基于级联型静止同步补偿器的负载不平衡补偿方法研究单栏.docx

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基于级联型静止同步补偿器的负载不平衡补偿方法研究单栏

基于级联型静止同步补偿器的负载不平衡补偿方法研究

丁玉峰

（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉，430074）

【摘要】介绍了级联型静止同步补偿器的无功补偿原理，给出了无功电流补偿和直流电容电压均压的控制方案。

在三相三线制系统负载不平衡情况下，分析了电纳补偿法和一种以不往系统注入零序电流为条件的补偿方法，阐述了它们各自的补偿原理和优缺点。

通过MATLAB/Simulink建立仿真模型，验证了第二种方案的可行性，最后依据不平衡度的计算公式定量的验证了补偿效果。

【关键词】级联型静止同步补偿器；负载不平衡补偿;电纳补偿；零序电流

UnbalancedLoadCompensateofCascadedDSTATCOM

DINGYu-feng,XUChen,DAIKe

（StateKeyLaboratoryofAdvancedElectromagneticEngineeringandTechnology（HuazhongUniversityofScienceandTechnology）,Wuhan,430074）

【ABSTRACT】ThereactivepowercompensationtheoryofcascadedDSTATCOMisintroduced.GivingadistributedcontrolschemewithcontainsreactivepowercompensationandvoltageequalizationofDCsidecapacitor.Thesusceptancescompensationmethodandanewmethodwhichisontheconditionofinjectingnozero-sequencecurrenttosystemareanalyzed,andtheadvantagesanddisadvantagesofthemarecompared.ThemodelofthesecondmethodisbuiltandsimulatedwithMATLAB/Simulink.Theresultsprovethatthemethodisfeasible.Andthecompensationeffectsisprovedbytheimbalanceformula.

【KEYWORDS】cascadedDSTATCOM;loadimbalancecompensation;susceptancescompensation;zero-sequencecurrent

1、引言

随着经济社会的快速发展，无论是日常生活中还是工业生产中对电能的使用越来越多样化，对电能质量的要求也越来越高。

无功电流是影响电能质量的一个重要方面，由于冲击性无功引起的系统电压波动和闪变，严重影响供电质量，与此同时，无功的存在也会增加设备容量以及设备和线路耗损。

配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）是一种重要的“用户用电”装置，跟其它类型的装置相比较，具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，能综合解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不平衡等电能质量问题，在配电网中颇受关注，成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向[1]-[3]。

本文围绕目前在配电网中存在的三相负载不平衡现状，将级联型DSTATCOM运用于不平衡负载补偿，研究快速、良好的补偿方案。

2、DSTATCOM工作原理与控制方案

2.1级联型DSTATCOM基本工作原理

级联多电平结构的优点在于具有模块化的结构，设计、制造、安装方便，对于相同电平数来说，级联结构所需元器件数目少，无须额外的钳位二极管和平衡电容[4]。

配电系统级联型同步补偿器主电路图如下图1所示。

图1级联多电平同步补偿器主电路图

Fig.1ThemaincircuitofcascadedmultilevelSTATCOM

如图1所示，主电路包括三相交流电源、每相由三个H逆变桥组成的级联型逆变电路、负载。

图中vsa、vsb、vsc分别为电网三相电压，级联逆变器采用三角形接法，输入为电网线电压。

由于本文所使用的各模块参数相同，故以下以A相为例做说明。

级联型逆变电路相当于一个输出电压可调的电压源，直流电容相当一个直流电源，通过单相H型逆变桥得到一个输出交流电压uai（i=1,2,3），故单相级联逆变桥输出电压为：

