連接不平衡電網的鏈式靜止同步補償器控制方法及動態特性研究

汪浩川

（中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

目前，中高壓領域靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）的核心部分——電壓源變換器的研究主要集中在多電平變換器[1]。與其他類型的多電平變換器相比，鏈式結構變換器具有電路結構靈活、便于模塊化設計、高壓大容量場合成本較低等優點[2-3]，非常適用于中高壓STATCOM。因此，鏈式STATCOM具有廣闊的發展前景和獨特的研究價值。

三相級聯多電平變換器從拓撲上可看作是3個獨立的單相變換器。所以，從控制的靈活性角度而言，級聯多電平變換器非常適用于三相不平衡系統下的電能質量調節[4]。但是，與平衡系統情況不同，鏈式STATCOM在不平衡系統下面臨著一些特殊問題，相關的控制策略也大不相同。從實際裝置的運行情況來看，鏈式STATCOM工作環境的不平衡和裝置內部直流電壓的不平衡往往是引起裝置故障的主要原因。所以，要充分發揮電能質量調節作用，必須解決三相不平衡系統鏈式STATCOM的關鍵問題。

部分文獻對電網不平衡時鏈式STATCOM采用的控制方法進行了研究。文獻[5]在無功功率分序控制策略的基礎上，提出利用瞬時對稱分量法對各個采集電氣量進行正負序分解，構建正序和負序等效電路，利用直接功率控制法對無功功率和不平衡負荷進行補償，抑制了鏈式STATCOM接入不對稱電網時產生的過電流。文獻[6]綜合考慮并網電壓不平衡和補償電流不平衡的情況，給出了星接串聯H橋多電平靜止同步補償器補償負序電流情況下電壓與電流向量的約束關系，提出了利用補償器三相最大輸出電壓來衡量其補償能力的方法。針對電網電壓不平衡和負載不平衡的工況，文獻[7]提出在系統電壓不對稱情況下將三相負載電流補償為單位功率因數或正序補償電流兩種情況下補償導納的計算方法，實現了不平衡電網電壓下三相不平衡負載電流平衡補償。文獻[8]研究了鏈式STATCOM的功率平衡控制策略，并進行了相應的仿真分析，但沒有考慮到直流側電壓的控制。然而，和一般變換器直流側不同的是，級聯多電平變換器直流側電容是分開控制的。在配電網電壓不平衡條件下，級聯多電平結構STATCOM的直流電壓故障暫態過程中更容易出現不平衡而失穩，這在之前的文獻中研究較少。此外，在STATCOM對不平衡電壓補償后到達穩態會受到擾動而影響穩定性，如何通過自身控制參數的優化來提高STATCOM的穩定性的研究也非常少。

本文主要研究不平衡電網條件下鏈式靜止同步補償器的控制方法和對外表現的動態特性。全文各章節安排如下：第1節研究鏈式STATCOM的基本結構和控制方法；第2節研究鏈式STATCOM的穩態特性，分析其輸出電壓的諧波含量和子模塊直流電壓均衡效果；第3節研究鏈式STATCOM的動態特性，分析控制環路參數對系統運行的影響；第4節對全文進行總結。

1 鏈式STATCOM結構和控制方法

1.1 鏈式STATCOM的結構

本文采用的級聯型多電平H橋逆變器構成鏈式STATCOM的主電路如圖1所示，每相由3個H橋變換器級聯而成，三相之間采用星形或三角形連接。該變換器可以推廣應用于其他各種類型（APF、UPFC、DVR等）電能質量調節器中。

圖1 級聯H橋多電平變換器結構示意圖

1.2 鏈式STATCOM的控制方法

鏈式STATCOM的控制方法如圖2所示。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。圖2中，Udc表示直流側電壓，Qt表示輸出無功，io和uo分別表示輸出電流和電壓，ug表示電網電壓，L表示濾波電感，下標d、q分別表示在d、q軸上的分量，上標*表示指令值，θpcc表示公共連接點（PCC）電壓的相位。

圖2 鏈式STATCOM的控制系統框圖

圖2中的STATCOM輸出電壓dq軸分量uod和uoq可以表示為：

其中，kmsta表示調制比，αsta表示輸出電壓相角。

直流側電流可以表示為：

進一步地，可以得到如下關系：

其中，Cm表示直流電容，Rm表示考慮STATCOM主電路損耗的等效電阻。通過調節輸出電壓相角αsta，可以調節直流電壓的穩定；通過改變調制比kmsta，可以控制端電壓的穩定。

鏈式STATCOM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，其中Vca1、Vca2、Vca3分別表示A相3個子模塊的直流電壓，Uacom、Ubcom、Uccom表示對每相的補償電壓，θi表示電流相角。在A相中，子模塊直流電壓Vca1、Vca2、Vca3與平均直流電壓（Vca1+Vca2+Vca3）/3作差，誤差輸入到PI控制器，輸出變量為ΔVca1、ΔVca2、ΔVca3。將這些變量與A相的參考電流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輸出電壓，可以得到子模塊所需要產生的調制信號，通過載波移相調制策略得到驅動IGBT的PWM信號。

