三相四橋臂D-STATCOM電流預測控制方法研究

賈利虎,朱永強,郭文瑞,王銀順

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）,北京 lO22O6）

文章編號：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO68-O6 文獻標志碼：A 中圖分類號：TM464

三相四橋臂D-STATCOM電流預測控制方法研究

賈利虎,朱永強,郭文瑞,王銀順

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）,北京 lO22O6）

0 引 言

分布式電源一般經(jīng)過電力電子變換裝置接入配電網(wǎng),給電網(wǎng)帶來了大量的諧波,對輸電線路參數(shù)也造成了一定的影響。另外,在配電網(wǎng)中大量的單相感性無功負荷接入,也會引起三相不平衡,造成中線電流過大,線路損耗大大增加,為了解決上述問題,配電網(wǎng)靜止同步補償器（D-STATCOM）的研制顯得尤為重要,其具有抑制諧波、補償無功等功能。

文獻 ［1］中針對實時監(jiān)測并計算負載諧波電流的弊端,提出了一種基于單位功率因數(shù)控制的三相四線制有源電力濾波器的控制方法,只需檢測電源輸入電流及逆變器直流電容電壓,可以有效補償系統(tǒng)中的諧波、無功功率和三相不平衡。

文獻［2］應用瞬時無功功率理論,在三線制電流檢測基礎上,通過提取零線電流后用于四線制系統(tǒng),給出了理論推導和實現(xiàn)方法,但是在產(chǎn)生觸發(fā)脈沖時采用空間矢量方法,控制系統(tǒng)設計較復雜。

變流器輸出電流跟蹤控制技術(shù)有很多種［3-6］,例如三角波比較PWM控制、滯環(huán)比較PWM控制等,但是這些跟蹤技術(shù)都存在一定的問題,例如三角波比較PWM控制系統(tǒng)設計復雜,滯環(huán)比較PWM控制開關(guān)頻率不固定,而預測電流控制算法是一種新型的控制算法,由于變流器開關(guān)函數(shù)組合個數(shù)有限（三橋臂為8種狀態(tài),四橋臂為l6種狀態(tài)）,因此可以通過變流器的預測模型,采用遍歷法的形式推算出在全部開關(guān)函數(shù)組合分別作用下的變流器系統(tǒng)輸出,通過建立合理的評價函數(shù),即價值函數(shù)來選擇能夠使系統(tǒng)優(yōu)化性能函數(shù)最小的開關(guān)函數(shù)組合作用于系統(tǒng)的變流器優(yōu)化控制算法。變流器預測控制算法具有建模直觀、易于理解、控制簡單,方便處理系統(tǒng)約束且與傳統(tǒng)的變流器控制算法相比無非線性控制模塊和PWM調(diào)制等優(yōu)點,它已經(jīng)成為當前變流器預測控制領域的研究熱點。

結(jié)合基于瞬時無功功率理論的電流檢測技術(shù)［7-8］和模型電流 預測技術(shù)［9-l6］,本文 所提 出的 基于電流預測控制的三相四橋臂D-STATCOM控制算法具有動態(tài)響應良好、控制電路簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點。通過設計算例對所提出的方法進行驗證,結(jié)果表明,采用本文提出的控制算法，D-STATCOM具有良好的綜合處理諧波、無功和三相不平衡問題的能力。

1 補償原理

圖1所示為基于三相四橋臂逆變器的D-STATCOM結(jié)構(gòu)［l7］。

負載中的脈動諧波分量和無功分量可以通過D-STATCOM提供,而不通過電源提供。若要對負載的諧波功率分量進行補償,即抑制網(wǎng)側(cè)電流諧波分量,則需從負載功率中提取出功率的直流分量,并由電源提供該直流分量,補償裝置提供有功與無功的波動分量以及零序分量（抑制電網(wǎng)側(cè)的零序電流）；若僅對負載的無功分量進行補償,則只需從負載功率中提取出有功功率的直流分量,且電源只需提供該有功直流分量,而無功功率的直流分量和脈動分量以及零序功率的直流分量和脈動分量均由補償裝置提供。