（1）

A相的等效电路图如下图2所示。

图中vs为电网线电压，vo为DSTATCOM单相输出电压,i为装置相电流，参考方向为电网流向装置。

图3为vs和vo的向量图，它们之间的夹角为θ。

图2DSTATCOM单相等效电路图图3vs和vo和的向量图

Fig.2ThesinglephasecircuitofDSTATCOMFig.3Thevectordiagramofvsandvo

由图2、图3可知装置相电流为：

（2）

式中，vo，vs分别别为电网线电压和逆变器交流侧输出电压有效值，L为逆变器交流侧连接电感值。

电网输出的视在功率为：

（3）

因此，DSATATCOM发出的有功功率和无功功率分别为：

（4）

（5）

DSTATCOM装置的主要功能是与配电系统交换无功功率。

如果不计有功损耗，则DSTATCOM交流侧输出电压与电网线电压同相位，即θ=0，那么DSTATCOM发出的武功功率即为：

（6）

由式（6）可知，DSTATCOM与系统之间无功功率交换的大小，可以通过调整装置输出电压的幅值来控制。

2.2电流控制原理

DSTATCOM电流控制器的主要功能是精确跟踪检测计算所得无功指令[5]并输出电网所需无功以达到无功补偿的目的。

在本文中，我们假定电网电压是不变的，采用比例积分（PI）加重复控制的复合控制方式来设计控制器。

电流控制框图如图4中的中央控制器所示。

详细工作原理如下：

引入直流电容电压值Vdc作为反馈量来体现装置对有功的需求，Vdc与直流电容电压指令值Vdc*的误差经过一个单P调节器后形成有功电流指令幅值Isp，然后经过一个锁相环后得到瞬时有功电流指令Isp*,以上构成电压外环。

经过检测计算所得到的无功电流指令幅值为Isq，同样经过锁相环后得到瞬时无功电流指令Isq*，瞬时有功指令和瞬时无功指令叠加即得到瞬时电流指令is*,该指令与装置交流侧输出电流is做一个闭环记得到电流误差Δis，Δis经过PI控制环和重复控制所组成的复合控制环后就得到脉宽调制信号voref（在此之前要添加一个电网电压前馈以维持系统稳定）。

再通过单级倍频PWM调制算法即得到开关管驱动信号。

图4DSTATCOM无功电流补偿控制框图

Fig.4ThereactivecurrentcompensationcontrolblockdiagramofDSTATCOM

2.3直流侧电容电压均压控制原理

由于级联型DSTATCOM各个链接采用的是独立的电容，而在实际实验和工程中，无法保证各个电容的参数完全一致，这就会导致各个链的损耗不一样。

在上一小节的控制当中，是按照各个链的有功损耗一样来设计的，显然是不完善的。

因此，在上一节的基础上，补充一个直流侧电容电压均压控制，通过这个均压控制环节改变一个工频周期内输入直流电容的有功功率来改变直流电容电压。

综合来看，级联型DSTATCOM主要由两类控制器来实现控制。

各链节直流电容均压和PWM脉冲调制对于每个链节而言是独立的，因此，可以用一个下位机控制器起来实现；而上一节所述的电流控制和电压外环以及锁相等环节则作为一个上位机的中央控制器。

这种由上位机控制器和下位机控制器组成的分散控制系统框图如图4所示。

图4各链节控制器中，coswt是电网电压相位信息，由中央控制器锁相环得到。

sign是

符号判断函数，判断变量的正负；abs是取绝对值运算函数。

单链节控制器对直流电容电压进行微调以实现均压控制满足不同的有功功率损耗，微调的方向由各链节电压误差Vdcnerr和电流瞬时值is在指定参考方向下的正负共同决定，具体算法见下表1。

表1各链节控制器均压微调量符号

Table.1AveragevoltageAdjustmentsignofchaincontroller

sign（Vdcnerr）

+

-

Sign（is）

+

Δvonp=Δvonp’

Δvon_p=-Δvonp’

-

Δvonp=-Δvonp’

Δvon_p=Δvonp’

以其中一种情况为例作简要说明：

在Vdcnerr和is均为正时，voref在P轴上的分量为vorefp，vorefp为正则链节吸收有功功率，由于Δvonp始终大于零，因此取vom=voref+Δvonp可以保证链节的有功功率增加，使其直流电容电压升高，其它情况同理类推。

