基于電壓矢量滯環(huán)控制D-STATCOM補償不平衡負載的控制策略

王圣齊，吳向軍

（西安利雅得電氣自動化有限公司，陜西西安710075）

1 引言

在配電網(wǎng)中，電壓、電流不平衡可能給系統(tǒng)中的用戶帶來多種危害［1]。為了減輕不平衡負荷對系統(tǒng)造成的危害，近年來，D-STATCOM以其良好的動靜態(tài)性能，在不平衡負荷補償中的應用越來越廣［2]。

在D-STATCOM的控制方法中直接電流控制比間接電流控制具有更高的響應速度和控制精度，因而得到了越來越深入的研究和廣泛的應用［3]，本文在電壓空間矢量分析的基礎上，采用了一種適合于D-STATCOM補償不平衡電流的電壓矢量滯環(huán)控制方法，該方法以相電流誤差為控制對象，使用三組滯環(huán)比較器，根據(jù)相應的比較狀態(tài)值和對參考電壓矢量的區(qū)域判別，最終由電壓空間矢量選擇邏輯，輸出一個最佳的電壓矢量，從而使補償器輸出電流跟蹤指令電流。該方法降低了開關頻率，既有較好的電流響應速度，又能有效限制電流誤差，改善電流跟蹤性能，并且計算量小，易于實現(xiàn)。

2 基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制方法

2.1 電流控制原理

基于電壓矢量滯環(huán)電流控制的原理圖如圖1所示。這種控制策略是將指令電流與反饋電流ica、icb、icc通過定環(huán)寬的滯環(huán)比較單元，輸出相應的比較狀態(tài)值Ba、Bb、Bc，并通過對指令電壓矢量u*的區(qū)域判別，最終由空間電壓矢量選擇邏輯，輸出一個合適的Uk，從而使三相補償器輸出電流跟蹤指令電流。三個滯環(huán)比較器的作用是使電流矢量能跟蹤指令電流矢量并把電流誤差限制在一定的范圍內(nèi)，并通過Ba、Bb、Bc可以確定誤差矢量△i所在的區(qū)域。u*所在區(qū)域通過判別參考線電壓符號確定。

圖1 電流控制原理

2.2 控制規(guī)則與電壓矢量Uk的選擇

圖2 區(qū)域劃分

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，一旦參考電壓矢量u*和電流誤差矢量△i確定之后，兩矢量的空間區(qū)域位置也隨之確定，u*和△i的區(qū)域劃分如圖2所示。為實現(xiàn)電流跟蹤控制，必須選擇一個合適的電壓空間矢量Uk，使電流誤差矢量變化率d△i/dt與電流誤差矢量△i的方向始終相反，電流誤差矢量的模被限制在一定的滯環(huán)寬度內(nèi)，從而實現(xiàn)補償器的電流跟蹤控制。該電流控制方法的控制規(guī)則總結如下。

如圖3所示，圖中虛線所表示的矢量為Uk所對應的矢量d△i/dt（自電壓空間矢量Uk的終點指向參考電壓矢量u*的終點）。

圖 3 d△i/dt、u*、△i分布

當u*、△i處于其它不同區(qū)域時，可以采用上述相同的分析方法得出滿足條件的電壓空間矢量Uk，如表1所示。

3 仿真驗證

在磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC的基礎上，對圖1的D-STATCOM系統(tǒng)建立仿真模型進行仿真驗證，并且與同條件下普通滯環(huán)電流控制方法的仿真結果進行了對比分析。仿真參數(shù)為：電源線電壓為380V，系統(tǒng)阻抗忽略不計，負載為三相不對稱，其中 Ra=15Ω，Rb=30Ω，Rc=5Ω，直流側電壓 Udc給定為600V，電容為400μf，連接電感L為5mH，損耗電阻R為0.05Ω，滯環(huán)寬度為1A。圖4為不平衡負載的電流波形，很明顯負載電流波形三相不對稱。

表1 Uk選擇判別表

圖4 補償前電流波形

圖5（a）和（b）分別為采用普通滯環(huán)控制方法和矢量滯環(huán)控制方法補償后的電源電流波形，可以看出，兩種控制方法均能在一個半周期進入穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)時得到很好的補償效果，使補償后三相電源電流大小相等，相位依次滯后120°；圖6（a）和（b）分別為采用普通滯環(huán)控制方法和矢量滯環(huán)控制方法的開關信號，可以看出矢量滯環(huán)電流控制方法的平均開關頻率有所減小，降低了開關損耗。圖7（a）和（b）分別為采用普通滯環(huán)控制方法和矢量滯環(huán)控制方法的誤差電流波形，可以看出兩種方法均能將電流誤差限制在一定的范圍內(nèi)。

可見，在達到相同補償效果的同時，本文所采用的基于電壓空間矢量的控制方法與普通滯環(huán)控制方法相比，可以減小開關頻率，降低開關損耗。

圖5 補償后電源電流波形

圖6 開關信號

圖7 誤差電流波形

4 結論

本文采用的基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制方法，該方法以相電流誤差為控制對象，使用三組滯環(huán)比較器，根據(jù)相應的比較狀態(tài)值和對參考電壓矢量的區(qū)域判別，最終由電壓空間矢量選擇邏輯，輸出一個最佳的電壓矢量，從而使補償器輸出電流跟蹤指令電流。該方法降低了開關頻率，既有較好的電流響應速度，又能有效限制電流誤差，并且計算量小，易于實現(xiàn)。

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