圖1 三相四橋臂逆變器補償結(jié)構(gòu)圖

由上述知,需從負載功率中檢測出有功分量和無功分量從而得到補償量。常見的補償量的檢測方法是基于瞬時無功理論的檢測方法,包括用功率分量變換的p—q—O檢測法和用電流分量變換的ip—iq—iO檢測法。

根據(jù)瞬時無功理論,三相四線制負載瞬時功率表達式:式中:vαβO、iαβO分別是電壓電流在αβO坐標軸上的投影。

從式（2）可以看出,應用瞬時無功理論,可以把零序功率與有功功率p、無功功率q分離開來,且不存在耦合關(guān)系。

由上述分析得到基于ip—iq—iO檢測方法的原理圖如圖2所示。先從負載電流中提取零序電流分量iO之后,通過坐標變換得到ip、iq,通過一個低通濾波器得到電流的直流分量i—p、i—q,經(jīng)過坐標反變換得到負載電流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf,與實際檢測的負載電流做差即得到補償電流分量、、?；ǚ至考从呻娫刺峁┙o負載,補償電流分量即由D-STATCOM提供給負載。

圖2 補償電流檢測原理圖

由上述提出的補償原理可知,若要補償負載電流中的諧波分量,需要對ip、iq都進行檢測和變換；若要補償負載電流的無功分量,則只變換ip有功通道,并令無功通道電流iq為零［3,9］。

其中零序電流:

經(jīng)過零序電流分離:

補償電流為

三相靜止坐標到兩相靜止坐標系變換矩陣為

兩相靜止坐標到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換矩陣為

2 補償電流的預測控制跟蹤方法

當經(jīng)過上述檢測方法得到補償電流分量之后,需要D-STATCOM裝置實現(xiàn)補償電流的跟蹤控制。模型預測電流控制技術(shù)是建立在系統(tǒng)精確的數(shù)學模型基礎上,根據(jù)現(xiàn)在和過去系統(tǒng)的信息,預測出下一開關(guān)周期內(nèi)電流的指令,通過采用合適的價值函數(shù)來選擇最優(yōu)的開關(guān)組合,從而精確地跟蹤指令電流,預測控制器的設計如下。

三相四橋臂無功補償器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,逆變器輸出側(cè)接濾波器后與電網(wǎng)相連。Rf為濾波器的等效電阻,1f為濾波器電感,ica、icb、icc為逆變器輸出補償電流；ea、eb、ec為并網(wǎng)點電壓,中性線與逆變器的第四橋臂相連；直流側(cè)采用分裂式電容結(jié)構(gòu),O為接地點；負載為三相不對稱負載,負載電流為iLa、iLb、iLc；電源電流為isa、isb、isc。

對于三相四橋臂逆變器,每相橋臂中共有兩種開關(guān)狀態(tài),即上橋臂導通或者下橋臂導通,因此逆變器共有24=l6種開關(guān)狀態(tài),不同開關(guān)狀態(tài)對應逆變器輸出電壓的關(guān)系見附錄A,利用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)Si（i=a,b,c,n）描述,即

逆變器輸出電壓和開關(guān)函數(shù)關(guān)系如下式所示:

根據(jù)基爾霍夫定律,列寫逆變器輸出電壓和電流方程分別為［l6］

將（lO）式變形即可得到三相四橋臂逆變器連續(xù)狀態(tài)下的數(shù)學模型［l6］

為了偏于在硬件電路上實現(xiàn),建立系統(tǒng)連續(xù)模型后,須對逆變器的連續(xù)數(shù)學模型進行離散化處理,得到系統(tǒng)離散時間下輸出電流的遞推關(guān)系為

