含有DSTATCOM裝置的農(nóng)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性研究

周碧英+陰國富

摘要：在農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)中加裝DSTATCOM裝置是提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的有效方式。在分析DSTATCOM工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型，提出了一種利用2個(gè)PI控制器分別控制DSTATCOM直流側(cè)電壓和公共連接點(diǎn)交流電壓的補(bǔ)償控制策略。在農(nóng)電網(wǎng)電源電壓波動(dòng)和負(fù)載低頻波動(dòng)的典型不正常工況條件下進(jìn)行了仿真測(cè)試。結(jié)果表明，所提方法對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載的電壓閃變和波動(dòng)抑制效果明顯，有效提高了農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)的供電電壓質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：DSTATCOM；電壓穩(wěn)定性；農(nóng)電網(wǎng)

中圖分類號(hào)： S24；TM712文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0226-04

收稿日期：2017-03-07

基金項(xiàng)目：渭南師范學(xué)院教改研究項(xiàng)目（編號(hào)：JG201631、JG201527）；渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃（編號(hào)：16YKS013、16YKP007）。

作者簡介：周碧英（1978—），女，陜西大荔人，碩士，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。E-mail：biyingzhou@126.com。在現(xiàn)代社會(huì)中，電能已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性能源。農(nóng)電網(wǎng)主要由農(nóng)村電力線路和農(nóng)村變電所組成，相比城市供電具有用戶分散、輸電距離遠(yuǎn)和用電負(fù)荷密度小的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行方式受季節(jié)和氣候的影響明顯，其電壓質(zhì)量較難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)電氣化進(jìn)程的加速，大量農(nóng)業(yè)用電設(shè)備的投入運(yùn)行，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格。而農(nóng)電網(wǎng)中電壓發(fā)生波動(dòng)的概率很高[3-4]，如線路的分合閘操作、大功率灌溉電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速、排澇負(fù)荷等特種沖擊重載負(fù)載投入或退出電網(wǎng)、雷擊傳輸線和線路故障等因素都會(huì)引發(fā)農(nóng)電網(wǎng)局部電壓發(fā)生波動(dòng)。嚴(yán)重的電壓波動(dòng)會(huì)對(duì)電壓敏感設(shè)備造成不良影響，甚至損毀用電設(shè)備，造成一些不必要的損失。

提高農(nóng)電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量，除了電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)要合理以外，還必須具有先進(jìn)的調(diào)節(jié)控制手段[5-7]。由于傳統(tǒng)機(jī)械式投切電容器補(bǔ)償?shù)膭?dòng)作緩慢，且又受到操作頻率上限制約，因此對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定難以起到有效的控制作用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，形成了以變流器為核心的新型控制設(shè)備，對(duì)電壓、線路阻抗和功率角等影響潮流分布的參數(shù)均可按系統(tǒng)要求進(jìn)行快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。STATCOM是柔性交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS）中的重要裝置之一[8]，具有調(diào)節(jié)速度快、范圍寬、連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)中，將中小容量的STATCOM安裝在特殊負(fù)荷附近，采用合理的控制策略就能有效改善電壓質(zhì)量，對(duì)提高功率因數(shù)、抑制電壓凹陷和閃變波動(dòng)有著重要作用。

1DSTATCOM工作原理概述

STATCOM主電路一般采用電壓型逆變器和直流側(cè)電容構(gòu)成，在配電網(wǎng)中將中小容量的STATCOM安裝在某些特殊負(fù)荷附近，可以顯著地改變負(fù)荷與公用電網(wǎng)連接處的電能質(zhì)量。這種用于配電網(wǎng)的STATCOM一般被稱為DSTATCOM。其主電路及控制方式與PWM整流器類似，只是無功功率不再為0，而是根據(jù)指令產(chǎn)生所需無功功率。

圖1為DSTATCOM工作原理圖，在補(bǔ)償點(diǎn)設(shè)置系統(tǒng)電壓和電流測(cè)量單元來獲取無功功率參量，根據(jù)輸入值與整定值的比較由控制器發(fā)出指令來控制DSTATCOM主電路開關(guān)器件的通斷。當(dāng)輸入值與整定值存在偏差，則DSTATCOM發(fā)出超前或滯后無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，否則不交換無功功率。DSTATCOM的輸出經(jīng)耦合變壓器與脈沖變壓器進(jìn)行阻抗匹配和電氣隔離后接入電網(wǎng)。

2三電平DSTATCOM數(shù)學(xué)模型

采用三電平逆變器結(jié)構(gòu)不僅使系統(tǒng)對(duì)功率器件耐壓等級(jí)的要求有所降低，而且使得逆變器輸出波形的諧波含量大為減少，在以靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術(shù)和以中高壓變頻為代表的大電機(jī)拖動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用較多。圖2為三電平DSTATCOM主電路。

