鏈?zhǔn)絊TATCOM在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

莫志祿

（北京市祿智科技發(fā)展有限公司 北京 100055）

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活用電負(fù)載中，大量使用的阻感性負(fù)載需要大量的無(wú)功功率，而無(wú)功功率給電網(wǎng)帶來(lái)很多問(wèn)題，如增加設(shè)備容量、使線路電壓降增大等。要解決這些問(wèn)題，合理的方法是就地產(chǎn)生無(wú)功功率從而達(dá)到無(wú)功平衡[1]。STATCOM作為一種無(wú)功補(bǔ)償裝置，具有無(wú)功調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、欠壓條件下無(wú)功調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、諧波含量較低、接入系統(tǒng)無(wú)諧振等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向之一[2-3]。

目前已投運(yùn)的高壓大容量STATCOM主要分為兩種結(jié)構(gòu)：多重化結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[4]。這兩種結(jié)構(gòu)雖然在對(duì)系統(tǒng)的等效和外特性方面是相同的，但工作原理卻不同。鏈?zhǔn)絊TATCOM相對(duì)于多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM具有無(wú)需多重化接入變壓器、占地面積小、效率高、可實(shí)現(xiàn)分相控制和冗余運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)得到了廣泛的研究和應(yīng)用[5]?？刂撇呗灾苯雨P(guān)系到STATCOM裝置的補(bǔ)償性能，控制策略既應(yīng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間越短越有利于提高控制效果，又應(yīng)保證無(wú)靜態(tài)誤差[6]；此外，由于鏈?zhǔn)絊TATCOM各級(jí)聯(lián)單元具有獨(dú)立的直流側(cè)電容，在裝置運(yùn)行時(shí)，如果沒(méi)有附加控制措施，直流側(cè)電容電壓會(huì)產(chǎn)生不平衡的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響裝置的正常工作[7]。

基于以上分析，本文對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM的無(wú)功輸出和直流側(cè)電容電壓的控制展開(kāi)研究，分析了解耦控制策略控制無(wú)功輸出，設(shè)計(jì)了脈沖循環(huán)換位法控制直流側(cè)電容電壓；最后，在5MVA鏈?zhǔn)絊TATCOM的仿真模型上進(jìn)行了研究。

1 主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

鏈?zhǔn)絊TATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。級(jí)聯(lián)變換器三相采用Y型結(jié)構(gòu)，變換器的每相由若干個(gè)級(jí)聯(lián)單元串聯(lián)而成，L為和電網(wǎng)相連的濾波電感的電感值，將功率開(kāi)關(guān)管損耗等效電阻同濾波電感等效電阻合并為R，uSa、uSb、uSc為電網(wǎng)三相電壓，ia、ib、ic為變換器交流側(cè)三相電流，ea、eb、ec為變換器輸出的三相電壓，Udc_xn（x∈（a，b，c），n≤N）為級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓。

STATCOM的單相等效電路如圖2所示。V˙S為電網(wǎng)電壓，I˙為變換器交流側(cè)電流，V˙C為變換器的輸出電壓。

以電網(wǎng)電壓V˙S作為參考值，改變STATCOM交流側(cè)輸出電壓V˙C的幅值和相位，那么相量V˙L的幅值和相位也隨之被改變，從而變換器交流側(cè)電流I˙的相位和幅值得到了控制，就可以使STATCOM吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功功率。圖3是穩(wěn)態(tài)時(shí)STATCOM的矢量圖。

圖1 鏈?zhǔn)絊TATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of cascaded STATCOM

圖2 STATCOM單相等效電路Fig.2 Single phase equivalent circuit of STATCOM

圖3 穩(wěn)態(tài)時(shí)STATCOM的矢量圖Fig.3 Space vector of STATCOM

變換器的輸出電壓V˙C與變換器交流側(cè)電流I˙相差 90°，電網(wǎng)電壓V˙S與變換器交流側(cè)電流I˙的相位差比90°小了δ，這表明，電流I˙中有一定的有功分量，這部分有功功率用于補(bǔ)償裝置的損耗。電流I˙在上的投影即為STATCOM裝置的有功電流分量，與正交的分量為STATCOM裝置的無(wú)功電流分量。改變?chǔ)牡拇笮『偷姆?，則I˙的幅值和相位也隨之改變，從而也就控制了STATCOM從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無(wú)功功率。

分析圖3所示的穩(wěn)態(tài)時(shí)STATCOM矢量圖，STATCOM從電網(wǎng)吸收的有功電流和無(wú)功電流有效值分別為

從而可得出STATCOM從系統(tǒng)吸收的有功功率P和無(wú)功功率Q分別為

由式（3）和（4）可知，不管 δ取何值，P 均大于 0，也就是說(shuō)，STATCOM均要從系統(tǒng)吸收有功功率來(lái)平衡STATCOM運(yùn)行時(shí)所消耗的各種能量；而STATCOM從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率Q則可由δ控制其大小及性質(zhì)。