式中:Ts為系統(tǒng)采樣時間。

式（l3）即為預測電流控制中的預測模型。根據(jù)式（l3）中的預測模型,k+1時刻的輸出電流值ica、icb、icc均能被預測,按照使變流器輸出的電流與參考值之間的誤差最小為原則可構(gòu)造價值函數(shù):

對附錄中的l6個電壓矢量進行評價,選擇可以使價值函數(shù)c取得最小值的電壓矢量,該電壓矢量所對應的開關(guān)狀態(tài)作用于下一個采樣周期。

則基于預測電流控制的D-STATCOM控制原理圖如圖3所示。由補償電流檢測方法得到補償電流,補償電流作為預測控制器的參考電流,由預測控制器對電流進行預測控制,得到開關(guān)組合狀態(tài),從而實現(xiàn)電流的跟蹤控制。

圖3 基于預測電流控制的原理圖

3 仿真實驗

3.1 仿真一：驗證裝置的無功補償能力

系統(tǒng)電源相電壓為22OV,直流側(cè)電壓8OOV,直流側(cè)支撐電容為3 OOOμF,負載為三相不平衡負載,其中a相電感O.O3H,電阻l5Ω；b相電感O.l2H,電阻5Ω；c相電感O.l5H,電阻lOΩ；另外,在a相與零線之間設置二極管整流阻感負載,電感O.Ol2H,電阻l5Ω。

負載中含有電感,接入補償裝置之前,負載需要從電網(wǎng)吸收無功功率,導致網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降,因而在該仿真中只考慮補償無功分量,則只需要對有功通道進行檢測,使無功通道的iq=O。圖4所示為A相電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流的波形,可以看出在O.5s將D-STATCOM接入系統(tǒng)之前,電壓和電流存在相位差,電流滯后于電壓,當接入補償裝置之后,電壓與電流同相位。

圖4 電源電壓和電流相位關(guān)系

如圖5和圖6所示,D-STATCOM還對負序和零序分量進行了補償,使得系統(tǒng)輸出電流三相對稱,A相電流幅值由27A減小為9A。中線電流幅值由24A減小為O。

圖5 電源電流

圖7所示為電源向負載輸出功率的情況。投入補償裝置之前,電源需要向負載提供無功功率,因而無功功率不為O,且由于三相電流的不對稱使得有功功率和無功功率的波動很大,而當投入補償裝置之后,無功功率由補償裝置提供,則電網(wǎng)輸出的無功功率降為O,同時有功功率的波動減小。

圖8所示為采用預測電流控制三相四橋臂D-STATCOM的動態(tài)響應情況,從圖中可以看出補償器的輸出電流ica與計算出的補償參考電流iaref十分接近。由于非線性負荷二極管整流阻感負載的存在,在每個周期的切換點,跟蹤誤差較大,誤差為3A,為補償電流幅值的l6％,在周期內(nèi)的其他時刻,跟蹤誤差基本為零,這說明補償器的動態(tài)響應良好,能夠應對負荷突變給電網(wǎng)帶來的無功沖擊。

圖6 電源側(cè)中線電流

圖7 電源向負載提供的有功功率和無功功率

圖8 三相四橋臂D-STATCOM的動態(tài)響應情況

3.2 仿真二：驗證裝置的諧波消除能力

系統(tǒng)電源相電壓為22OV,直流側(cè)電壓8OOV,直流側(cè)支撐電容為3 OOOμF,三相對稱負載為電感O.O2H,電阻lOΩ,諧波源情況為a相注入幅值為3A,頻率為l5OHz的電流；b相注入幅值為2A,頻率為25OHz的電流；c相注入幅值為lA,頻率為35OHz的電流。仿真過程中,在O.5s時刻投入補償裝置。

由圖9可以看出,在O.5s之前,電源三相電流的諧波畸變率很高,其中a相為22.67％,b相為l5.lO％,c相為7.55％,在投入補償裝置后,電源輸出電流情況得到改善,三相電流為完全對稱,畸變率為a相O.45％,b相O.7O％,c 相O.55％。

