配電網電壓不平衡下級聯型DSTATCOM控制方法研究

汪浩川，黃云輝

（1.中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

近年來，作為一種性能優越的無功補償設備，配電靜止同步補償器（DSTATCOM）越來越多地應用于配電系統的無功調節。DSTATCOM主要用于調節功率因數、穩定電網電壓、穩定潮流以及提高電力系統動態性能[1]。目前，級聯多電平結構的DSTATCOM在配電網中得到了廣泛應用，優點在于：輸出多電平電壓，減少諧波含量，提高電壓等級；避免開關器件串聯帶來的問題；可直接并網，不需要升壓變壓器，節約成本[2]。

然而，在工程實際的運行中，DSTATCOM經常會面臨配電網電壓不平衡問題。文獻[3]表明，在美國有部分配電網電壓的不平衡度超過3%。在中國，一方面由于工業現場電焊機等單相負荷和電弧爐等不平衡負載的大量應用，導致了電網電壓不平衡問題[4]；另一方面電動汽車和分布式光伏電源等多元負荷的廣泛接入，可能會加劇配電系統的負荷峰谷差和三相不平衡問題[5]。超過一定程度的配電網電壓不平衡將對并網裝置產生不利影響，包括感應交流電機、變速驅動系統以及其他的電力電子設備。在傳統的控制方法中，DSTATCOM一般被控制成正序電壓源。由于DSTATCOM的負序等效電路的阻抗很小，當電網電壓出現不平衡時，自身將流過非常大的負序電流，如果不采取保護措施，可能會燒毀開關元件[6]。此外，運行在配電網電壓不平衡條件下，DSTATCOM會出現二倍頻的直流電壓分量和三倍頻的交流電流分量，嚴重影響控制動態性能和無功補償能力[7]。

可見，配電網電壓不平衡是DSTATCOM必須面對的重要問題。DSTATCOM一方面要保證自身正常運行不脫網，另一方面要保證向電網提供無功支持，減緩電網不平衡給負載帶來的負面影響。部分文獻對電網不平衡時DSTATCOM采用的控制方法進行了研究。文獻[8]針對電壓不對稱工況通過改變正序和負序無功功率指令值的比例，在電壓不對稱工況下柔性地調節輸出的正序和負序無功功率，改善公共連接點電壓。在無功功率分序控制的基礎上，文獻[9]研究利用瞬時對稱分量法對各個采集電氣量進行序分解，構建正、負序等效電路，根據直接功率控制算法分別對無功和三相不平衡負荷補償，消除了DSTATCOM在電網電壓不對稱時可能產生的過流威脅。

本文主要研究一種配電網電壓三相不平衡條件下級聯多電平DSTATCOM的控制方法。全文各章節安排如下：第2節研究級聯多電平DSTATCOM的數學模型及控制方法；第3節針對配電網電壓不平衡條件，提出基于負序控制、零序電壓注入和直流電壓均衡控制結合的控制方法；第4節對所提出的方法進行了仿真驗證，驗證該方法的適用性和有效性；第5節對全文進行總結。

2 級聯多電平DSTATCOM的數學模型及控制方法

2.1 級聯多電平DSTATCOM的數學模型

級聯多電平結構是由多個電平合成階梯波以逼近正弦電壓。這種變換器由于輸出多電平電壓，可以減小諧波，優化輸出電壓頻譜，減小每個開關管受到的應力大小，可以避免dv/dt過大而導致的過壓過流問題。本文采用級聯型多電平逆變器構成三相DSTATCOM的主電路，每相由3個H橋變換器級聯而成，三相之間采用星形連接。基于線電壓和相電流的瞬時值，星型連接的級聯多電平DSTATCOM的數學模型可以表示如下：

其中，ua、ub和uc分別表示各相變換器輸出的電壓，且Lga=Lgb=Lgc=L。

由式（1）、式（2）和式（3）可以得到：

變換器輸出的零序電壓分量為：

因為ia+ib+ic=0，所以式（4）可以寫成：

同理，另外兩相的電壓也能得到這種形式。因此，星型連接的級聯多電平DSTATCOM的電壓方程可以表示為：

2.2 級聯多電平DSTATCOM的常規控制方法

級聯多電平DSTATCOM的常規控制方法，如圖1所示。根據分層控制思路，可以分為上層控制和下層控制。

圖1 級聯多電平DSTATCOM控制框圖

上層控制采用內、外環級聯控制，外環為直流電壓控制和無功控制，內環為矢量電流控制。直流電壓控制的作用是維持直流電壓的穩定，保持直流側功率平衡。無功控制的作用是對電網電壓提供無功支持，維持電網電壓的穩定。直流電壓控制的輸出是d軸電流的參考值；無功控制的輸出是q軸電流的參考值。電流控制的作用是跟蹤外環的輸出值，并提供快速準確的電流保護。直流電壓控制器通過改變d軸電流指令值向電網吸收少量有功功率來補償裝置上的有功損耗并為直流電容充電。上層控制產生的三相調制信號傳輸到下層控制。下層控制主要包括調制模塊，通過一定的調制方法將觸發信號按照一定的規律分配給每個開關，從而對開關的開閉進行有效控制。