2 解耦控制策略

在建立鏈?zhǔn)絊TATCOM模型之前，先做如下假設(shè)：

1）系統(tǒng)及主電路三相參數(shù)對(duì)稱(chēng)；

2）只考慮基波分量而忽略諧波分量；

3）所有損耗用等效電阻R表示。

根據(jù)STATCOM裝置的單相等效電路，可以列出裝置在abc三相靜止坐標(biāo)系下的方程為：

基于abc三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型清晰直觀，但要控制的交流側(cè)電流為交流量，這既不利于理論分析，也不利于控制。利用PARK變換將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中后，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中：vd、vq為三相電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影；id、iq為變換器交流側(cè)三相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影；uid、uiq為逆變器輸出三相電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影；ω為電網(wǎng)電壓的基波角頻率。

模型中所有基波正序分量都將轉(zhuǎn)化為直流量，取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合，則vq=0，式（6）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

控制系統(tǒng)一般采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)為直流電壓環(huán)，主要作用是控制直流側(cè)電壓；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，主要作用是控制裝置吸收的有功功率和裝置輸出的無(wú)功功率。

由式（7）可知，有功電流id和無(wú)功電流iq之間通過(guò)電抗L互相耦合，有功電流id的變化會(huì)引起無(wú)功電流iq的變化，同理，無(wú)功電流iq也會(huì)引起有功電流id的變化，這不利于控制。為此，采用解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI控制器時(shí)，則uid和uiq的控制方程如下：

式中：Kp、Ki為 PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；、為電流指令值。

將式（8）代入式（7），并化簡(jiǎn)得：

可見(jiàn)有功電流id和無(wú)功電流iq之間實(shí)現(xiàn)了解耦。由上述分析可得鏈?zhǔn)絊TATCOM的解耦控制框圖如圖4所示。有功電流參考信號(hào)是電壓外環(huán)計(jì)算得到，無(wú)功電流參考信號(hào)從控制目標(biāo)獲得，它們分別與裝置輸出的有功電流和無(wú)功電流相比較，差值經(jīng)由PI控制器輸出，再通過(guò)式（7）可以計(jì)算得到逆變器輸出電壓的參考信號(hào)uid和uiq。

圖4 鏈?zhǔn)絊TATCOM的解耦控制框圖Fig.4 Decoupled control strategy block of cascaded STATCOM

3 直流側(cè)電容電壓平衡控制

對(duì)于鏈?zhǔn)絊TATCOM，各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定是裝置可靠運(yùn)行的前提，因此必須進(jìn)行直流側(cè)電容電壓平衡控制以保證裝置的正常運(yùn)行。文中采用脈沖循環(huán)交換法，使在每個(gè)周波周期或每半個(gè)周波周期，對(duì)各級(jí)聯(lián)單元的觸發(fā)脈沖進(jìn)行依次循環(huán)換位，在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)使各級(jí)聯(lián)單元的吸收有功功率和等效損耗基本相同，即各級(jí)聯(lián)單元的工作狀態(tài)在平均意義上是一致的，從而控制各級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓達(dá)到平衡[8]。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證解耦控制策略和脈沖循環(huán)換位法的可行性和有效性，用PSCAD仿真軟件構(gòu)造了鏈?zhǔn)絊TATCOM的仿真模型，仿真模型參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓為10 kV，裝置容量為±5 MVA，級(jí)聯(lián)單元數(shù)為12，級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓為1 kV。

圖5所示為A相各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的仿真波形。由圖可見(jiàn)，沒(méi)啟動(dòng)脈沖循環(huán)換位法之前各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓不平衡。在3.5 s時(shí)啟動(dòng)脈沖循環(huán)換位法，經(jīng)過(guò)大約10個(gè)周波后電壓基本平衡，在4.5 s時(shí)裝置輸出滿額無(wú)功功率，此時(shí)電壓依舊保持平衡。

圖5 A相各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of every DC-capacitor-voltage

圖6為無(wú)功補(bǔ)償時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的仿真波形，Us為電網(wǎng)側(cè)電壓，Is為電網(wǎng)側(cè)電流（反向測(cè)量）。4.5 s時(shí)裝置輸出滿額無(wú)功功率。由圖可知，功率因數(shù)等于1，裝置能夠快速準(zhǔn)確地補(bǔ)償負(fù)載電流中無(wú)功分量，補(bǔ)償后系統(tǒng)僅提供有功電流。

圖6 無(wú)功補(bǔ)償時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid side voltage and current

5 結(jié) 論

筆者介紹了鏈?zhǔn)絊TATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析了無(wú)功補(bǔ)償[9]的工作原理；解耦控制策略控制無(wú)功輸出具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定后無(wú)靜差的特性[10]；脈沖循環(huán)換位法能有效控制直流側(cè)電容電壓平衡；仿真結(jié)果驗(yàn)證了解耦控制策略和脈沖循環(huán)換位法的正確性和可行性。

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