改進(jìn)的外插值方法在三相四線制STATCOM中的應(yīng)用

湯云駿， 黃洪全， 魏星， 許煒

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

改進(jìn)的外插值方法在三相四線制STATCOM中的應(yīng)用

湯云駿， 黃洪全， 魏星， 許煒

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

三線四線制STATCOM對濾除三相四線制配電網(wǎng)中的電流諧波，補償不平衡系統(tǒng)中的無功電流有著重要的意義。由于A/D采樣以及復(fù)雜的補償電流檢測算法使得STATCOM系統(tǒng)產(chǎn)生一定的延時，難以滿足實時性的要求。外插值法預(yù)測計算簡單，可以有效減小系統(tǒng)延遲，但仍存在一定的誤差。提出了改進(jìn)的外插值方法可以極大的減小預(yù)測誤差，對STATCOM補償電流進(jìn)行預(yù)測，提高了系統(tǒng)的實時性和補償精度，仿真結(jié)果充分驗證了算法的有效性。

三相四線制；不平衡；STATCOM；外插值法；預(yù)測

0 引 言

我國的配電網(wǎng)中大部分負(fù)荷都是通過三相四線制系統(tǒng)來獲取電能。電網(wǎng)中大量的單相非線性負(fù)載的使用，在造成負(fù)載三相不平衡的同時使大量的諧波電流注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量[1]。此外，配電網(wǎng)中常見的異步電動機、變壓器等負(fù)荷需要消耗大量的無功，如果配電網(wǎng)的無功得不到及時的補償，將會造成電網(wǎng)電壓的降低和較大波動，使得電能質(zhì)量進(jìn)一步的惡化，這對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟運行產(chǎn)生了不利影響。因此，三相四線制配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高十分迫切。

靜止同步補償器(STATCOM)是有源綜合補償裝置，具有動態(tài)性能好、占地小、性價比高的特點，可以濾除系統(tǒng)中的負(fù)序、零序電流分量和電流諧波，消除不平衡負(fù)載對系統(tǒng)的影響，同時補償無功電流，穩(wěn)定裝置接入點的系統(tǒng)電壓，是現(xiàn)階段配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的最優(yōu)選擇[2]，對提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量有著重要的意義。

三相四線制STATCOM要經(jīng)過A/D采樣、補償電流計算，控制策略，逆變輸出的過程，由于算法復(fù)雜且控制器的運算速度有限，造成理想補償電流與實際補償電流存在延遲，影響STATCOM的補償精度，而采用預(yù)測算法[3-7]可有效解決這一問題。外插值預(yù)測算法具有計算簡單，易于數(shù)字處理器實現(xiàn)的特點，既可以有效消除系統(tǒng)的延遲，保證系統(tǒng)的實時補償性能，又不會因為算法本身的復(fù)雜性而產(chǎn)生新的系統(tǒng)延時。但是，預(yù)測值與實際值之間仍存在一定的誤差。本文提出了一種改進(jìn)的外插值預(yù)測方法，既保持了原方法計算量小的算法優(yōu)點又可以極大地減小預(yù)測誤差。通過搭建三相四線制STATCOM系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，充分驗證使用該方法可以有效改善補償效果。

1 補償電流檢測原理

圖1 STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三相四線制STATCOM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[8-9]如圖1所示。

圖1中us為電網(wǎng)側(cè)電壓，is為電網(wǎng)側(cè)輸出電流。STATCOM先測得負(fù)載側(cè)的電流il，通過A/D轉(zhuǎn)換將值送入補償電流運算單元計算出補償電流指令信號。在脈沖控制信號發(fā)生單元中通過控制方法跟蹤補償電流指令信號并生成相應(yīng)的脈沖控制信號，再將其通過驅(qū)動電路控制主電路輸出補償電流ic，主電路由四橋臂的IGBT和直流側(cè)儲能大電容組成。補償電流ic中包含有負(fù)載電流中的無功、負(fù)序、零序和諧波成分，使得電網(wǎng)側(cè)只需提供負(fù)載電流的正序基波成分，從而達(dá)到對電網(wǎng)綜合補償?shù)哪康摹?/p>