3、负载不平衡补偿方案

对于一个典型的三相系统而言，系统、负载以及补偿装置电流方向如图1所示。

图1中，ia、ib、ic为系统侧线电流，iaload、ibload、icload为负载侧线电流，ias、ibs、ics为DSTATCOM输出线电流。

3.1电纳补偿原理

对于如图5所示的三相不平衡负载，在其它两相上分别匹配电抗为jωl=j

R的电感和电抗为1/（jωC）=-j

R的电容，显然，这种匹配会产生谐振，构成了平衡的三相系统。

可见进过上述匹配之后可以将不平衡的三相系统变换成平衡的三相系统。

任何三相不接地的不平衡负载，都可以转换为等效的三相三角形接线。

在一个确定的时刻，每相负载都可以等效看作是一个电阻和电容（或电感）的并联，其中的电阻性负荷可以采用上述匹配方法来构造谐振来补偿不平衡，纯电感和电容性负荷更是可以通过在负荷两端并联阻抗值相等的容性和感性元件来形成并联谐振补偿不平衡，最终实现整个系统的平衡化。

任何三相不接地的不平衡负荷都可以通过上述方法来实现平衡补偿。

图5不平衡负载的电纳补偿原理

Fig.5principleofunbalancedloadcompensation

3.2基于DSTATCOM的补偿方案

本文所讨论的不平衡补偿的目标是通过级联型DSTATCOM装置发出无功电流去平衡负载侧线电流的不平衡，使得系统侧的电流保持平衡[6],[7]。

如果DSTATCOM采用星型接线方式，即每一相补偿相应相的无功电流，这样做控制上固然简单，检测环节也很简洁，但是当负载侧出现极大的不平衡时，DSTATCOM各相发出的无功电流会有很大的差别，容易造成系统不稳定，因此一般情况下不采用星型接线方式，而是采用三角型接线方式。

在三角型连接方式下，DSTATCOM装置示意图如下图6所示。

图6三角型连接DSTATCOM示意图

Fig.6thestarconnectionofDSTATCOM

图6所示的线电流和相电流满足如下关系：

（7）

由式（7）可知，由相电流可以唯一确定线电流，这也说明，无论负载采用何种接法，负载侧的线电流都是可以直接或者间接检测得到。

而系统侧的线电流也是可以直接检测得到的，因此，可以计算得出补偿平衡所需要的装置侧线电流，具体计算算法在文献[6],[7]中有详细阐述，在此不再赘述。

在星型接线方式下，装置的交流侧输出的是相电流，因此，电流闭环控制时的指令值也应该是相电流，故需要将已经确定的装置侧线电流指令转化成相电流指令。

在式（7）中，将相电流看作是未知数，将式（7）写成矩阵形式即为：

（8）

很明显系数矩阵不是满秩，故相电压有无数多组解，这给了设计很大的灵活性。

本文采取的补偿方案是使补偿相电流中不含零序分量，在由补偿线电流指令计算相电流指令时加上一个约束条件：

（9）

则有：

（10）

根据式（10）即可得到相电流指令值，从而实现负载不平衡补偿，保证系统侧线电流对称，与此同时补偿了负载无功，提高了系统功率因素。

分析比较以上两种补偿方案可以发现，电纳补偿法的优点在于对于任何三相不接地的不平衡负荷都可以实现补偿，适用范围广，在不平衡度较小是的补偿精度高；缺点在于对于严重不平衡情况，三相出力不均衡，补偿装置有过流的危险，必须采取保护措施，装置不能发出所需的电流，而且，这种补偿方案的算法比较复杂，计算量较大。

