鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的設(shè)計與仿真研究

邵燕秋 邵宜祥 簡優(yōu)宗 陳董秀 朱菲菲

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 211000）

鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的設(shè)計與仿真研究

邵燕秋 邵宜祥 簡優(yōu)宗 陳董秀 朱菲菲

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 211000）

分析了鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率單元結(jié)構(gòu)，闡述了雙極性PWM調(diào)制方法和載波移相角的選取，采用恒無功控制理論搭建了基于 PI控制的控制電路，并且給出了PSCAD|EMTDC仿真結(jié)果。仿真結(jié)果說明了系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可靠性，也說明了STATCOM作為新一代FACTS裝置具有良好的性能。

鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器；PWM調(diào)制；載波移相角；控制電路

靜止無功補(bǔ)償器是第三代 FACTS技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要設(shè)備之一。鏈?zhǔn)届o止無功補(bǔ)償器（STATCOM）具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率和接入點電壓的能力，并且具有運行范圍廣、響應(yīng)速度快、控制策略靈活、裝置損耗低等優(yōu)點。

早期的 STATCOM，使用的開關(guān)器件是開關(guān)頻率較低的門極可關(guān)斷晶閘管GTO，主電路一般采用單相橋結(jié)構(gòu)或三相橋結(jié)構(gòu)，并且控制策略比較落后，存在諧波含量高、補(bǔ)償延時、補(bǔ)償容量低等問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，STATCOM實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，在大容量STATCOM的研究中，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM是各國研究的熱點［1-4］。

STATCOM 的應(yīng)用可以緩解電力系統(tǒng)對動態(tài)無功功率的需求，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈活性和可靠性，對保證電網(wǎng)節(jié)能、高效、穩(wěn)定運行具有重要的意義。對STATCOM的研究，不僅可以提升在電力系統(tǒng)柔性交流輸電方面的科研水平，而且能夠提升用戶側(cè)電能質(zhì)量［5］。

1　主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)絊TATCOM的核心部分是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的逆變器。它的每一相都是由若干個結(jié)構(gòu)相同而輸出電壓不同的單相H橋逆變器串聯(lián)而成，每個單相H橋逆變器并聯(lián)一個獨立的直流電容器，通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，每個H橋逆變器都可以產(chǎn)生多種類型的電平電壓，將串聯(lián)的H橋逆變器的輸出電壓疊加起來，就構(gòu)成了逆變器的最終輸出電壓［6］。

從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，對三相鏈?zhǔn)?STATCOM而言，有星形聯(lián)接和三角形聯(lián)接兩種聯(lián)接型式。對相同的電壓等級和容量等級而言，采用星形聯(lián)接時閥組承受的電壓較小，且在工程實踐中，星型聯(lián)接的占地面積通常略小。所以本次仿真采用的是三相換流鏈按星形連接后，通過連接電抗器接入 10kV電網(wǎng)，并且中性點不接地。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1雙極性PWM調(diào)制

在鏈?zhǔn)絊TATCOM的設(shè)計中，開關(guān)器件為絕緣柵雙極晶體管 IGBT，對其通斷控制采用載波型PWM控制技術(shù)。載波型PWM控制根據(jù)載波的不同，分為單極性PWM控制和雙極性PWM控制。由于雙極性PWM調(diào)制原理簡單，實現(xiàn)起來相對容易，并且與單極性PWM調(diào)制的結(jié)果無本質(zhì)區(qū)別，故工程中鏈?zhǔn)絊TATCOM一般采用雙極性PWM調(diào)制方法。

每個H橋逆變器為一個功率單元，設(shè)每個功率單元的直流電壓為Ud，采用傳統(tǒng)的雙極性PWM調(diào)制得到的輸出電壓波形只有Ud和-Ud兩種電平，因此級聯(lián)輸出電壓階梯波數(shù)量較少［7］。為了使級聯(lián)后輸出電壓階梯波數(shù)量增加，必須使每個功率單元的輸出電壓電平數(shù)增加［8-10］，為此本文采用了改進(jìn)的雙極性PWM調(diào)制技術(shù)。