3 配電網電壓不平衡條件下級聯多電平DSTATCOM的控制策略

常規的級聯多電平DSTATCOM控制方法不足以應對配電網電壓不平衡時的情況。負序電流的增大及子模塊直流電壓的不穩定會損害DSTATCOM正常運行甚至損壞元器件。在常規控制方法基礎上，本節提出了基于負序控制、零序電壓注入和子模塊直流電壓均衡控制結合的控制方法，以使DSTATCOM在電網不平衡時正常運行。

3.1 負序控制

配電網電壓不平衡下的負序控制分為兩部分：一部分是負序電流指令計算，如圖2（a）所示；另一部分是負序電網電壓計算，如圖2（b）所示。負序電流的指令值通過檢測三相直流電容電壓Vca、Vcb、Vcc計算出dq分量Vcd和Vcq，然后將dq分量引入PI控制器進行微調，最后進行坐標變換得到。將負序電流指令值與正序電流指令值相加，作為電流控制其的指令值。采集三相不平衡的電網電壓，將其進行正負序坐標變換，分離正序電壓分量upα、upβ和負序電壓分量unα、unβ，并通過低通濾波器濾除低頻諧波。將濾波后的正負序電壓分量進行坐標變換得到正負序dq分量upd、upq和udα、uqβ，分別相加得到最后的電網電壓前饋補償值ugd、ugq。

圖2 負序控制框圖

3.2 零序電壓注入

通過計算零序電壓補償到變換器三相輸出電壓上，可以有效調節每相的有功功率，有利于直流電壓的調節，計算為：

通過注入合適的零序電壓分量，可以達到控制每相功率的目的。其中，U0和φ0表示零序電壓矢量U0的幅值和相位，Uga、φga和Ugb、φgb表示A相電網電壓矢量Uga和B相電網電壓矢量Ugb的幅值和相位，Ia、φia和Ib、φib分別表示A相電流矢量Ia和B相電流矢量Ib的幅值和相位。如果零序電壓注入能合適地補償變換器的輸出電壓，電網或負載不平衡時產生的零序電壓可以被抵消。星型連接的DSTATCOM系統可以分為3個獨立的單相，有利于電網或負載不平衡時負序電流的跟蹤控制。

3.3 子模塊直流電壓均衡控制

子模塊直流電壓的均衡控制方法是通過微調每個模塊的有功功率實現每相每個模塊直流的電壓平衡。圖3顯示了電網不平衡下直流電壓均衡控制方法。以A相為例給予說明。首先，每個子模塊直流電壓Vca1、Vca2、Vca3與平均直流電壓(Vca1+Vca2+Vca3)/3作差，將誤差送入PI控制器，得到微調變量ΔVca1、ΔVca2、ΔVca3；將這些微調變量與A相參考電流irefa相位的正弦相乘得到補償電壓值Uacom、Ubcom、Uccom；將補償值加到每一子模塊的內電勢上，得到每個子模塊需要產生的調制信號，通過載波移相調制產生開關脈沖信號。設計的直流電壓均衡控制方法為閉環控制，原理是調節子模塊有功功率與電網的交換，因此該方法具有一定的實用性。

圖3 直流電壓均衡控制框圖

4 仿真分析與驗證

為了驗證方案的可行性，按照提出的控制方法在MATLAB/Simulink中構造一個連接到配電網的級聯多電平的DSTATCOM仿真系統，系統參數如表1所示。

表1 DSTATCOM仿真系統參數

圖4顯示了配電網電壓不平衡工況下級聯多電平DSTATCOM系統輸出電流和A相3個子模塊直流電壓的動態響應。DSTATCOM系統進入穩態運行后，在第2 s由于單向故障，A相電網電壓下降40%，為0.6 p.u.，該故障在2.06 s時被切除。故障期間，電網電壓幅值出現不平衡，如圖4（a）所示。圖4（b）表現了DSTATCOM系統三相輸出電流受不平衡擾動后的動態響應波形，可見電流在0.1 s內基本恢復了穩態，且諧波含量較少。圖4（c）顯示了DSTATCOM系統A相3個子模塊的直流電壓動態響應波形?？梢?，直流電壓受到擾動后在0.2 s時間內都恢復了穩定，且對二倍頻波動的抑制效果很好。

在三相不平衡電壓下通過一定的控制策略要實現兩個目標：（1）要實現自身直流側電壓均衡，從而使系統正常運行；（2）能跟蹤補償合適的無功電流，降低輸出電流的諧波成分。通過仿真顯示，以上兩個控制目標基本完成。

5 結 論

本文研究了配電網電壓不平衡工況下級聯多電平DSTATCOM的控制方法。首先，討論對級聯多電平DSTATCOM的原理和數學模型，說明其傳統的控制方法。其次，在常規控制方法基礎上，提出了基于負序控制、零序電壓注入和子模塊直流電壓均衡控制結合的控制方法，以使DSTATCOM在電網不平衡時正常運行。最后，在MATLAB/SIMULINK中搭建連接到電網的級聯多電平DSTATCOM時域仿真系統，在三相配電網電壓不平衡下對DSTATCOM動態響應特性進行仿真。仿真結果顯示，該方法實現了自身直流側電壓均衡，對二倍頻波動的抑制效果很好，能跟蹤補償合適的無功電流，降低輸出電流的諧波成分。