級(jí)聯(lián)型STATCOM 電容電壓平衡控制仿真研究

韓 哲

(山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104)

0 引言

靜止無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)可以有效的補(bǔ)償無(wú)功功率，有效地降低電網(wǎng)電力傳輸損耗。但是隨著智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和電能輸送容量不斷增加，而STATCOM 也正朝著高壓大容量發(fā)展［1］。目前國(guó)際上大容量STATCOM 裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為變壓器多重化和多電平兩種結(jié)構(gòu)［2－3］。級(jí)聯(lián)型STATCOM 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化設(shè)計(jì)，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代了體積笨重、控制復(fù)雜的多重化變壓器結(jié)構(gòu)，成為了世界上研究的熱點(diǎn)。但是，由于級(jí)聯(lián)型STATCOM 各相級(jí)聯(lián)多個(gè)H 橋單元，各H 橋單元參數(shù)不一致以及實(shí)際控制中存在脈沖延遲等因素將導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓不平衡，如果不采取必要措施對(duì)各H 橋單元電容電壓進(jìn)行均衡控制，將嚴(yán)重影響STATCOM 的正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)級(jí)聯(lián)型STATCOM 的電容電壓平衡進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)［4］提出了基于DQ 坐標(biāo)系下的直流側(cè)均衡控制算法，但是沒有考慮各相間的直流電壓不平衡;文獻(xiàn)［5］中盡管提出了一種電壓均衡控制和不平衡控制思路，但是沒有給出具體可行的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［6］采用三級(jí)直流電壓控制策略，盡管可以實(shí)現(xiàn)電容電壓均衡，但是實(shí)際應(yīng)用中存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，穩(wěn)態(tài)誤差大以及容易出現(xiàn)三相功率震蕩等缺點(diǎn)。

本文首先建立了級(jí)聯(lián)型STATCOM 的數(shù)學(xué)模型并分析了其工作原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的基于總有功功率和電壓均衡控制的控制策略，并對(duì)該方法進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所提出的控制策略可以很好的實(shí)現(xiàn)各H 橋單元直流側(cè)電壓的均衡控制，STATCOM 補(bǔ)償效果好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 級(jí)聯(lián)型STATCOM 工作原理分析

如圖1 所示，為級(jí)聯(lián)型STATCOM 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括三相，每相由N 個(gè)H 橋單元級(jí)聯(lián)而成。圖中usx和isx(x =a，b，c)分別表示電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流，ix和iLx分別表示級(jí)聯(lián)型STATCOM 輸出電流和負(fù)載電流，L 表示濾波電感［7－8］。級(jí)聯(lián)的H 橋單元數(shù)目越多，輸出電壓電平數(shù)越多，波形越接近正弦波，所需要的濾波電感就越小，而且省去了體積笨重且昂貴的變壓器。

2 級(jí)聯(lián)型STATCOM 控制策略

2．1 無(wú)功功率解耦控制

為了研究級(jí)聯(lián)型STATCOM 的補(bǔ)償特性并建立合適的控制策略，可采用輸入輸出建模方法建立dq坐標(biāo)系下級(jí)聯(lián)型STATCOM 裝置的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，由圖1 可列出如下KVL 方程

對(duì)式(1)采用等量的PARK 變換，其變換矩陣為

圖1 級(jí)聯(lián)型STATCOM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

經(jīng)過式(2)變換后系統(tǒng)d、q 模型為

上式中，ud、uq分別為電網(wǎng)相電壓在d －q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d －q 分量，udo、uqo分別為STATCOM 交流輸出端相電壓在d －q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d －q 分量，id、iq分別是STATCOM 交流側(cè)三相電流在d －q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d －q 分量，ω 為電網(wǎng)電壓角頻率，是通過PLL 鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相得到的。

從式(3)中可以看出，d、q 軸電流id、iq受控制量udo、uqo的影響，同時(shí)還受到電流交叉耦合相ωLiq、ωLid和電網(wǎng)電壓的影響，為了便于控制，消除電流耦合和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)控制的影響，可以將式(3)做如下改動(dòng)

式中

從式(5)可以看出，vd、vq與id、iq呈現(xiàn)的是一階微分關(guān)系，所以可以采用PI 控制器來(lái)控制id、iq，其PI 控制方程式為

式(5)中，Δud、Δuq作為d、q 軸電壓耦合的補(bǔ)償項(xiàng)，對(duì)上述非線性微分方程順利實(shí)現(xiàn)了解耦，于是可以得到最終的控制方程為