為了便于推導(dǎo)，假設(shè)主電路開關(guān)器件為理想元件，且三相平衡。這樣可以只取A相進(jìn)行分析，B、C兩相與A相也具有類似結(jié)果。根據(jù)主電路，先寫出交流STATCOM側(cè)的A相電壓關(guān)系的時(shí)域微分方程組：

LAdi（t）Adt=U（t）mA-U（t）sA-rAi（t）A。（1）

式中，LA、rA分別A相負(fù)載折算電感、電阻；U（t）mA、U（t）sA分別為A相負(fù)載電壓、開關(guān)電壓瞬時(shí)值；i（t）A為A相負(fù)載電流瞬時(shí)值。

用SPA、SNA、SOA分別表示A相的3種開關(guān)狀態(tài)，則電壓關(guān)系用開關(guān)函數(shù)可表示為

U（t）sA=s（t）PA[U（t）dcU+U（t）O]+s（t）NA[U（t）O-U（t）dcL]+s（t）OAU（t）O。（2）

式中，U（t）dcU、U（t）dcL分別為直流側(cè)電容CU和CL電壓瞬時(shí)值；U（t）O為輸出電壓瞬時(shí)值。

開關(guān)函數(shù)滿足：

SPA+SNA+SOA=1。（3）

根據(jù)假設(shè)的條件，系統(tǒng)中各相的折算電感和電阻也分別相同，中點(diǎn)三相電流、電壓之和均為0。由以上條件可以得出：

U（t）O=-13U（t）dcU∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL∑j=A，B，Cs（t）Nj。（4）

DSTATCOM的A相數(shù)學(xué)模型為

U（t）sA=s（t）PAU（t）dcU-s（t）NAU（t）dcL-U（t）duC3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj；（5）

LAdi（t）Adt=-rAi（t）A+U（t）mA-s（t）PAU（t）dcU+sNAU（t）dcL+U（t）dcU3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj。（6）

同理可以得B、C相數(shù)學(xué)模型。

3DSTATCOM控制策略endprint

采用DSTATCOM補(bǔ)償無功可以有效提高功率因數(shù)、克服三相不平衡，消除電壓閃變和電壓波動(dòng)帶來的不良影響。DSTATCOM的控制是通過調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)電容電壓來實(shí)現(xiàn)的，利用DSTATCOM與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓和電流的同步信號(hào)采集來進(jìn)行對(duì)比生成控制信號(hào)，將輸出控制信號(hào)提供給變流器來控制開關(guān)器件通斷，發(fā)出無功補(bǔ)償電流。

圖3為農(nóng)電網(wǎng)DSTATCOM控制策略的框圖。在DSTATCOM的控制中主要存在電壓和電流信號(hào)的測(cè)量、直流母線端電壓控制、參考補(bǔ)償電流的提取和開關(guān)器件脈沖信號(hào)生成等關(guān)鍵問題。圖3中使用2個(gè)比例積分（PI）控制器來分別控制DSTATCOM的直流母線電壓和公共連接點(diǎn)的交流電壓。DSTATCOM的補(bǔ)償電流超前或滯后電壓90°，補(bǔ)償電流會(huì)產(chǎn)生電壓降，而線電壓幅度始終保持在其參考值。當(dāng)負(fù)載是電感性時(shí)，DSTATCOM工作過程類似電容器補(bǔ)償。配合無功電流控制，DSTATCOM的控制功能包括了諧波濾除、負(fù)載平衡和中性線電流補(bǔ)償。圖3含有2個(gè)PI控制器，利用電流同相分量校正負(fù)載的功率因數(shù)，通過同步參考幀正交分量調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)處的系統(tǒng)電壓。PI控制器的輸出通過直流母線電壓測(cè)量，作為電源參考電流的正交分量。將輸入電流利用Clarke變換完成從三相靜止坐標(biāo)系（abc）到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq0） 的轉(zhuǎn)化，利用鎖相環(huán)（PLL）獲得正序和負(fù)序的同步參考信號(hào)，在通過低通濾波器（low-pass filter，LPF）時(shí)，同時(shí)加法比較同相電源參考電流和正交電源參考電流獲得瞬時(shí)參考電流。當(dāng)在電路中產(chǎn)生參考電源電流時(shí)，再經(jīng)過坐標(biāo)反變換遲滯電流控制器控制電源電流和瞬時(shí)參考電流，由電流矢量PWM控制器產(chǎn)生DSTATCOM變流器開關(guān)器件的脈沖?？刂破鞯墓δ苁强刂圃谄谕膮⒖茧娏髦蹈浇腄STATCOM電流，而滯環(huán)控制器為DSTATCOM的變流器開關(guān)器件生成觸發(fā)控制脈沖。DSTATCOM根據(jù)控制發(fā)出的補(bǔ)償電流經(jīng)濾波器濾除諧波后送入系統(tǒng)，完成補(bǔ)償過程。

