鏈式STATCOM物理模擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

白云飛，萬萌

（1.西安西電自動化控制系統(tǒng)有限責任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

鏈式STATCOM物理模擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

白云飛1，萬萌2

（1.西安西電自動化控制系統(tǒng)有限責任公司，陜西西安710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710049）

物理模擬實驗是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法，該方法與仿真實驗以及數(shù)字動模實驗相比，能夠更好地模擬實際電路系統(tǒng)的真實工況。針對鏈式STATCOM系統(tǒng)設(shè)計了用于進行鏈式STATCOM物理模擬實驗的物模系統(tǒng)，提出了主電路計算方法，設(shè)計了基本的電路模塊，并進行了相關(guān)的實驗驗證。

物理模擬實驗；鏈式STATCOM；IGBT；研究系統(tǒng)

物理模擬實驗是現(xiàn)代電力設(shè)備制造及電力系統(tǒng)研究的重要方法。該方法是通過建立與原型電力設(shè)備或電力系統(tǒng)中某個子系統(tǒng)的在物理特性上相似的實體模型，然后在特定的環(huán)境下組成等效系統(tǒng)來驗證控制保護系統(tǒng)功能正確性或系統(tǒng)設(shè)計合理性的實驗測試方法。物理模擬實驗與一般仿真實驗相比，最大的優(yōu)點是物理模擬實驗系統(tǒng)（簡稱“物模系統(tǒng)”）可以反映物理模擬的原型的實際工作過程，且實體現(xiàn)象直觀、豐富。與數(shù)字動模實驗相比，物理模擬實驗對控制器系統(tǒng)的檢驗更加全面，在物理模擬中所使用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與真實控制系統(tǒng)完全相同，既包含了控制系統(tǒng)中的核心控制單元，又包含控制系統(tǒng)中除了控制單元以外的輔助單元，而在數(shù)字動模中通常只對核心控制器進行模擬。鏈式STATCOM（Cascaded Static Synchronous Compensator，STATCOM）物理模擬實驗系統(tǒng)是根據(jù)模擬理論及相似原理將實際中的原型系統(tǒng)各部分按同比例縮小構(gòu)建的實驗研究系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要參數(shù)的選擇

1.1 物模系統(tǒng)中鏈式STATCOM主電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)鏈式STATCOM中鏈式電路三相所采用的接線方式劃分，鏈式STATCOM可以分為“Y”形接線和“△”形接線2種電路結(jié)構(gòu)。在設(shè)備容量和接入的系統(tǒng)電壓相同的情況下，這2種不同的電路結(jié)構(gòu)對組成鏈式STATCOM中電力電子開關(guān)器件參數(shù)的選擇區(qū)別較大。本文在設(shè)計物模系統(tǒng)時按照實際工程選擇了“Y”形接線的鏈式STATCOM。

1.2 物模系統(tǒng)主電路參數(shù)的計算

本文所設(shè)計鏈式STATCOM物模系統(tǒng)所接入的電網(wǎng)電壓US為380 V，鏈式STATCOM電路結(jié)構(gòu)采用“Y”形接線。鏈式STATCOM物模系統(tǒng)的設(shè)計補償容量為S為±3 kVar，則其最大相電流IcY－max為：

鏈式STATCOM接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP為：

接入系統(tǒng)的相電壓有效值USP、鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UcY－max與電抗器的端電壓有效值URe之間滿足公式：UpY－max=USP+URe.

鏈式STATCOM中電抗器的電抗率η通常選擇11%～15%，本文設(shè)計所的物模系統(tǒng)中，電抗器的電抗率選取14%，則電抗器的端電壓有效值URe可由以下公式得出：URe=ηUSP.