上述控制方程中，i'd、i'q分別是三相交流電流在d －q 坐標(biāo)系下的有功和無(wú)功電流參考值，KP1、KP2、KI1、KI2為PI 控制器參數(shù)。通過控制id和iq即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功功率的解耦控制如圖2 所示。

圖2 級(jí)聯(lián)型STATCOM 總體控制框圖

2．2 總有功功率和電容電壓均衡控制

從圖2 中可以看出，級(jí)聯(lián)型STATCOM 的控制策略主要包括兩部分:無(wú)功功率控制和有功功率控制。由于IGBT 等開關(guān)器件頻繁的開斷和導(dǎo)通需要消耗一部分的有功功率，如果不加控制則H 橋單元直流側(cè)電容電壓將會(huì)逐漸下降。圖2 中的有功功率控制就是為了補(bǔ)償鏈?zhǔn)絊TATCOM 自身消耗的有功功率，維持STATCOM 儲(chǔ)能能量的平衡。該有功控制可以分為兩個(gè)部分:

(1)總體有功功率控制;

(2)電容電壓平衡控制。

H 橋單元直流側(cè)電容儲(chǔ)存能量的多少與電容電壓成正比，所以直流側(cè)電壓的減少量反應(yīng)了模塊需要的有功功率的大小，每個(gè)H 橋單元直流側(cè)電壓降低的總和與系統(tǒng)所需要的總的有功功率成正比。各相所有H 橋單元直流側(cè)電壓的平均值與參考值作差，然后通過PI 控制器即可得到總的有功功率控制指令，其控制框圖如圖3 所示，圖中uref表示H 橋單元直流側(cè)電壓參考值;udc，ai，udc，bi和udc，ci分別表示實(shí)際檢測(cè)到的級(jí)聯(lián)型STATCOM 三相的第i 個(gè)模塊的電壓值。通過上述方法可以及時(shí)的向模塊中注入所需要的有功功率來(lái)補(bǔ)償級(jí)聯(lián)型STATCOM 自身的功率損耗。但是該控制算法只能保證總體有功功率的平衡，并不能保證所有H 橋單元直流側(cè)電壓的均衡。如果不采取電壓均衡控制，可能會(huì)導(dǎo)致有的H橋單元過充電，有的H 橋單元過放電，H 橋單元之間的電壓嚴(yán)重不均衡，甚至失控，最終導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

圖3 總的有功功率控制框圖

圖4 直流側(cè)電容電壓均衡控制框圖

本文提出一種新型的電壓均衡控制算法，該控制的基本思想是:每個(gè)H 橋單元直流側(cè)電壓的大小只與該單元吸收的有功功率有關(guān)，一相中各H 橋單元吸收的有功功率不同，將導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的不均衡。同一相中流入各H 橋單元的電流為同一個(gè)電流，那么可以通過控制各H 橋單元輸出電壓的有功成分來(lái)控制H 橋吸收的有功功率。如果某H橋單元直流側(cè)電壓較低，可以在其調(diào)制波中疊加一個(gè)與相電流相位相同的分量;同理，如果直流側(cè)電壓高于參考值，就在調(diào)制波中疊加一個(gè)與相電流相位相反的分量，其控制框圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出，該電壓平衡控制策略不會(huì)改變?cè)撓嗫偟妮敵鲭妷海噪妷壕饪刂撇粫?huì)對(duì)總體有功功率控制產(chǎn)生影響。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

3．1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的級(jí)聯(lián)型STATCOM 控制算法的正確性和可行性，利用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:電網(wǎng)電壓usx=380 V，濾波電感L =2 mH，H 橋單元直流側(cè)電容C =3 300 μF，電容電壓參考值為uref=200 V，開關(guān)頻率為fs=2 000 Hz，負(fù)載為感性負(fù)載，各H 橋單元并聯(lián)了一個(gè)純電阻來(lái)模擬該單元的功率損耗，其阻值分別為500 Ω，600 Ω，700 Ω。

如圖5 所示為當(dāng)級(jí)聯(lián)型STATCOM 只進(jìn)行無(wú)功功率和總的有功功率控制，不進(jìn)行電壓均衡控制時(shí)A 相直流側(cè)電容電壓波形。從圖5(a)中可以看出直流側(cè)電容電壓總和穩(wěn)定，說(shuō)明總的有功功率控制良好。但是從圖5(b)可以看出各H 橋單元的直流側(cè)電容電壓不一致，有的電容過充電，電壓逐漸上升，有的電容欠充電，電壓逐漸降低，這是由于各H橋單元有功功率消耗不均衡造成的。直流側(cè)電容電壓不均衡將會(huì)導(dǎo)致級(jí)聯(lián)型STATCOM 輸出電壓電流發(fā)生畸變，THD 增加;長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，無(wú)法正常運(yùn)行。