4仿真結(jié)果及分析

按照?qǐng)D3所示的補(bǔ)償控制方法在Matlab/Simulink中搭建如圖4所示的DSTATCOM仿真模型。系統(tǒng)電源參數(shù)如下：配電網(wǎng)電壓25 kV，母線B1與B2之間為21 km用“π”形等值電路模擬的配電線，母線B2帶有3 MW、0.2 Mvar的負(fù)載，母線B2與B3之間為2 km用電感電路模擬的配電線，母線B3后接25 kV/600 V降壓變壓器，接1個(gè)1 MW固定負(fù)載和1個(gè)可變負(fù)載，容量為±3 Mvar的DSTATCOM接在母線B3附近，為了加快仿真速度，系統(tǒng)采用離散化處理。

4.1DSTATCOM在電源電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)母線電壓的穩(wěn)定作用

農(nóng)電網(wǎng)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中， 當(dāng)電源電壓由于某種原因

產(chǎn)生波動(dòng)而偏離額定值，必然會(huì)引起各母線電壓發(fā)生變化，進(jìn)而影響各種用電器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜半娏ο到y(tǒng)的運(yùn)行。為了模擬這種工況，驗(yàn)證DSTATCOM的動(dòng)態(tài)性能和抑制電壓波動(dòng)及閃變的能力，設(shè)置電源輸出電壓在0.1 s時(shí)刻上升到額定值的1.1倍，在0.2 s時(shí)刻下降到額定值的0.9倍，在0.3 s時(shí)刻上升到額定值的1.05倍，在0.4 s時(shí)刻恢復(fù)到額定值。

為便于計(jì)算和對(duì)結(jié)果分析比較，圖5中各母線電壓、電流、有功功率和無功功率均取用標(biāo)幺值（PU）。圖5為母線B1與B3電壓波形比較，可以看出由于母線B1電壓距離電源較近，其電壓跟隨電源電壓變化，幅值變化較大。因?yàn)槟妇€B3附近安裝有DSTATCOM可以抑制電壓的波動(dòng)及閃變，母線B3的電壓變化幅值遠(yuǎn)小于母線B1，如在電壓波動(dòng)最為劇烈的 0.1 s 時(shí)刻，母線B1幅值達(dá)到了額定電壓的114%，而母線B3幅值僅為額定電壓的103%，保證了電壓在5%以內(nèi)波動(dòng)，提高了電壓穩(wěn)定性。可以看出母線B3電壓在DSTATCOM的作用下，基本維持在額定電壓附近。

圖6為DSTATCOM有功功率變化，圖7為DSTATCOM的無功功率變化，可以看出有功功率基本維持不變，只是在無功功率突變時(shí)略有波動(dòng)，表明系統(tǒng)具有良好的解耦控制性能。圖8為DSTATCOM的電流波形，可以看出當(dāng)母線B3電壓產(chǎn)生波動(dòng)后，DSTATCOM迅速作出反應(yīng)發(fā)出或吸收相應(yīng)的無功電流，維持了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能。

4.2DSTATCOM對(duì)負(fù)載低頻波動(dòng)的抑制作用

農(nóng)電網(wǎng)中大量應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)，在運(yùn)行在低頻區(qū)域時(shí)，其性能不夠理想，主要表現(xiàn)在低頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，造成系統(tǒng)啟動(dòng)困難甚至無法啟動(dòng)。變頻器產(chǎn)生的非線性高次諧波，

會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距脈動(dòng)及嚴(yán)重發(fā)熱，造成運(yùn)行噪聲加大。低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，受電網(wǎng)電壓波動(dòng)或系統(tǒng)負(fù)載的變化及變頻器輸出電壓波形畸變的影響，將引起電動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。因此必須采取相應(yīng)的措施，使系統(tǒng)的低頻運(yùn)行特性能得以改善。

為了模擬這種工況，設(shè)置系統(tǒng)在0.15 s開始、負(fù)載參數(shù)

頻率為5 Hz的低頻波動(dòng)。圖9為無DSTATCOM時(shí)母線B3電壓，可以看出負(fù)載波動(dòng)引起母線B3電壓產(chǎn)生同樣的波動(dòng)，電壓波動(dòng)達(dá)到了±4%。圖10為系統(tǒng)投入DSTATCOM后母線B3電壓，可以看出電壓波動(dòng)得到了明顯的抑制，只有 ±0.7%。

5結(jié)語

針對(duì)農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差、受負(fù)載影響波動(dòng)大的問題，結(jié)合開關(guān)函數(shù)法建立了三電平DSTATCOM詳細(xì)時(shí)域數(shù)學(xué)模型，提出了利用DSTATCOM與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓和電流的同步信號(hào)采集來進(jìn)行對(duì)比生成控制信號(hào)的控制策略。結(jié)果表明，所提方法對(duì)電源電壓和負(fù)載引起的波動(dòng)能夠快速有效地進(jìn)行補(bǔ)償，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

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