圖1所示。由圖可見，該系統主要由2個三級逆變器橋（TLI1，TLI2）上下電容器組、1個三相三繞組分裂變壓器、控制器和保護及輔助單元組成。硬件部分除了完成能量變換外，還兼具保護等功能。±500 kVar STATCOM的調節控制功能主要是由軟件實現的，并可依據不同的現場要求來選取軟件模塊。這種雙逆變橋通過分裂變壓器連接到系統的結構更有助于改善STATCOM輸出電壓及電流的總諧波失真（THD）值，例如5，7，17，19次等6n±1（n=1，3，5…）次諧波可以通過分裂變壓器消除，而不影響基波的值。

其中，三級逆變器（TLI1，TLI2）的拓撲結構如圖2

圖1　±500 kVar STATCOM的系統結構

所示，圖中三級逆變器的每一相都有4個自換向的元件 （如A相的V11，V12，V13，V14），2個鉗位二極管 D11，D12和4個反并二極管D1，D2，D3，D4。這種三級逆變器與常規的兩級逆變器相比，具有輸出諧波小和可以提高STATCOM電壓等級的優點。

圖2　三級逆變器的主電路結構

由圖可以看出，這種三級逆變器的拓撲結構連接到上下2個電容器上，為了保證逆變器輸出電壓上下半波完全對稱，上下2個電容器電壓必須相等，否則，會使STATCOM輸出電壓中含有較大的二次諧波；同時，上下電容電壓嚴重不對稱，還將使元件上承受的反壓增大，危及元件的安全運行。

2　偏磁產生的原因及影響

偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態，是指在變壓器勵磁電流中產生了直流分量。換流變壓器在交變輸電系統中，處于交流電與直流電相互變換的核心位置，是交變輸電的關鍵設備。由于直流輸電系統與交流輸電系統具有不同的特點和運行方式，因此某些直流輸電系統所獨有特點會在換流變壓器勵磁電流中引入直流電流分量。

前面提到，為了保證逆變器輸出電壓上下半波完全對稱，上下2個電容器電壓必須相等。然而在實際運行中，由于種種原因，上下電容電壓并不平衡，其原因如下：上下電容電容器組容值不完全相同；與電容起并聯的放電電阻阻值不等；三級逆變器中各開關元件及其吸收電路參數的分散性；控制電路中同步信號正負半波的不對稱等。

上下電容電壓的不平衡將使STATCOM輸出電壓上下半波不對稱，從而引起STATCOM輸出變壓器發生偏磁或直流磁化。變壓器磁化將會使變壓器易于飽和，在有偏磁的一側，電流會迅速增大，而另一側由于飽和導致該側電流波形劇烈畸變，使STATCOM輸出電壓和電流中含有大量的諧波，最終導致STATCOM停止運行。為此，必須對上下電容電壓進行控制，抑制偏磁的產生。

3　偏磁控制策略及程序實現

3.1控制方法

以單相為例，如圖3（a）所示，一般脈沖發生器輸出的脈寬調制（PWM）波上下半波是對稱的，不含偶次諧波。為了產生偶次諧波，可以通過控制PWM波的上、下半波朝相向（如圖3（b））或相反（如圖3（c））方向移動，即可產生偶次諧波，而所產生的偶次諧波的大小與移動量Δδ有關。當δ+Δδ>δ時，即PWM波的上、半波朝相向方向移動，可以使上電容電壓UC1減小，下電容電壓UC2增大，反之，當δ-Δδ<δ時，可以使上電容電壓UC1增大，下電容電壓UC2減小。

3.2程序實現

±500 kVar STATCOM的控制器是以數字信號處理器（DSP）和可編程現場門陣列（FPGA）為核心的智能控制器。其中，DSP負責完成各種運算及監控等功能，由FPGA及相關部件來構成脈沖發生器。因此，在偏磁控制的實現中，主要由DSP來完成上下電容電壓檢測，PID調節計算以及控制輸出到FPGA，并由FPGA根據相應的同步信號來產生PWM波形。