在改進(jìn)的雙極性PWM調(diào)制技術(shù)中，任一功率單元的PWM脈沖均有一個正弦調(diào)制波tiao和一對反相的三角載波tri1和tri2比較產(chǎn)生。正弦調(diào)制波的頻率為工頻50Hz，三角載波的頻率為1050Hz。

功率單元的結(jié)構(gòu)以及各開關(guān)器件的編號如圖 2所示。

圖2　功率單元結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件編號

調(diào)制波 tiao與三角載波 tri1比較，得到開關(guān)信號 gt1和 gt2，控制功率單元左半橋臂上下兩個開關(guān)器件G1和G2的導(dǎo)通與關(guān)斷。調(diào)制波tiao與三角載波tri2比較，得到開關(guān)信號gt3和gt4，控制功率單元右半橋臂上下兩個開關(guān)器件G3和G4的導(dǎo)通與關(guān)斷。其具體的控制方法見表1。

表1　雙極性PWM調(diào)制方法

由改進(jìn)的雙極性PWM調(diào)制方法得到的功率單元輸出電壓波形如圖3所示。

圖3　功率單元輸出電壓波形

由圖3可以看出，通過改進(jìn)的雙極性PWM技術(shù)得到的單個功率單元的輸出電壓中含有 Ud、0、-Ud三種電平，并且其波形與正弦波之間滿足面積等效原理。

2.2載波移相角的選取

載波移相角cθ與每相串聯(lián)的功率單元個數(shù)N有關(guān)。關(guān)于載波移相角的選取，傳統(tǒng)的方法是采用全波移相方式，全波移相方式的移相角的計算公式為本文鏈?zhǔn)絊TATCOM每相采用8個功率單元串聯(lián)，若采用全波移相方式，則移相角為45°。

采用全波移相方式并將8個功率單元的輸出電壓串聯(lián)起來即得到一相的輸出電壓，其波形如圖 4所示。

圖4　全波移相方式時一相輸出電壓波形

由圖4可以看出，采用全波移相方式得到的一相輸出電壓波形中含有9種電平電壓，即輸出電平種類為N+1。

設(shè)功率單元的編號為 H1—H8，全波移相方式中，8個功率單元對應(yīng)的載波角度見表2。

表2　全波移相方式載波角度

從表2中可以看出，H1與H5、H2與H6、H3與H7、H4與 H8是完全等效的，此時相當(dāng)于只有 4個功率單元串聯(lián)，極大地浪費了開關(guān)器件。

因此，需要對全波移相方式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法是采用半波移相方式，在半波移相方式中，載波移相角此時8個功率單元對應(yīng)的載波角度見表3。

表3　半波移相方式載波角度

從表3可以看出，采用半波移相方式時，任意兩個功率單元之間都不存在等效關(guān)系，因此不會浪費開關(guān)器件。

采用半波移相方式時，一相輸出電壓波形如圖5所示。

圖5　半波移相方式時一相輸出電壓波形

由圖5可以看出，采用半波移相方式得到的一相輸出電壓波形中含有17種電平電壓，即輸出電平種類為2N+1，并且輸出電壓的波形與正弦波相比，已經(jīng)非常接近。

此時，一相輸出電壓波形中含有17種電平，而全波移相方式中，每相只含有9種電平。半波移相方式的輸出電壓電平數(shù)明顯增加，并且波形更加接近正弦波。

從上面的分析中還可以看出，若鏈?zhǔn)絊TATCOM中每相功率單元的個數(shù)N為奇數(shù)，則不論采用全波移相方式還是半波移相方式，都不會出現(xiàn)某兩個功率單元輸出電壓等效的情況，全波移相方式和半波移相方式?jīng)]有區(qū)別。僅當(dāng)每相功率單元的個數(shù)N為偶數(shù)時，采用半波移相方式才明顯優(yōu)于全波移相方式。