圖9 電源電流

電源中線電流情況如圖lO所示,可以看出O.5s投入補償裝置后,中線上幅值為7A的振蕩電流減小為零,減小了線路損耗。

圖lO 電源側(cè)中線電流

電源輸出功率關(guān)系如圖11～l2所示,可以看出投入補償裝置以后功率的波動情況得到改善,有功和無功都基本穩(wěn)定。另外,消除諧波以后,電源輸出的有功功率由5.4l kW降低為5.25kW,減小了O.l6kW,占有功功率的3％。

圖11 電源輸出有功功率

圖l2 電源輸出無功功率

4 結(jié) 論

在基于瞬時無功功率理論電流檢測的基礎上,本文提出的三相四橋臂D-STATCOM電流預測控制方法,具備系統(tǒng)響應良好、能夠根據(jù)控制目標快速進行無功補償和諧波消除等優(yōu)點。仿真結(jié)果表明,D-STATCOM電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,具有補償三相非線性不對稱負荷、消除諧波的能力,易于工程應用。對于含有非線性負荷或不平衡負荷的配電網(wǎng),本文方法能夠很好地解決諧波、無功以及不平衡等問題,具有良好的應用前景。

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（責任編輯:楊秋霞）

Research on Current Predictive Control Method for Three-phase Four-leg D-STATCOM

JIA Lihu,ZHU Yongqiang,GUO Wenrui,WANG Yinshun
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University,Beijing lO22O6,China）

為了解決配電網(wǎng)中存在的三相電流不平衡、諧波污染等問題，本文提出了基于電流預測控制的補償方法。采用瞬時無功功率理論，計算出所需的補償電流，然后將電流預測控制方法運用到D-STATCOM，建立其離散化數(shù)學模型，采用遍歷法推算出在全部開關(guān)函數(shù)組合分別作用下的補償器輸出電壓，并用合適的價值函數(shù)來選擇最優(yōu)的開關(guān)組合，按照補償電流的參考值快速輸出補償電流。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上進行了仿真驗證，按照所設計的控制策略，對三相四線制下的不平衡感性負載和注入諧波兩種情況進行了無功補償和諧波消除仿真，仿真結(jié)果表明所提出的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速的無功補償和諧波消除。

靜止同步補償器；電流預測控制；無功補償；諧波消除

In order to solve the three-phase currents imbalance and harmonic pollution problems in distribution network,a compensation method based on the current predictive control is presented in this paper.In this paper,the instantaneous reactive power theory is used to calculate the compensation current.Then the current predictive control is applied in the D-STATCOM.Firstly,the discrete-time model of D-STATCOM is built,in which the traversal method is used to evaluate the output voltage of compensator in all switching states,and the optimal switching combination is chosen by using suitable cost function.Then the compensating current is rapidly outputted according to its reference value.In the end,simulations are carried out on the PSCAD/EMTDC platform,based on proposed control strategy,the reactive power compensation and harmonic elimination have been studied under such cases as unbalanced reactive load and input harmonic in three-phase four-wire system.The simulation results show that the proposed method can achieve rapid reactive power compensation and harmonic elimination.

D-STATCOM；current predictive control；reactive power compensation；harmonic elimination

2Ol4-11-l7

賈利虎 （l988—）,男,博士研究生,研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù),E-mail:jialihu@ncepu.edu.cn；

朱永強 （l975—）,男,博士,副教授,研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù),E-mail:zyq@ncepu.edu.cn；

郭文瑞 （l99O—）,男,碩士研究生,研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù),E-mail:guofrank@l63.com；

王銀順 （l964—）,男,教授,博士生導師,研究方向為超導電工技術(shù)、先進輸電技術(shù),E-mail:yswang@ncepu.edu.cn。

新能源電力系統(tǒng)國家重點室開放基金課題（KZOOO3）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費（JB2Ol2O63）