補償電流的檢測算法是補償裝置能否有效解決配電網(wǎng)中許多電能質(zhì)量問題的關(guān)鍵因素。三相四線制系統(tǒng)比三相三線制系統(tǒng)多一條中線，補償電流的檢測方法也會有所區(qū)別，采用的是ip-iq-i0算法。補償電流的檢測算法如圖2所示。

圖2 補償電流檢測算法原理圖

先將零序電流i0從A、B、C三相電流中分離并取反直接作為中線的補償電流，中線補償電流為：

i0h=-(iA+iB+iC)

(1)

由于三相中的零序分量相等，各相電流的零序分量為：

(2)

分別將三相電流去除零序分量可得到僅含有正序與負(fù)序分量的三相電流ia、ib、ic。

ia=iA-i0A

(3)

ib=iB-i0B

(4)

ic=iC-i0C

(5)

然后按照三相三線制的ip-iq算法進(jìn)行運算求取需補償?shù)碾娏髦噶钚盘枴?/p>

先將ia、ib、ic通過矩陣C1變換到α、β坐標(biāo)系下：

(6)

再將iα、iβ通過矩陣C2變換為電流的有功分量ip和無功分量iq:

(7)

其中的正余弦信號sinωt和cosωt是將A相的電壓ua通過鎖相環(huán)PLL和正余弦發(fā)生器得到。

檢測算法中用到的AD轉(zhuǎn)換、低通濾波器、PLL鎖相環(huán)等會對系統(tǒng)造成一定的延時。假設(shè)在k時刻采樣得到負(fù)載側(cè)電流i，通過復(fù)雜的補償電流算法后得到補償電流ic，此時時間便已經(jīng)到了k+1時刻，故STATCOM的當(dāng)前補償電流總是上一時刻的補償電流。這種補償滯后使得STATCOM無法滿足實時性的要求，給補償效果和精度造成負(fù)面的影響。

2 外插值預(yù)測方法

為了解決系統(tǒng)延遲問題，通常采用預(yù)測算法對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測控制，減小延遲對系統(tǒng)的影響。目前多數(shù)預(yù)測算法都可以有效減小延遲影響，但算法本身比較復(fù)雜，計算量大，容易造成新的延遲。

外插值預(yù)測方法也稱拉格朗日外插值法，具有較好的預(yù)測精度，且算法本身計算量小，易于數(shù)字處理器實現(xiàn)，故采用外插值預(yù)測方法來解決延遲對STATCOM補償結(jié)果的影響。

(8)

設(shè)數(shù)字處理器從采樣開始到補償結(jié)束為一個控制周期，接著再開始下一次采樣，則相鄰采樣點間隔為一個控制周期，公式(8)可化簡為：

(9)

根據(jù)公式(9)在Simulink中搭建仿真模型，如圖3所示。

圖3 外插值預(yù)測方法仿真模型圖

圖4 外插值方法預(yù)測值與真實值差值

如圖4所示，通過外插值方法得到的預(yù)測值與真實值之間存在一定的誤差，最大絕對誤差為3.1×10-4A。證明外插值預(yù)測方法能在一定程度上減小系統(tǒng)延時對STATCOM補償效果的影響，但仍存在不小的誤差，不能使系統(tǒng)達(dá)到最佳的實時性。

3 改進(jìn)的外插值預(yù)測方法

圖5 改進(jìn)的外插值預(yù)測方法原理圖

為了進(jìn)一步提高外插值方法的預(yù)測精度，提出了一種外插值預(yù)測方法的改進(jìn)方案，其原理如圖5所示。

即：

(10)

即：

(11)

即：

(12)

根據(jù)式(10)、(11)可以推出：

(13)

