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PI控制器分別控制DSTATCOM直流側(cè)電壓和公共連接點交流電壓的補償控制策略。在農(nóng)電網(wǎng)電源電壓波動和負載低頻波動的典型不正常工況條件下進行了仿真測試。結(jié)果表明，所提方法對系統(tǒng)和負載的電壓閃變和波動抑制效果明顯，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： S24；TM712文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0226-04

收稿日期：2017-03-07

基金項目：渭南師范學(xué)院教改研究項目（編號：JG201631、JG201527）；渭南師范學(xué)院科研計劃（編號：16YKS013、16YKP007）。

作者簡介：周碧英（1978—），女，陜西大荔人，碩士，副教授，主要從事計算機仿真技術(shù)。E-mail：biyingzhou@126.com。在現(xiàn)代社會中，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、輸電距離遠和用電負荷密度小的特點，系統(tǒng)運行方式受季節(jié)和氣候的影響明顯，其電壓質(zhì)量較難達到標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)電氣化進程的加速，大量農(nóng)業(yè)用電設(shè)備的投入運行，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格。而農(nóng)電網(wǎng)中電壓發(fā)生波動的概率很高[3-4]，如線路的分合閘操作、大功率灌溉電動機啟動及調(diào)速、排澇負荷等特種沖擊重載負載投入或退出電網(wǎng)、雷擊傳輸線和線路故障等因素都會引發(fā)農(nóng)電網(wǎng)局部電壓發(fā)生波動。嚴(yán)重的電壓波動會對電壓敏感設(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，還必須具有先進的調(diào)節(jié)控制手段[5-7]。由于傳統(tǒng)機械式投切電容器補償?shù)膭幼骶徛矣质艿讲僮黝l率上限制約，因此對電力系統(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。在農(nóng)業(yè)配電網(wǎng)中，將中小容量的STATCOM安裝在特殊負荷附近，采用合理的控制策略就能有效改善電壓質(zhì)量，對提高功率因數(shù)、抑制電壓凹陷和閃變波動有著重要作用。

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安裝在某些特殊負荷附近，可以顯著地改變負荷與公用電網(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，在補償點設(shè)置系統(tǒng)電壓和電流測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行補償，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)對功率器件耐壓等級的要求有所降低，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拖動、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相負載折算電感、電阻；U（t）mA、U（t）sA分別為A相負載電壓、開關(guān)電壓瞬時值；i（t）A為A相負載電流瞬時值。

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電壓瞬時值；U（t）O為輸出電壓瞬時值。

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)電容電壓來實現(xiàn)的，利用DSTATCOM與系統(tǒng)連接點的電壓和電流的同步信號采集來進行對比生成控制信號，將輸出控制信號提供給變流器來控制開關(guān)器件通斷，發(fā)出無功補償電流。

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的測量、直流母線端電壓控制、參考補償電流的提取和開關(guān)器件脈沖信號生成等關(guān)鍵問題。圖3中使用2個比例積分（PI）控制器來分別控制DSTATCOM的直流母線電壓和公共連接點的交流電壓。DSTATCOM的補償電流超前或滯后電壓90°，補償電流會產(chǎn)生電壓降，而線電壓幅度始終保持在其參考值。當(dāng)負載是電感性時，DSTATCOM工作過程類似電容器補償。配合無功電流控制，DSTATCOM的控制功能包括了諧波濾除、負載平衡和中性線電流補償。圖3含有2個PI控制器，利用電流同相分量校正負載的功率因數(shù)，通過同步參考幀正交分量調(diào)節(jié)公共連接點處的系統(tǒng)電壓。PI控制器的輸出通過直流母線電壓測量，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）獲得正序和負序的同步參考信號，在通過低通濾波器（low-pass filter，LPF）時，同時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參考電流。當(dāng)在電路中產(chǎn)生參考電源電流時，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。控制器的功能是控制在期望的參考電流值附近的DSTATCOM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)出的補償電流經(jīng)濾波器濾除諧波后送入系統(tǒng)，完成補償過程。

4仿真結(jié)果及分析

按照圖3所示的補償控制方法在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1 MW固定負載和1個可變負載，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在電源電壓波動時對母線電壓的穩(wěn)定作用

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

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

為便于計算和對結(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。因為母線B3附近安裝有DSTATCOM可以抑制電壓的波動及閃變，母線B3的電壓變化幅值遠小于母線B1，如在電壓波動最為劇烈的 0.1 s 時刻，母線B1幅值達到了額定電壓的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，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略有波動，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)具有很好的動態(tài)性能。

4.2DSTATCOM對負載低頻波動的抑制作用

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

會引起電動機轉(zhuǎn)距脈動及嚴(yán)重發(fā)熱，造成運行噪聲加大。低頻穩(wěn)態(tài)運行時，受電網(wǎng)電壓波動或系統(tǒng)負載的變化及變頻器輸出電壓波形畸變的影響，將引起電動機的抖動。因此必須采取相應(yīng)的措施，使系統(tǒng)的低頻運行特性能得以改善。

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

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

5結(jié)語

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

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