由上述可知，鏈式STATCOM中電壓源型換流器輸出的最大電壓有效值UpY－max取值為250.1 V。由于電壓源型逆變器的輸出電壓實際由各功率單元提供，因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間滿足下列關(guān)系：

式（1）中：N為每相功率單元的數(shù)量，出于對物模系統(tǒng)實驗規(guī)模的考慮，每相功率單元的數(shù)量為8個。

為了保證鏈式STATCOM輸出波形的諧波含量較低，鏈式STATCOM控制系統(tǒng)所采用的調(diào)制比m一般設(shè)定在0.6～0.85之間。因此，電壓源型逆變器的輸出電壓的峰值與功率單元直流電容器電壓Udc之間的實際關(guān)系應(yīng)為：

1.3 功率單元關(guān)鍵參數(shù)的計算

功率單元中的關(guān)鍵元件包括電力電子開關(guān)器件即IGBT元件和直流支持電容器，為了確定2個元件的參數(shù)首先需要確定功率單元直流電容器電壓Udc.

根據(jù)上述計算公式可計算得出物模系統(tǒng)中功率單元直流電容器電壓Udc=52 V。IGBT元件的額定電流為3.21 A。直流側(cè)電容電壓的構(gòu)成包含1個直流分量和頻率交流系統(tǒng)2倍的分量。直流電容器電壓波動的峰值即直流電容器電壓的紋波值，由直流支撐電容的電容值決定。直流電容電壓的紋波系數(shù)取5%，因此，直流支撐電容的電容值為1 675 μF。根據(jù)上述計算結(jié)果，IGBT元件時選取了額定參數(shù)為400 V、25 A的IGBT元件，直流支撐電容器選取了400 V、330 μF的電解電容6個并聯(lián)的電容器組，等效電容為1 980 μF。

1.4 接入電抗器參數(shù)的計算

當系統(tǒng)吸收無功時，系統(tǒng)電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓低于系統(tǒng)電壓，電流滯后系統(tǒng)相電壓為90 V。當系統(tǒng)吸收無功時，系統(tǒng)電壓高于鏈式STATCOM中電壓源型逆變器的輸出電壓高于系統(tǒng)電壓，電流超前系統(tǒng)相電壓為90 V。接入電抗器基準阻抗值為：

由上述計算公式可知，XL=6.6 Ω。另外，由于接入電抗器的電抗率γ=1 4%.則電抗器的基波電抗值XLN=XLγ=0.924 Ω。電抗器電感值L=2.9 mH。

2 物模系統(tǒng)功率單元的硬件設(shè)計

物模系統(tǒng)的功率單元由IGBT逆變模塊和功率單元控制板兩部分組成。

2.1 IGBT逆變模塊

IGBT逆變模塊的主體結(jié)構(gòu)為單相全橋逆變電路，IGBT逆變模塊采用PCB安裝的結(jié)構(gòu)。IGBT的驅(qū)動電路中的驅(qū)動芯片選取國際整流器公司（International Rectifier，IR）的IR2110S驅(qū)動芯片，該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，采用DIP14腳封裝，兼有光耦隔離型驅(qū)動芯片體積小和電磁隔離型驅(qū)動芯片信號傳輸速度快的優(yōu)點，是中小功率逆變裝置中常用的驅(qū)動器件。

2.2 功率單元控制板

功率單元控制板是一種高電位設(shè)備，是功率單元和鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)接口元件。功率單元控制板和鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)之間采用光纖連接以確保高低電位的電氣隔離。功率單元控制板主要功能有IGBT觸發(fā)脈沖分配、直流電壓測量、直流電容器過電壓保護、低電壓閉鎖和IGBT故障閉鎖等功能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的物模系統(tǒng)可以模擬鏈式STATCOM的實際工況，實現(xiàn)對控制保護系統(tǒng)的功能驗證。鏈式STATCOM物理模擬實驗系統(tǒng)的建成為研究鏈式STATCOM及其控制保護系統(tǒng)的性能提供了重要的研究手段，可以加快鏈式STATCOM控制保護系統(tǒng)的研發(fā)進度。

［1］吳國渝.電力系統(tǒng)仿真［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］劉正富.鏈式靜止同步補償器主電路及控制策略研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

〔編輯：張思楠〕

TP301.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.104

2095－6835（2017）19－0104－02