電網三相電壓不平衡下STATCOM的控制方法

◇內江職業技術學院 代高富 蒲珊珊 李 浪

本文設計了一種基于正序基波提取器鎖相的靜止同步補償器，其控制策略在電壓電流雙閉環控制的基礎上，采用正序基波提取器來鎖定不平衡條件下的電壓相位，解決了傳統鎖相環在電網電壓三相不平衡的情況下無法鎖定相位的問題。最后在Matlab/simulink仿真軟件下進行驗證，該控制方法正確可行，具有較好的穩定性和動態性能。

本文設計了一種基于正序基波提取器鎖相的靜止同步補償器，其控制策略在電壓電流雙閉環控制的基礎上，采用正序基波提取器來鎖定不平衡條件下的電壓相位，解決了傳統鎖相環在電網電壓三相不平衡的情況下無法鎖定相位的問題。最后在Matlab/simulink仿真軟件下進行驗證，該控制方法正確可行，具有較好的穩定性和動態性能。

1 引言

隨著工業的迅猛發展，大量的非線性負載、沖擊性負荷，如大型軋鋼機、整流逆變裝置等的運行向電網注入大量諧波，并造成電網電壓波動和三相電壓嚴重不平衡，嚴重影響到電網的安全可靠運行，為改善電力系統電能質量，加裝無功補償裝置STATCOM，可以有效補償無功功率和抑制諧波[1-3]。

本文采用直接電流控制，把STATCOM輸出電流的反饋控制回路引入進來，讓STATCOM 的輸出電流跟蹤到指令電流[4]，從而提高其響應速度。

2 系統組成與工作原理

2.1 STATCOM結構和工作原理

圖1是三相三線制下的STATCOM的系統結構示意圖，系統包括主電路和控制器兩部分[5]。

圖1 STATCOM系統結構圖

控制器原理：利用鎖相環和同步旋轉坐標變換這兩個環節，負載電流iLabc中的無功分量iqref就可以被檢測出來，而且通過將STATCOM輸出的補償電流iabc進 行坐標變換，即把坐標系從abc變換到dq，通過這種方式可以得到iabc中 的兩個值，一個是其無功分量的瞬時值iq，另一個是其有功分量的瞬時值ip。對于負載電流而言，它的基波無功分量在dq坐標系下是q軸的直流量，使用低通濾波器LPF將其中的諧波分量進行濾除就能夠得到iqref。然后，使用PI控制器能夠讓電流空間矢量（id，iq）轉換到電壓空間矢量（ud，uq）。最后，通過對輸出空間電壓矢量進行脈寬調制從而得到PWM 驅動信號。

2.2 正序基波提取法鎖相

利用正序基波的選頻特性，可以選出工頻50Hz的基波信號，其原理如下所示。

假設電網電壓的正弦信號為：

其中A為電壓的幅值，ω1為工頻50Hz的角頻率，為電壓初相位。

電網電壓e(t)的幅值積分函數為：

選取輔助信號：

對e(t)，y(t)，x(t)這三個信號進行拉普拉斯變換得：

由式（3）～式（5）可推導出：

假設電網電壓e(t)信號的頻率出現微小波動，頻率偏差大小為，即：

相應的幅值積分信號和輔助信號分別為：

將以上三式進行拉普拉斯變換，整理得：

則：

則：

式（12）的結果可以看出，幅值積分函數y(t)的拉普拉斯變換結果近似為0，表明對諧波信號有抑制作用。

3 仿真研究

通過matlab/simulink仿真軟件對本文設計的STATCOM控制器進行驗證。仿真參數：電源相電壓U=220V，頻率f=50Hz，電源內阻Rs=0.02Ω，電源電抗Ls=0.001mH，線路電阻Ra=0.2Ω，線路電抗La=0.5mH，STATCOM的連接電抗Lc=0.5mH，直流電容C=3mF。

圖2、圖3分別是電網三相電壓波形和負載電流波形，可以看出，電網電壓和電流不是同相位，負載電流中含有大量無功電流。在0.1s后，負載電流受到電網電壓畸變的影響，開始發生畸變。圖4、圖5分別是傳統控制策略下和改進控制策略下補償后的電網電流，可以看出，傳統控制策略下，電網電壓發生畸變以后，STATCOM不能很好的補償到無功電流和畸變電流；而改進鎖相環以后，即使電壓畸變，補償結果基本不受影響，電流波形補償得較好。

圖2 電網電壓波形

圖3 負載電流波形

圖4 傳統控制策略下補償后的電網電流波形

圖5 改進控制策略下補償后的電網電流波形

4 結語

本文首先介紹了STATCOM電路結構和工作原理，采用正序基波提取器改進鎖相環，克服了鎖相環易受三相不平衡電壓或畸變影響的問題。最后通過仿真驗證，在三相電網電壓不平衡和畸變的情況下，本文改進的STATCOM裝置能夠很好的檢測出負載無功電流，并能較好的補償無功電流和諧波電流。