當(dāng)同時(shí)控制級(jí)聯(lián)型STATCOM 的有功功率和各H 橋單元的直流側(cè)電容電壓均衡時(shí)，直流側(cè)電容電壓仿真波形如圖6 所示。從圖中可以看出，總的直流側(cè)電容電壓之和恒定，同時(shí)各H 橋單元電容電壓在200 V 附近波動(dòng)，一致性較好。

圖6 同時(shí)進(jìn)行總的有功控制和電壓均衡控制時(shí)的電壓波形

當(dāng)0．8 s 時(shí)刻電網(wǎng)所帶負(fù)載突然發(fā)生變化，負(fù)載無(wú)功電流，STATCOM 發(fā)出的無(wú)功電流以及吸收的有功電流如圖7 所示，仿真波形表明:級(jí)聯(lián)型STATCOM 輸出的無(wú)功電流很好的跟蹤負(fù)載無(wú)功電流的變化，且不影響吸收的有功電流，兩者之間實(shí)現(xiàn)了很好的解耦控制。如圖8 所示為補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓和電流波形，可以明顯看出補(bǔ)償前電網(wǎng)電壓和電流之間存在相位差，補(bǔ)償后電網(wǎng)電流和電壓基本同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖7 負(fù)載突變前后電流波形

圖8 補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流波形

3．2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)本文所提出的電容電壓平衡控制策略和無(wú)功功率解耦控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一臺(tái)級(jí)聯(lián)型STATCOM 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，STATCOM 樣機(jī)每相有2 個(gè)H 橋子模塊組成，即n=2，所接負(fù)載為感性負(fù)載，其中電感L =2 mH，電阻R =10 Ω。各H 橋直流側(cè)電容電壓為100 V，也就是每相最大輸出電壓為200 V，采用交流電壓源模擬電網(wǎng)電壓為40 V(受實(shí)驗(yàn)室條件限制);橋臂所串聯(lián)的電感值為2 mH，每個(gè)子模塊的電容值為550 μF。開關(guān)頻率為3 kHz。

圖9 為加入本文所提出的電容電壓平衡控制策略后的A 相H 橋子模塊電容電壓波形，可以看出電容電壓平衡性較好，維持在100 V 附近波動(dòng)。

圖9 加入控制時(shí)的A 相電容電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖10 為接入級(jí)聯(lián)型STATCOM 前后電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流波形，通過對(duì)比圖10(a)和圖10(b)可以看出接入級(jí)聯(lián)型STATCOM 之后，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流同相位。

圖10 接入級(jí)聯(lián)型STATCOM 前后電網(wǎng)電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

本文首先介紹了級(jí)聯(lián)型STATCOM 的數(shù)學(xué)模型及其工作原理，然后提出了一種基于電壓前饋解耦的無(wú)功功率控制策略。針對(duì)級(jí)聯(lián)型STATCOM 自身的功率損耗，提出了一種總的有功功率和電壓均衡控制相結(jié)合的控制算法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的控制策略很好的實(shí)現(xiàn)了各H 橋之間的電容電壓均衡控制以及具有很好的無(wú)功補(bǔ)償性能，所提出的控制算法簡(jiǎn)單，控制效果良好，可以在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

［1］楊振宇，許勝，許杏桃．高壓大容量D－STATCOM 主電路的比較與分析［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(6):50 －55．

［2］曹雪祥，趙萬(wàn)云，徐天然，等．1 140 V 鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］．電工電能新技術(shù)，2013，32(3):62 －66．

［3］王軒，傅堅(jiān)，滕樂天，等． 鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器電流控制策略［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(12):1 －6．

［4］王軒，林嘉揚(yáng)，滕樂天，等． d －q －0 坐標(biāo)系下鏈?zhǔn)絊TATCOM 電流控制策略［J］． 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(15):48 －56．

［5］楊興武，薛花，徐亞軍． H 橋級(jí)聯(lián)STATCOM 直流電容電壓平衡控制研究［J］．電力電子技術(shù)，2014，48(1):39 －42．

［6］王志冰，于坤山，周孝信．H 橋級(jí)聯(lián)多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略［J］． 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(6):57 －65．

［7］汪玉鳳，趙鵬，王宇鵬，等．STATCOM 的虛擬磁鏈定向矢量控制策略［J］．電力電子技術(shù)，2014，48(3):16 －20．

［8］江道灼，張振華． 單相H 橋級(jí)聯(lián)靜止同步補(bǔ)償器反饋線性化解耦控制［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11):75 －82．