圖3　產生偶次諧波時的控制波形

由于PWM每相正半波根據該相同步信號正的過零點產生，負半波則由負的過零點產生。因此DSP必需實時檢測同步信號的狀態，把實時計算的結果送給FPGA。偏磁控制過程是一個閉環控制的過程，其程序流程如圖4所示。

圖4　偏磁控制流程

圖中，當UC2大于UC1時，PID計算求得的結果Δδ為負值，當同步信號為正的過零點時，δ（n）=δ（n-1）+ Δδ小于δ（n-1）當同步信號為負的過零點時，δ（n）=δ（n-1）-Δδ大于δ（n-1），結果使控制波形朝相反的方向移動，使UC1增大，UC2減小，這種調節過程直到上下電容電壓平衡時達到穩態。

反之，當UC2小于UC1時，PID計算求得的結果Δδ為正值，當同步信號為正的過零點時，δ（n）=δ（n-1）+ Δδ大于δ（n-1），當同步信號為負的過零點時，δ（n）=δ（n-1）-Δδ小于δ（n-1），結果使控制波形朝相向方向移動，使UC1減小，UC2增大，上下電容電壓趨于平衡。

4　仿真分析

在PSCAD中搭建與現場運行相一致的仿真模型，驗證所設計的控制策略的可行性。系統的線電壓有效值為1000 V，直流側電容上電容為1950 μF，下電容為2000 μF，系統容量為500 kVar。其對應的仿真波形如圖5所示。

圖5　系統仿真結果

由圖5（a）可見，0.75 s之前偏磁控制模塊沒有投入，此時電容電壓超出上電容電壓100 V左右；0.75 s時投入偏磁控制模塊，此時上下電容電壓幾乎相等。圖5（b）所示，STATCOM輸出電壓波形嚴重不對稱，圖5（c）為STATCOM輸出電流，可見電流中含有較大的二次諧波。0.75 s時投入偏磁控制模塊后，STATCOM輸出電壓波形良好，且輸出電流中幾乎沒有二次諧波。

由此可見，文中所提出的偏磁控制方法，可有效地維持直流側上下電容電壓的平衡及抑制輸出電流中的二次諧波，從而對STATCOM的安全穩定運行有著重要的實際意義。

5　結束語

STATCOM作為無功補償系統中的一種重要補償類型，在目前的無功產品中應用最為廣泛。分析了偏磁的原因、產生的影響和由此可能給STATCOM帶來的后果，提出了一種有效控制偏磁的方法及其軟件實現。在±500 kVar STATCOM上進行了測試，結果證明該方法能夠抑制偏磁的產生，減小了二次諧波，提高輸出電壓電流的質量，保證STATCOM可靠運行。

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The Magnetic Bias Control Method of Static Synchronous Compensator

ZHANG Jianguo1，MOU Xiaochun2，LI Yang3
（1.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.NARI Technology Development Co.Ltd.，Nanjing 211106，China；3.Fuyang Power Supply Company，Fuyang 311400，China）

As the most important style of reactive power compensation systems，it is important to study the control system of static synchronous compensator（STATCOM）to keep its stable and normal operation.This paper analyzes the influences of bias magnetic to STATCOM，and proposes an effective magnetic bias control method for second harmonics reduction.It improves the quality and reliability of STATCOM output voltage.Finally，the method is applied to the±500kVar STATCOM，and the results show the compensation method is effective.

static synchronous compensator（STATCOM）；magnetic bias control；harmonic suppression

TM721

B

1009-0665（2015）03-0034-03

2015-01-06；

2015-03-15

張建國（1971），男，江蘇江陰人，高級工程師，從事電力系統設計工作；

牟曉春（1983），男，山東煙臺人，碩士，從事無功補償、微電網控制研究工作；

李陽（1984），女，吉林四平人，碩士，從事變壓器運行、電力系統保護工作。