基于滑?？刂频慕切渭壜?lián)靜止同步補(bǔ)償器快速不平衡補(bǔ)償方法

何小勇

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司郴州供電分公司，湖南 郴州 423000)

0 引言

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)囊笕找鎳?yán)格[1－4]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者接入不平衡負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)三相不平衡狀態(tài)，但是傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置不能對其及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，這威脅到了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；诮切渭壜?lián)多電平結(jié)構(gòu)的STATCOM 是一種新型無功補(bǔ)償裝置，能夠輸出電流對無功和負(fù)序電壓進(jìn)行快速補(bǔ)償，其具有模塊化、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，在中高壓配電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[5－8]。

對此，文獻(xiàn)[9] 提出了角形STATCOM 的三級平衡控制策略，包括整體平衡、相間平衡和相內(nèi)平衡控制，利用三相有功電流矢量來合成零序環(huán)流指令，提升了STATCOM 的穩(wěn)定性。角型級聯(lián)STATCOM 三相鏈節(jié)之間允許存在零序環(huán)流，環(huán)流只在角內(nèi)流動(dòng)，不影響補(bǔ)償器的線電流，但零序環(huán)流會(huì)影響鏈節(jié)的有功功率。因此可以利用零序環(huán)流來實(shí)現(xiàn)相間有功功率的調(diào)節(jié)[10－12]。文獻(xiàn)[13] 對比了角形和星型級聯(lián)STATCOM 的不平衡補(bǔ)償能力，推導(dǎo)了分相控制法與零序電壓注入法的功率平衡控制等效性。為改善STATCOM 補(bǔ)償無功和負(fù)序電流的性能，文獻(xiàn)[14] 研究了LCL 濾波的級聯(lián)STATCOM，并提出了零序和負(fù)序電壓注入的功率平衡方法。文獻(xiàn)[15] 研究了負(fù)序電壓注入的相間直流電壓均衡控制策略，文獻(xiàn)[16] 為提高電網(wǎng)不平衡下相間直流電壓的動(dòng)態(tài)性能，提出了dq坐標(biāo)系上的負(fù)序電壓前饋控制方法。

相比于星形級聯(lián) STATCOM，角形級聯(lián)STATCOM 利用環(huán)流電流實(shí)現(xiàn)相間平衡，具有更強(qiáng)的不平衡電壓耐受能力[16－17]。當(dāng)電網(wǎng)故障或者接入不平衡負(fù)載出現(xiàn)電壓單相跌落等不平衡工況時(shí)，角形級聯(lián)STATCOM 能夠同時(shí)輸出正負(fù)序電流補(bǔ)償電網(wǎng)電壓。但直接利用電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量經(jīng)PI控制計(jì)算補(bǔ)償電流指令的方法需要的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間長，不利于電壓的快速補(bǔ)償。針對此問題，本文提出基于滑?？刂频慕切渭壜?lián)STATCOM 快速補(bǔ)償方法，首先，采樣公共連接點(diǎn) (Point of Common Coupling，PCC) 處的三相電網(wǎng)電壓并進(jìn)行正負(fù)序分解求得電網(wǎng)電壓的正序分量和負(fù)序分量；接著，引入滑模PI 控制，快速求解補(bǔ)償電流指令；最后，將求解的補(bǔ)償電流指令信號(hào)與角形級聯(lián)STATCOM電壓穩(wěn)定控制、相間平衡控制和電流內(nèi)環(huán)控制相結(jié)合，控制STATCOM 輸出無功電流來抑制電網(wǎng)不平衡。

1 角形級聯(lián)STATCOM 快速補(bǔ)償方法

1.1 角型級聯(lián)STATCOM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

角型級聯(lián)STATCOM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為每一相鏈節(jié)由n個(gè)H 橋模塊級聯(lián)的角形級聯(lián)STATCOM 的結(jié)構(gòu)圖，其中，Va、Vb、Vc是三相電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處的相電壓，Ls是電網(wǎng)等效阻抗，ia、ib、ic是角形級聯(lián)STATCOM 線電流，L是角形級聯(lián)STATCOM 濾波電抗，iab、ibc、ica是角形級聯(lián)STATCOM 相電流。電網(wǎng)發(fā)生故障或者接入不平衡負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)電壓可能會(huì)出現(xiàn)單相跌落等不平衡工況，導(dǎo)致正序電壓跌落并出現(xiàn)負(fù)序電壓分量，需要STATCOM 對電網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行無功和負(fù)序補(bǔ)償，才能維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

圖1 角形級聯(lián)STATCOM 結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于滑模控制的指令信號(hào)獲取方法