2.3控制電路

STATCOM 的控制方式主要有三種：手動開環(huán)控制方式、恒無功閉環(huán)控制方式和恒電壓閉環(huán)控制方式［11-12］。在本次STATCOM的仿真中，因為考慮到要實時補(bǔ)償負(fù)載所需的無功功率，因此采用恒無功控制方式，只不過這里的恒無功不是真正意義上的無功功率保持不變，而是實時采集負(fù)載所需的無功功率，作為控制電路中無功信號的給定值。

設(shè)電網(wǎng)電壓與STATCOM輸出電壓之間的夾角為δ。STATCOM控制器采用δ控制法控制其輸出的無功功率，控制方法采用傳統(tǒng)的PI控制方法和逆系統(tǒng)控制方法。

PI控制中對δ的控制采用如下算法：

式中， δΔ為δ的調(diào)整量，單位為（°）；S為拉普拉斯算子；QΔ即無功功率參考值與實際值之差。其中，K1為積分時間常數(shù)，K2為比例系數(shù)。

逆系統(tǒng)PI控制對δ采用逆PI控制算法，算式如下：

恒無功逆系統(tǒng)PI控制的控制算法框圖如圖6所示。

圖6　恒無功方式下逆系統(tǒng)PI控制算法框圖

3　仿真結(jié)果

前述已經(jīng)建立了八級H橋STATCOM的仿真模型，并且分析了調(diào)試原理，該部分對鏈?zhǔn)絊TATCOM模型進(jìn)行仿真并給出相應(yīng)的仿真結(jié)果。

以A相為例，在八級H橋STATCOM未投入電網(wǎng)時，電網(wǎng)的電壓電流波形如圖7所示。

圖7　STATCOM投入之前A相電壓、電流波形

在t=0.3s時，將鏈?zhǔn)絊TATCOM投入電網(wǎng)，此時電網(wǎng)A相電壓電流波形如圖8所示。

圖8　STATCOM投入之后A相電壓、電流波形

對比圖7和圖8可以看出：在鏈?zhǔn)絊TATCOM投入之前，電網(wǎng)的電壓電流相位差比較大，鏈?zhǔn)絊TATCOM 投入之后，電網(wǎng)的電壓電流相位基本一致。

圖9給出了鏈?zhǔn)絊TATCOM接入電網(wǎng)前后電網(wǎng)的功率因數(shù)變化情況。

圖9　鏈?zhǔn)絊TATCOM投入前后電網(wǎng)功率因數(shù)對比

由圖9可以看出，STATCOM投入之前，電網(wǎng)的功率因數(shù)大約為0.2，投入之后的功率因數(shù)近似為1，并且補(bǔ)償?shù)倪^渡時間較短，說明STATCOM動態(tài)無功補(bǔ)償效果較好。

4　結(jié)論

本文分析了八級鏈?zhǔn)絊TATCOM的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率單元結(jié)構(gòu)，并且通過PSCAD|EMTDC仿真，分析了全波移相方式和半波移相方式的異同點，最后給出了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和仿真結(jié)果。本文對鏈?zhǔn)絊TATCOM的研究是對以往文獻(xiàn)的補(bǔ)充，并且為后續(xù)試驗平臺的搭建奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Simulation Study on Cascade Static Synchronous Compensator

Shao Yanqiu Shao Yixiang Jian Youzong Chen Dongxiu Zhu Feifei
（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211000）

This paper analyzed the main circuit topology and power unit structure of the cascade static synchronous compensator. This paper analyzed the bipolar PWM modulation method and how to select the carrier phase-shifting angle， then constructed the control circuit according to the constant reactive power control theory based on PI control and presented the PSCAD/EMTDC simulation results. The simulation results validated the rationality and reliability of the system， and proved that STATCOM as a new generation of FACTS device has a good performance.

cascade static synchronous compensator； PWM modulation； carrier phase-shifting angle； control circuit

邵燕秋（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向為靜止無功補(bǔ)償器和靜止變頻啟動器。