電網(wǎng)三相電壓不平衡下STATCOM的控制方法

◇內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 代高富 蒲珊珊 李 浪

本文設(shè)計了一種基于正序基波提取器鎖相的靜止同步補(bǔ)償器，其控制策略在電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，采用正序基波提取器來鎖定不平衡條件下的電壓相位，解決了傳統(tǒng)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓三相不平衡的情況下無法鎖定相位的問題。最后在Matlab/simulink仿真軟件下進(jìn)行驗證，該控制方法正確可行，具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

本文設(shè)計了一種基于正序基波提取器鎖相的靜止同步補(bǔ)償器，其控制策略在電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，采用正序基波提取器來鎖定不平衡條件下的電壓相位，解決了傳統(tǒng)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓三相不平衡的情況下無法鎖定相位的問題。最后在Matlab/simulink仿真軟件下進(jìn)行驗證，該控制方法正確可行，具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

1 引言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的非線性負(fù)載、沖擊性負(fù)荷，如大型軋鋼機(jī)、整流逆變裝置等的運(yùn)行向電網(wǎng)注入大量諧波，并造成電網(wǎng)電壓波動和三相電壓嚴(yán)重不平衡，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，為改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，加裝無功補(bǔ)償裝置STATCOM，可以有效補(bǔ)償無功功率和抑制諧波[1-3]。

本文采用直接電流控制，把STATCOM輸出電流的反饋控制回路引入進(jìn)來，讓STATCOM 的輸出電流跟蹤到指令電流[4]，從而提高其響應(yīng)速度。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 STATCOM結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1是三相三線制下的STATCOM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)包括主電路和控制器兩部分[5]。

圖1 STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器原理：利用鎖相環(huán)和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換這兩個環(huán)節(jié)，負(fù)載電流iLabc中的無功分量iqref就可以被檢測出來，而且通過將STATCOM輸出的補(bǔ)償電流iabc進(jìn) 行坐標(biāo)變換，即把坐標(biāo)系從abc變換到dq，通過這種方式可以得到iabc中 的兩個值，一個是其無功分量的瞬時值iq，另一個是其有功分量的瞬時值ip。對于負(fù)載電流而言，它的基波無功分量在dq坐標(biāo)系下是q軸的直流量，使用低通濾波器LPF將其中的諧波分量進(jìn)行濾除就能夠得到iqref。然后，使用PI控制器能夠讓電流空間矢量（id，iq）轉(zhuǎn)換到電壓空間矢量（ud，uq）。最后，通過對輸出空間電壓矢量進(jìn)行脈寬調(diào)制從而得到PWM 驅(qū)動信號。

2.2 正序基波提取法鎖相

利用正序基波的選頻特性，可以選出工頻50Hz的基波信號，其原理如下所示。

假設(shè)電網(wǎng)電壓的正弦信號為：

其中A為電壓的幅值，ω1為工頻50Hz的角頻率，為電壓初相位。

電網(wǎng)電壓e(t)的幅值積分函數(shù)為：

選取輔助信號：

對e(t)，y(t)，x(t)這三個信號進(jìn)行拉普拉斯變換得：

由式（3）～式（5）可推導(dǎo)出：

假設(shè)電網(wǎng)電壓e(t)信號的頻率出現(xiàn)微小波動，頻率偏差大小為，即：

相應(yīng)的幅值積分信號和輔助信號分別為：

將以上三式進(jìn)行拉普拉斯變換，整理得：

則：

則：

式（12）的結(jié)果可以看出，幅值積分函數(shù)y(t)的拉普拉斯變換結(jié)果近似為0，表明對諧波信號有抑制作用。

3 仿真研究

通過matlab/simulink仿真軟件對本文設(shè)計的STATCOM控制器進(jìn)行驗證。仿真參數(shù)：電源相電壓U=220V，頻率f=50Hz，電源內(nèi)阻Rs=0.02Ω，電源電抗Ls=0.001mH，線路電阻Ra=0.2Ω，線路電抗La=0.5mH，STATCOM的連接電抗Lc=0.5mH，直流電容C=3mF。

圖2、圖3分別是電網(wǎng)三相電壓波形和負(fù)載電流波形，可以看出，電網(wǎng)電壓和電流不是同相位，負(fù)載電流中含有大量無功電流。在0.1s后，負(fù)載電流受到電網(wǎng)電壓畸變的影響，開始發(fā)生畸變。圖4、圖5分別是傳統(tǒng)控制策略下和改進(jìn)控制策略下補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流，可以看出，傳統(tǒng)控制策略下，電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變以后，STATCOM不能很好的補(bǔ)償?shù)綗o功電流和畸變電流；而改進(jìn)鎖相環(huán)以后，即使電壓畸變，補(bǔ)償結(jié)果基本不受影響，電流波形補(bǔ)償?shù)幂^好。

圖2 電網(wǎng)電壓波形

圖3 負(fù)載電流波形

圖4 傳統(tǒng)控制策略下補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流波形

圖5 改進(jìn)控制策略下補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流波形

4 結(jié)語

本文首先介紹了STATCOM電路結(jié)構(gòu)和工作原理，采用正序基波提取器改進(jìn)鎖相環(huán)，克服了鎖相環(huán)易受三相不平衡電壓或畸變影響的問題。最后通過仿真驗證，在三相電網(wǎng)電壓不平衡和畸變的情況下，本文改進(jìn)的STATCOM裝置能夠很好的檢測出負(fù)載無功電流，并能較好的補(bǔ)償無功電流和諧波電流。