基于直流側(cè)電壓平衡控制的靜止無功補(bǔ)償器控制策略研究

劉天慈

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北隨州 441399）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸增大，逐漸復(fù)雜，其能量傳輸過程中需要傳輸?shù)娜萘扛螅瑸榱颂岣唠娏ο到y(tǒng)傳輸效率與容量，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量的要求越來越高[1-2]。在電力系統(tǒng)中，無功功率將引起設(shè)備電壓下降，增加電能損失[3]。因此，需保障電力系統(tǒng)中無功功率平衡。而無功補(bǔ)償均由發(fā)電機(jī)提供，將增加電能傳輸損耗。因此可采用靜止無功補(bǔ)償器補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率[4]。

靜止無功補(bǔ)償器可增加發(fā)電機(jī)的有功輸出功率，減小線路傳輸電能的損耗，增加線路傳輸電能的效率，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性；提高用電設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性，提高電網(wǎng)功率因數(shù)[5,6]。靜止無功補(bǔ)償器是通過橋式變換器與電抗器連接于電網(wǎng)之上，可通過調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓的相位，實(shí)現(xiàn)吸收無功功率或發(fā)出無功功率[7]。

傳統(tǒng)的靜止無功補(bǔ)償器的輸出電壓諧波含量高，接入電網(wǎng)后，將造成電網(wǎng)諧波污染[8]。級聯(lián)式的靜止無功補(bǔ)償器由半橋模塊、全橋模塊等子模塊構(gòu)成，通過多電平技術(shù)可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出正弦電壓的目的，隨著級聯(lián)的子模塊數(shù)量增加，其諧波含量逐漸降低[9-10]。級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器存在各個子模塊的電壓不均衡問題，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，出現(xiàn)大的事故。

本研究提出了兩層電壓控制的方法，第一層為三相電壓的各相電壓的平衡控制，第二層為各個功率單元的電壓平衡控制，并建立仿真模型。

1 級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型

1.1 級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器拓?fù)?/h3>

圖1 所示為級聯(lián)式的靜止無功補(bǔ)償器的拓?fù)?。圖1中，每相包含了N個全橋模塊串聯(lián)、電抗器。ua、ub、uc分別為電網(wǎng)的三相電壓，uca、ucb、ucc分別為靜止無功補(bǔ)償器的輸出電壓，isa、isb、isc為三相電網(wǎng)電流，ica、icb、icc為流入靜止無功補(bǔ)償器的三相電流。L為電抗器，R為線路損耗等效電阻。

圖1 級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器

1.2 級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)為三相三線制，且三相完全對稱，則靜止無功補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型可表示為：

靜止無功補(bǔ)償器的輸出電壓可表示為：

式中，uca1、uca2……ucaN為A 相單元中各子模塊的輸出電壓；ucb1、ucb2……ucbN為B 相單元中各子模塊的輸出電壓；ucc1、ucc2……uccN為C 相單元中各子模塊的輸出電壓。

式（1）可通過矩陣形式表示為：

為實(shí)現(xiàn)解耦控制，可將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣可表示為：

則在兩相坐標(biāo)系下的靜止無功補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中，icd、icq、ic0為流入靜止無功補(bǔ)償器的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流分量，ud、uq、u0為電網(wǎng)側(cè)電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓分量；ucd、ucq、uc0為靜止無功補(bǔ)償器輸出電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓分量。

假設(shè)系統(tǒng)完全對稱，則需滿足下式：

因此，式（5）可表示為：

式中，ω為電網(wǎng)電壓的電角頻率。

系統(tǒng)均滿足功率平衡，其功率平衡方程為：

式中，RL為負(fù)載電阻。

2 級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器調(diào)制策略

級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器各子模塊的均壓策略是關(guān)鍵，若不能實(shí)現(xiàn)均壓，則子模塊ⅠGBT 的開關(guān)應(yīng)力不一致，造成系統(tǒng)設(shè)備制造困難，系統(tǒng)不穩(wěn)定，ⅠGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷時間不一。因此，需進(jìn)行單相單元的電壓均衡控制。在電壓環(huán)增加兩個環(huán)節(jié)，第一層為各相電壓之間的平衡，第二層為每一相個子模塊之間的電壓平衡。

2.1 三相電壓均衡控制

當(dāng)靜止無功補(bǔ)償器投入運(yùn)行后，需要補(bǔ)償其各子模塊不平衡，其控制原理如圖2所示。

圖2 三相電壓均衡控制

圖2 中，udc1、udc2……udcn分別為各功率單元的直流側(cè)的電壓，可表示為：

因此，輸出的電流參考值可表示為：

式中，Kp、Ki為PⅠ控制器的比例環(huán)節(jié)系數(shù)、積分環(huán)節(jié)系數(shù)。

2.2 各相單元電壓均衡控制

各相單元的電壓可表示為：

其控制框圖如圖3所示。

圖3 各相單元控制

通過比例環(huán)節(jié)獲得的調(diào)制信號與調(diào)制信號Igf相加獲得了最終調(diào)制信號Idgn。其表達(dá)式為：

3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器的控制策略，搭建了仿真模型，其參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖4所示為未投入級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器時的電網(wǎng)電壓、電流波形。圖5 所示為投入級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器時的電網(wǎng)電壓、電流波形。由圖4～圖5可知，投入級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器后，電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1，能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率補(bǔ)償。

圖4 未投入靜止無功補(bǔ)償器波形

圖5 投入后波形

4 結(jié)論

本研究提出了一種電壓雙層控制的級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器的控制策略，解決其各個子模塊間電壓不均衡的問題。第一層為控制三相電壓均衡，第二層為控制各相的各個子模塊電壓均衡。級聯(lián)式靜止無功補(bǔ)償器采用該控制策略可實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時、動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率，保障電網(wǎng)電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定控制。