而第二种补偿方案的核心思想在于附加一个不往系统注入零序电流的约束条件，其优点是算法简单，易于实现，缺点是补偿精度不是很高，在不平衡度较小时，补偿效果不明显。

4、仿真分析

为了验证上述不平衡负载补偿方案的正确性和效果，采用MATLAB/Simulink对上述方案进行建模分析。

系统为三相三线制，工作线电压有效值为380V，工作频率为50HZ。

负载为星型连接，接的是感阻性负载，平衡状况下负载的参数：

Ra_load=Rb_load=Rc_load=7.6Ω，La_load=Lb_load=Lc_load=32mH，不平衡状况下负载的参数：

Ra_load=Rb_load=Rc_load=7.6Ω，La_load=Lb_load=32mH，Lc_load=55mH。

DSTATCOM装置为三角形接法，交流侧与系统间接了0.45Ω的电阻和8mH的电感。

DSTATCOM装置在0.2s开始补偿无功。

为验证DSTATCOM装置基本的无功补偿性能，先进行平衡负载的仿真。

如图7所示为无功指令跟踪效果，图8为补偿无功前后系统侧A相电流。

由图7可以看出，控制器能够比较好的跟踪在负载侧检测到的无功指令，发出无功。

由图8分析可以看出，无功补偿前，由于负载是阻感性负载，故系统侧电流与电压之前存在相位差，补偿无功之后，负载的无功由DSTATCOM装置来提供，而系统侧只需提供有功电流，故可以看出0.2s之后，电流与电压同相位。

图7无功指令跟踪效果

Fig.7resultsofreactivecurrentcommandtracking

图8补偿无功后系统侧A相电压、电流波形

Fig.8thevoltageandcurrentofphaseAaftercompensatingreactivecurrent

在不平衡负载下的仿真波形如下图所示，其中图9为进行补偿前系统侧三相电流，图10为补偿后系统侧三相电流，图11是对补偿前后的电压、电压做一个对照。

图9补偿前系统侧三相电流

Fig.9thethree-phasecurrentofsystemsidebeforecompensating

图10补偿后系统侧三相电流

Fig.10thethree-phasecurrentofsystemsideaftercompensating

图11补偿前后系统侧三相电压、电流

Fig.11thethree-phasevoltageandthree-phasecurrentbeforeandaftercompensating

通过图9、图10、图11可以看出，在不平衡负载的状况下，采用DSTATCOM装置和前文所述的不平衡补偿方法可以对不平衡程度做出一定的改善，当然通过图10可以发现这种方法也并不能够实现完全补偿，并且补偿之后存在一定的谐波。

为了具体验证一下能够实现多大程度的不平衡补偿，采用不平衡度计算公式[8]来作定量分析。

，其中

（11）

通过MATLAB的分析工具可以得知补偿前后三相电流基波的有效值，补偿前：

Ia=24.47A,Ib=26.95A,Ic=20.79A，补偿后：

Ia’=13.62A,Ib’=12.98A,Ic’=12.77A.经由公式（11）计算可得补偿前系统侧的电流不平衡度k1=14.84%,补偿后的不平衡度k2=4%.

5、结论

本文介绍了级联型静止同步补偿器的无功补偿原理，给出了一种由中央控制器和各链节均压控制器组成的分散式控制方案。

针对三相三线制系统感性负载不平衡，分析了电纳补偿法和一种以不往系统注入零序电流为目标的补偿方法，重点说明了后者的补偿思想，即添加零序电流约束条件，使得三角形连接的DSTATCOM装置不向系统注入零序电流。

通过后者的补偿算法可以发现这是一种简化的补偿方案，算法简单，又有一定的精度。

针对第二种方案的仿真建模分析可以发现，该方案确实可行，能够对负载不平衡实现一定程度的补偿。

参考文献：

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[3]戴珂，陈晶晶，宫力，陈睿，黄云辉，康勇.采用多DSP的级联型DSTATCOM分散控制策略【J】.高电压技术，2010,36（11）：

2821-2826

[4]徐晨，戴珂，陈晶晶，彭繁，康勇.基于分散控制的级联静止同步补偿器直流侧电压均衡控制【J】.大功率变流技术，2011,4:

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[5]许湘莲.基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究【学位论文】【D】.武汉：

华中科技大学,2006.

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[7]邓家泽.不平衡负荷无功与负序电流的综合补偿【学位论文】【D】.西安：

西南交通大学，2009.

[8]中国国家标准化管理委员会.GB/T15543-2008电能质量-三相电压不平衡【S】，2008