3 鏈式STATCOM的穩態仿真分析

為了驗證方案的可行性，在MATLAB/Simulink環境中構造了一個鏈式STATCOM仿真系統，如圖4所示。該STATCOM系統通過連接電抗連接到三相電網，并且三相電網的電壓幅值大小可調，以模擬電網不平衡的工況。參數如下：電網電壓380 V，頻率50 Hz，STATCOM容量28.5 kVar，連接電感7.2 mH，電感內阻0.15 Ω，直流側電容電壓90 V。為驗證系統在較低開關頻率下也能取得較好的補償效果，器件開關頻率僅取500 Hz；每相3個完全相同的全橋逆變器模塊級聯，級聯多電平逆變器等效開關頻率為8 kHz。采用基于正負序控制和子模塊直流電壓均衡控制結合的控制方法，在電網不平衡下對鏈式STATCOM子模塊直流電壓的動態響應、輸出電流和電壓的穩態波形等進行分析和驗證。

圖3 鏈式STATCOM直流電壓均衡控制框圖

圖4 鏈式STATCOM的仿真系統圖

圖5顯示了A相輸出電壓波形及其頻譜分析。在0～18 kHz的范圍內對A相電壓波形進行FFT分析，得到其THD為9.02%。從頻譜分析可以看出，低次諧波含量非常少，高次諧波則主要集中在8 kHz附近，等效開關頻率提高到實際開關頻率的16倍。分析結果表明，輸出電壓在中低頻帶諧波含量少，諧波畸變率較低，有利于鏈式STATCOM的正常運行。

圖5 A相輸出電壓波形頻譜分析圖

圖6表現了鏈式STATCOM單相的3個子模塊的直流電壓在三相不平衡的工況下的直流電壓響應波形。在0.8 s加入直流電壓均衡控制，計算Uacom、Ubcom、Uccom對每相輸出電壓進行補償。通過分析發現，3個子模塊直流電壓都能控制在220 V，均衡效果良好。由圖6可知，單相三鏈接的直流電壓基本可以穩定在220 V，有二倍頻波動，不過波動很小，影響不大。

圖6 鏈式STATCOM各子模塊直流電壓響應波形圖

圖7顯示了不平衡工況下鏈式STATCOM的輸出電壓和電流的穩態波形。圖7（b）顯示的輸出電壓與圖7（a）的電網電壓在同一相位上，表明鏈式STATCOM對外輸出無功功率，基本不發有功功率。圖7（c）顯示的是STATCOM的輸出電流，其穩態波形接近于正弦波。由圖7可知，輸出電壓為標準的7階梯波，輸出電流沒有振蕩，在可以接受的范圍。

圖7 不平衡工況下鏈式STATCOM輸出電壓、電流波形

4 動態特性分析

基于建立的仿真模型，研究鏈式STATCOM系統的小信號動態特性。在鏈式STATCOM系統進入穩態運行后，在電網側設置負荷突變的擾動，觀測在直流電壓環和鎖相環設置不同控制帶寬下鏈式STATCOM系統受擾動后控制系統的動態響應。

通過改變直流電壓環的PI控制參數，設置不同的直流電壓環帶寬（ωUdc1=3.2 Hz、ωUdc2=14.5 Hz、ωUdc3=28.7 Hz），記錄鏈式STATCOM系統輸出的無功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖8所示。并網點電壓在3 s時受到擾動后，輸出無功功率和子模塊直流電壓產生振蕩。直流電壓環帶寬不同的情況下，所觀察到的電氣量的超調量和恢復時間也不同。隨著直流電壓環帶寬的增加，系統超調量和響應時間減小，但是無功功率的諧波會增加。因此，在一定范圍內增加直流電壓環帶寬有利于系統的穩定性。

圖8 不同直流電壓控制參數下STATCOM動態響應波形

通過改變鎖相環的PI控制參數，設置不同的鎖相環帶寬（ωpll1=2.2 Hz、ωpll2=12.4 Hz、ωpll3=25.8 Hz），記錄鏈式STATCOM系統輸出的無功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖9所示。并網點電壓在3 s時受到擾動后，輸出無功功率和子模塊直流電壓隨之發生動態變化。可以發現，在鎖相環帶寬ωpll2=12.4 Hz時，系統超調量和響應時間較小；在鎖相環帶寬ωpll1=2.2 Hz和ωpll3=25.8 Hz時，系統超調量和響應時間均會變大。因此，鎖相環的帶寬調節不宜太大或太小，適中比較合適。

圖9 不同鎖相環控制參數下STATCOM的動態響應波形

基于提出的控制策略，研究鏈式STATCOM系統在不同無功功率輸出情況下的小信號動態特性。通過改變系統輸出的無功功率大小（Q1=0.6 p.u.、Q2=0.7 p.u.、Q3=0.8 p.u.），記錄鏈式STATCOM系統輸出的無功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖10所示。并網點電壓在3 s時受到擾動后，輸出無功功率和子模塊直流電壓產生小振蕩后迅速恢復。可以發現，隨著輸出無功功率增大，系統超調量和響應時間均會變大，系統穩定性變差。

圖10 不同無功功率輸出下STATCOM的動態響應波形

5 結 論

本文研究了三相電網電壓不平衡工況下鏈式STATCOM的控制方法和動態特性。在常規控制方法基礎上，提出了正負序控制和子模塊直流電壓均衡控制結合的策略，使鏈式STATCOM在電網不平衡時實現正常運行。在三相配電網電壓不平衡下，對鏈式STATCOM的穩態特性進行了仿真分析，并對輸出電壓波形進行FFT分析，發現輸出電壓在中低頻帶諧波含量少，諧波畸變率較低，子模塊直流電壓均衡效果較好，基本滿足現場運行要求。進一步，對鏈式STATCOM的動態特性進行仿真，結果顯示，適當提高直流電壓環帶寬和適中設置鎖相環帶寬，有利于提高鏈式STATCOM系統的穩定性和動態無功補償性能。