圖2 所示為角形級聯(lián)STATCOM 的正負(fù)序電壓信號(hào)獲取方法框圖。利用基于廣義二階積分器的電壓檢測，快速準(zhǔn)確地提取相位和頻率信息，使得系統(tǒng)能夠在不對稱故障下仍能保證準(zhǔn)確的電網(wǎng)同步。將Va、Vb、Vc分別變換到正負(fù)序dq坐標(biāo)系下:

圖2 正負(fù)序電壓信號(hào)獲取方法框圖

其中上標(biāo)P 表示正序分量，上標(biāo)N 表示負(fù)序分量，ω為經(jīng)過檢測獲得的三相電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)角速度，t為時(shí)間，是正序基波電壓d軸分量，是正序基波電壓q軸分量，是負(fù)序基波電壓d軸分量，是負(fù)序基波電壓q軸分量。

圖3 所示為所提基于滑?？刂频闹噶羁焖佾@取方法框圖。

圖3 滑模PI 控制指令獲取方法框圖

正序基波電壓q軸分量的指令值是正常電網(wǎng)電壓的幅值；為抑制負(fù)序電壓，將和的指令值設(shè)為0?？傻弥噶钚盘?hào)為:

滑?？刂凭哂惺瓜到y(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)的特性?；？刂葡到y(tǒng)通過對滑模面切換函數(shù)S的符號(hào)來進(jìn)行判別，不斷切換控制量來改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)好的滑模面S＝0 上，然后系統(tǒng)沿滑模面進(jìn)行滑動(dòng)。到達(dá)過程和滑動(dòng)過程的特性決定了滑?？刂频膭?dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在滑模控制時(shí)，需要限制控制狀態(tài)到其相應(yīng)的滑模面。其中，三個(gè)滑模面的切換函數(shù)S要滿足以下公式:

角形級聯(lián)STATCOM 通過滑?？刂?，就可以快速地對電網(wǎng)電壓的正負(fù)序分量誤差進(jìn)行校正，同時(shí)還有較強(qiáng)的魯棒性。PI 控制器具有可以無誤差地跟蹤直流分量的特性，還可以增加控制系統(tǒng)的自由度，因此在dq坐標(biāo)系下，將滑?？刂婆cPI 調(diào)節(jié)相結(jié)合，能夠快速精準(zhǔn)地補(bǔ)償不平衡電網(wǎng)電壓的無功和負(fù)序分量，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，還可以迅速對噪聲進(jìn)行響應(yīng)，抑制電網(wǎng)波動(dòng)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 角形級聯(lián)STATCOM 功率平衡控制

角形級聯(lián)STATCOM 各相鏈節(jié)的直流側(cè)相互獨(dú)立，由電容完成電壓支撐功能，無法提供大量有功電流。因此每相鏈節(jié)可以等效為純無功元件。基波正序無功分量不影響鏈節(jié)與電網(wǎng)之間的有功交換，但基波負(fù)序分量與線電壓相量非正交，會(huì)導(dǎo)致某些相鏈節(jié)持續(xù)輸入有功功率，而其他相鏈節(jié)持續(xù)輸出有功功率，導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓發(fā)散，影響STATCOM 的穩(wěn)定性。

設(shè)STATCOM 向電網(wǎng)輸出平均有功功率為Ps，每相鏈節(jié)實(shí)際輸出有功功率平均值分別為Pab、Pbc、Pca，滿足:

每相鏈節(jié)輸出有功功率平均值分別為PCab、PCbc、PCca，滿足:

PCab、PCbc、PCca包含有正序分量、負(fù)序分量和零序分量，因此可以根據(jù)每相鏈節(jié)間直流側(cè)總電壓的偏差值，來生成零序環(huán)流指令，形成有功環(huán)流來調(diào)節(jié)各相鏈節(jié)的直流側(cè)總電壓，就可以實(shí)現(xiàn)各相鏈節(jié)直流側(cè)電壓的平衡。

如圖4 所示為零序環(huán)流在角形STATCOM 內(nèi)流動(dòng)的示意圖。零序環(huán)流不影響STATCOM 的線電流輸出，通過構(gòu)造與鏈節(jié)相電壓同相的有功分量，產(chǎn)生在三角形結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)的零序環(huán)流來補(bǔ)償各相間鏈節(jié)電壓的不平衡。

圖4 零序環(huán)流在角形STATCOM 內(nèi)流動(dòng)示意圖

角形級聯(lián)STATCOM 控制框圖如圖5 所示。為指令電流信號(hào)，Udc＿ref為直流側(cè)總電容電壓指令值，Udc為三相鏈節(jié)直流側(cè)總電壓的平均值，為三相線電流指令信號(hào)。零序環(huán)流指令根據(jù)相間平衡控制方法可得。由STATCOM 角內(nèi)零序環(huán)流的約束條件:

圖5 角形級聯(lián)STATCOM 控制框圖

STATCOM 整體電壓外環(huán)采用比例積分PI 控制，電流內(nèi)環(huán)采用比例P 控制，依靠雙閉環(huán)控制，STATCOM 可以根據(jù)指令信號(hào)快速向電網(wǎng)注入正序無功和負(fù)序電流來補(bǔ)償電網(wǎng)電壓。

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的指令信號(hào)獲取方法在電網(wǎng)故障情況下的有效性，在PSIM 環(huán)境下搭建了5 電平角形級聯(lián)STATCOM 仿真模型，主要仿真參數(shù)見表1。

表1 主要仿真參數(shù)

角形級聯(lián)STATCOM 經(jīng)過PCC 點(diǎn)并聯(lián)接入電網(wǎng)中，在仿真中，通過修改電網(wǎng)電壓幅值來模擬電網(wǎng)不平衡工況。電網(wǎng)等效電抗為LS＝0.2 mH，電阻忽略不計(jì)。故滑模PI 控制方法中，參數(shù)選取如下:0.000 1，＝0.000 083。IGBT 驅(qū)動(dòng)根據(jù)載波移相方法調(diào)制后獲得。

為驗(yàn)證所提控制方法的正確性，在補(bǔ)償單相跌落、補(bǔ)償兩相電壓跌落兩種工況下，對角形級聯(lián)STATCOM 分別采用所提方法與基于PI 控制器的常規(guī)指令電力獲取策略進(jìn)行仿真，PI 控制器比例系數(shù)為3，積分系數(shù)為12。

工況一為電網(wǎng)電壓在t＝0.24 s 時(shí)發(fā)生單相跌落16%，設(shè)定STATCOM 在t＝0.3 s 時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，PCC 電壓變化情況如圖6 所示。圖7 給出了電壓跌落與補(bǔ)償前后，電壓正負(fù)序分量的變化情況。圖8給出了STATCOM 輸出電流波形圖。由圖6 可以看出，采用所提方法與常規(guī)方法的角形級聯(lián)STATCOM 都可以根據(jù)不平衡情況進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)圖7 (a) 和圖8 (a) 可知，角形級聯(lián)STATCOM根據(jù)電網(wǎng)電壓中的無功缺額和所含有的負(fù)序分量，通過滑模PI 控制，快速獲取指令電流，向電網(wǎng)中注入無功和負(fù)序電流，具有較短的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程，可以更快地補(bǔ)償電網(wǎng)不平衡。而根據(jù)圖7 (b) 和圖8 (b) 可知，采用常規(guī)方法來獲取補(bǔ)償電流指令時(shí)，會(huì)面臨更長的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程，且補(bǔ)償精度也低于采用所提控制方法的情況。

圖6 工況一PCC 相電壓波形圖

圖7 工況一PCC 電壓正序和負(fù)序分量圖

圖8 工況一STATCOM 輸出電流波形圖

工況二為在t＝0.24 s 時(shí)，電網(wǎng)A 相和B 相電壓跌落16%，STATCOM 在t＝0.3 s 時(shí)投入電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，電網(wǎng)電壓變化情況波形如圖9 所示。對應(yīng)的STATCOM 輸出電流波形如圖10 所示。對比圖10 (a) 和(b) 可知，在兩相電壓跌落的工況下，所提方法具有更快的響應(yīng)速度。經(jīng)過補(bǔ)償之后，A相和B 相電壓有效值由補(bǔ)償前的190 V 恢復(fù)到212 V，電壓無功和負(fù)序分量得到了有效的補(bǔ)償。但是由于所研究系統(tǒng)沒有接入中性線，單相與兩相電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致零序電壓分量出現(xiàn)，所提STATCOM 暫未能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。

圖9 工況二PCC 相電壓波形圖

圖10 工況二STATCOM 輸出電流波形圖

3 結(jié)語

本文提出了一種基于滑?？刂频慕切渭壜?lián)STATCOM 快速補(bǔ)償方法，引入滑模控制并與PI 調(diào)節(jié)相結(jié)合，能夠快速地計(jì)算出不平衡電壓補(bǔ)償所需的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，提升不平衡補(bǔ)償響應(yīng)速度。結(jié)合角形級聯(lián)STATCOM 的電壓穩(wěn)定控制、相間平衡控制和電流內(nèi)環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的快速精準(zhǔn)補(bǔ)償。仿真研究表明，角形級聯(lián)STATCOM 在采用所提方法后，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)不平衡工況的快速補(bǔ)償。