圖6 改進(jìn)的外插值預(yù)測方法仿真模型圖

圖7 改進(jìn)的外插值方法 預(yù)測值與真實值差值

根據(jù)改進(jìn)的外插值預(yù)測方法在Simulink中搭建仿真模型，如圖6所示。

如圖7所示，通過改進(jìn)的外插值方法得到的預(yù)測值與真實值之間的誤差相當(dāng)小，最大絕對誤差為0.95×10-8A，可忽略不計。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)的外插值方法可極大減小原外插值方法預(yù)測值與真實值的誤差，可十分有效的提高預(yù)測精度，且仍保持了外插值預(yù)測方法計算量小，適合數(shù)字處理器實現(xiàn)的優(yōu)點。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

圖8 未采用預(yù)測方法C相電流頻譜圖

依照圖1所示的原理框圖，在Simulink中搭建線電壓為380 V的三相四線制STATCOM仿真模型，采樣周期為50 μs，負(fù)載采用帶逆變橋的不平衡負(fù)載，使用如圖2所示的補償電流檢測算法，采用三角載波法跟蹤補償電流并產(chǎn)生脈沖控制信號控制主電路的輸出。當(dāng)STATCOM系統(tǒng)不采用預(yù)測算法時，選擇電網(wǎng)側(cè)C相電流進(jìn)行觀察，補償后電網(wǎng)測C相電流的輸出頻譜圖如圖8所示。

在系統(tǒng)中加入改進(jìn)的外插值預(yù)測模塊，補償后電網(wǎng)測C相電流的輸出頻譜圖如圖9所示。

圖9 采用預(yù)測方法C相電流頻譜圖

由圖8、圖9對比可知，在加入改進(jìn)的外插值預(yù)測算法后，電網(wǎng)側(cè)C相電流的總諧波失真率從6.38%下降到4.09%。顯然，三相四線制STATCOM的實時性的到很大的提高，補償效果得到了明顯的改善，充分證明了改進(jìn)的外插值預(yù)測方法對提高STATCOM的補償精度有著重要的意義。

5 結(jié)束語

三相四線制STATCOM能有效的消除系統(tǒng)的諧波并補償不平衡系統(tǒng)的無功，是提高電能質(zhì)量的重要裝置。但因為A/D采樣及復(fù)雜補償電流檢測算法造成的系統(tǒng)延時對補償效果造成一定負(fù)面的影響。本文提出的改進(jìn)的外插值預(yù)測方法既保留了原外插值預(yù)測算法計算量小，易于數(shù)字處理器實現(xiàn)的優(yōu)點，同時較原方法預(yù)測精度得到很大的提高，可極大地減小系統(tǒng)延時對補償結(jié)果的影響，提高STATCOM的補償精度。仿真實驗驗證該方法的有效性，對三相四線制STATCOM的實際應(yīng)用有著重要的意義。

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The Application of Improved Interpolation Method in Three-phase Four-wire STATCOM

Tang Yunjun, Huang Hongquan, Wei Xing, Xu Wei

(College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004, China)

Three-phase four-wire STATCOM has important significance in filter out the current harmonics in three-phase four wire power distribution network and the compensation of reactive current in the system. Because of the A/D sampling and the complex compensation current detection algorithm, the STATCOM system has a certain delay, it is difficult to meet the requirements of real-time. The external interpolation method can effectively reduce the delay of the system, but it still has some errors. The improved interpolation method can greatly reduce the prediction error, and it can be used to predict the STATCOM compensation current, improve the real-time performance and compensation accuracy of system. The simulation results verify the effectiveness of the algorithm.

three-phase four-wire system; imbalance; STATCOM; external interpolation method; prediction

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.019

TP23

A

1000-3886(2016)05-0057-03

湯云駿(1990 - )，男，湖南長沙人，碩士生，研究方向為電力智能化檢測與控制。

定稿日期: 2016-01-28