鏈式STATCOM物理模擬實驗系統的設計

白云飛，萬萌

（1.西安西電自動化控制系統有限責任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

鏈式STATCOM物理模擬實驗系統的設計

白云飛1，萬萌2

（1.西安西電自動化控制系統有限責任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

物理模擬實驗是現代電力設備制造及電力系統研究的重要方法，該方法與仿真實驗以及數字動模實驗相比，能夠更好地模擬實際電路系統的真實工況。針對鏈式STATCOM系統設計了用于進行鏈式STATCOM物理模擬實驗的物模系統，提出了主電路計算方法，設計了基本的電路模塊，并進行了相關的實驗驗證。

物理模擬實驗；鏈式STATCOM；IGBT；研究系統

物理模擬實驗是現代電力設備制造及電力系統研究的重要方法。該方法是通過建立與原型電力設備或電力系統中某個子系統的在物理特性上相似的實體模型，然后在特定的環境下組成等效系統來驗證控制保護系統功能正確性或系統設計合理性的實驗測試方法。物理模擬實驗與一般仿真實驗相比，最大的優點是物理模擬實驗系統（簡稱“物模系統”）可以反映物理模擬的原型的實際工作過程，且實體現象直觀、豐富。與數字動模實驗相比，物理模擬實驗對控制器系統的檢驗更加全面，在物理模擬中所使用的控制系統結構與真實控制系統完全相同，既包含了控制系統中的核心控制單元，又包含控制系統中除了控制單元以外的輔助單元，而在數字動模中通常只對核心控制器進行模擬。鏈式STATCOM（Cascaded Static Synchronous Compensator，STATCOM）物理模擬實驗系統是根據模擬理論及相似原理將實際中的原型系統各部分按同比例縮小構建的實驗研究系統。

1 結構設計和主要參數的選擇

1.1 物模系統中鏈式STATCOM主電路結構

根據鏈式STATCOM中鏈式電路三相所采用的接線方式劃分，鏈式STATCOM可以分為“Y”形接線和“△”形接線2種電路結構。在設備容量和接入的系統電壓相同的情況下，這2種不同的電路結構對組成鏈式STATCOM中電力電子開關器件參數的選擇區別較大。本文在設計物模系統時按照實際工程選擇了“Y”形接線的鏈式STATCOM。

1.2 物模系統主電路參數的計算

本文所設計鏈式STATCOM物模系統所接入的電網電壓US為380 V，鏈式STATCOM電路結構采用“Y”形接線。鏈式STATCOM物模系統的設計補償容量為S為±3 kVar，則其最大相電流IcY－max為：

鏈式STATCOM接入系統的相電壓有效值USP為：

接入系統的相電壓有效值USP、鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UcY－max與電抗器的端電壓有效值URe之間滿足公式：UpY－max=USP+URe.

鏈式STATCOM中電抗器的電抗率η通常選擇11%～15%，本文設計所的物模系統中，電抗器的電抗率選取14%，則電抗器的端電壓有效值URe可由以下公式得出：URe=ηUSP.

由上述可知，鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UpY－max取值為250.1 V。由于電壓源型逆變器的輸出電壓實際由各功率單元提供，因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間滿足下列關系：

式（1）中：N為每相功率單元的數量，出于對物模系統實驗規模的考慮，每相功率單元的數量為8個。

為了保證鏈式STATCOM輸出波形的諧波含量較低，鏈式STATCOM控制系統所采用的調制比m一般設定在0.6～0.85之間。因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間的實際關系應為：

1.3 功率單元關鍵參數的計算

功率單元中的關鍵元件包括電力電子開關器件即IGBT元件和直流支持電容器，為了確定2個元件的參數首先需要確定功率單元直流電容器電壓Udc.

根據上述計算公式可計算得出物模系統中功率單元直流電容器電壓Udc=52 V。IGBT元件的額定電流為3.21 A。直流側電容電壓的構成包含1個直流分量和頻率交流系統2倍的分量。直流電容器電壓波動的峰值即直流電容器電壓的紋波值，由直流支撐電容的電容值決定。直流電容電壓的紋波系數取5%，因此，直流支撐電容的電容值為1 675 μF。根據上述計算結果，IGBT元件時選取了額定參數為400 V、25 A的IGBT元件，直流支撐電容器選取了400 V、330 μF的電解電容6個并聯的電容器組，等效電容為1 980 μF。

1.4 接入電抗器參數的計算

當系統吸收無功時，系統電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓低于系統電壓，電流滯后系統相電壓為90 V。當系統吸收無功時，系統電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓高于系統電壓，電流超前系統相電壓為90 V。接入電抗器基準阻抗值為：

由上述計算公式可知，XL=6.6 Ω。另外，由于接入電抗器的電抗率γ=1 4%.則電抗器的基波電抗值XLN=XLγ=0.924 Ω。電抗器電感值L=2.9 mH。

2 物模系統功率單元的硬件設計

物模系統的功率單元由IGBT逆變模塊和功率單元控制板兩部分組成。

2.1 IGBT逆變模塊

IGBT逆變模塊的主體結構為單相全橋逆變電路，IGBT逆變模塊采用PCB安裝的結構。IGBT的驅動電路中的驅動芯片選取國際整流器公司（International Rectifier，IR）的IR2110S驅動芯片，該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，采用DIP14腳封裝，兼有光耦隔離型驅動芯片體積小和電磁隔離型驅動芯片信號傳輸速度快的優點，是中小功率逆變裝置中常用的驅動器件。

2.2 功率單元控制板

功率單元控制板是一種高電位設備，是功率單元和鏈式STATCOM控制保護系統接口元件。功率單元控制板和鏈式STATCOM控制保護系統之間采用光纖連接以確保高低電位的電氣隔離。功率單元控制板主要功能有IGBT觸發脈沖分配、直流電壓測量、直流電容器過電壓保護、低電壓閉鎖和IGBT故障閉鎖等功能。

3 結論

本文設計的物模系統可以模擬鏈式STATCOM的實際工況，實現對控制保護系統的功能驗證。鏈式STATCOM物理模擬實驗系統的建成為研究鏈式STATCOM及其控制保護系統的性能提供了重要的研究手段，可以加快鏈式STATCOM控制保護系統的研發進度。

［1］吳國渝.電力系統仿真［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］劉正富.鏈式靜止同步補償器主電路及控制策略研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

〔編輯：張思楠〕

TP301.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.104

2095－6835（2017）19－0104－02