三相四线制D-STATCOM的工作原理与仿真

2011-06-22常鲜戎唐坦坦

电气技术 2011年12期

李涛常鲜戎唐坦坦

（华北电力大学电力工程系，河北保定 071003）

随着现代科学技术的发展，配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷具有非线性、冲击性的特点，使配电网中的电流波形发生严重畸变，产生出大量的谐波。同时，配电网中各种不平衡的工业负荷，尤其是应用于铁路系统的单相馈线等，不仅会引起配电网三相电流不对称，而且会导致配电网中性点的电压（配电网中性点多采用不接地方式）的偏移，使得配电网三相电压不对称。此外，配电网中大量的异步电动机、变压器以及电弧炉等负荷需要消耗大量的无功功率、这些无功功率如果不能得到及时补偿，将会造成配电网电压的降低和波动，严重恶化供电的质量。目前，配电网中这些产生大量谐波、消耗大量无功和三相不对称的负荷已经对配电网的安全、稳定及经济运行造成了不利的影响[1-2]。配电网静止同步补偿器（Distribute Static Synchronous Compensator）[3]作为FACTS重要成员，在电网无功功率补偿和谐波抑制等方面起到显著的作用，成为现代电能质量控制研究的热点。

Matlab中有专用于电力系统分析的电力系统模块集（Power System Bloekset，PSB），它是一种针对电力系统的可视化建模与仿真工具，可用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真。强大的PSB和Simulink同时使用将使一些复杂的、非线性的电力系统的建模与仿变得非常简捷。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。

1 D-STATCOM的基本原理

图1为D-STATCOM结构原理简图[4]。

图1 D-STATCOM结构原理图

图中， es是交流电源， is为其输出电流；非线性负载产生谐波电流、消耗无功功率并引起三相电流不平衡； il为负载电流。D-STATCOM 的结构由主电路和控制系统两部分组成。主电路主要由电流变换电路构成，并采用电容作为直流侧储能元件；控制系统包含指令电流运算单元和补偿电流跟踪控制单元（脉冲信号发生电路、驱动电路）。三相四线制D-STATCOM工作原理是由测得的配电网电压和负载电流信息，通过指令电流运算单元计算出补偿电流的指令信号，经过补偿电流跟踪单元的控制，产生脉冲控制信号，该信号再经驱动电路，得到能够控制电流变换电路大功率开关器件导通关断的信号，使得电流变换电路产生跟踪指令电流信号的补偿电流 ic。补偿电流包含了负载电流中无功、谐波以及不平衡成分，补偿后，配电网只需提供负载电流的基波正序有功成分。

当D-STATCOM仅补偿负载电流的谐波成分时，指令电流运算单元计算出负载电流的谐波分量，作为补偿电流的指令信号 ic*，经过补偿电流跟踪控制单元的控制，由电流变换电路产生的补偿电流 ic跟踪指令电流信号 ic*，由于 ic与负载电流中的谐波成分 ilh大小相等，因而相互抵消，从而使得配电网只向负载提供基波电流。此时，这一原理可用如下的一组公式描述。

式中， il1为负载电流的基波分量； ilh为负载电流的谐波分量。

本文研究的三相四线制D-STATCOM不仅要补偿负载电流的谐波分量，还需要补偿其无功电流成分，在三相负荷不平衡时，还要补偿负荷电流的负序及零序成分。因此，要在补偿电流中增加负载电流的无功分量及零、负序分量。经过补偿以后，配电网电源侧电流等于负载电流的基波正序有功分量。此时，前面给出的公式需要调整为

式中，il1p+为负载电流的基波正序有功分量；il1p-为负载电流的基波负序有功分量；il1p+为负载电流的基波无功正序分量；il1p-为负载电流的基波负序无功分量； il0为负载电流的零序分量。

2 三相四线制D-STATCOM的构成

三相四线制D-STATCOM的总体结构由主电路和控制系统两部分构成。其中主电路由电流变换器与连接电抗或者连接变压器组成。控制系统由信号采集、控制算法处理、脉冲发生与驱动电路等部分组成。下面分主电路和控制系统两部分对三相四线制D-STATCOM的构成进行介绍。

2.1 主电路

配电网中有较多的三相四线制负载，即存在中线。因此，存在三相电流之和不为零的情况，即存在零序电流。为了消除系统中的零序电流，人们研究出了多种三相四线制主电路结构的D-STATCOM，这种三相四线制D-STATCOM不仅可以消除三相电流中的无功分量和谐波分量，在系统不对称的情况下，还能够消除三相电流中的零、负序电流分量，因而功能更加完善。本文采用四极型三相四线制D-STATCOM，结构图如图2所示。

图2 D-STATCOM结构图

2.2 控制系统

D-STATCOM的控制系统如图3所示，其中主要部分为数据采集和补偿指令电流计算。

图3 控制系统流程图

1）数据采集方法

本文所采用的数据采集方法为 ip- iq法[5]，这种理论的有优点是可以检测出除基频分量外的所有高频分量，同时可检测出无功电流分量。在只检测无功电流时，可以完全无延时的得出检测结果。该方法运算原理图如图4所示，但由于该方法对三相电压不对称时计算有误差的情况，本文对该方法进行了一些改进，利用三项电压实时分解出三相电压的正序分量，通过同步参考坐标法计算出与正序电压分量同相位的同步旋转向量，以此取代传统 ip- iq法中通过锁相环对一相电压锁相得到的正余弦值构成的向量。运算流程图如图5所示。

图4 传统 ip - i q 法运算原理图

图5 改进 ip - i q 法运算正余弦原理图

由改进的 ip- iq法得到的正余弦可以根据定义计算出 ip、iq，经LPF滤波得出 ip、iq的直流分量这里，是由iaf、ibf、icf产生的，因此由即可计算出 iaf、 ibf、icf，进而计算出 iac、 ibc、 icc。

2）补偿指令电流计算

三相四线制D-STATCOM要求主电路逆变器产生的补偿电流能够实时跟踪指令电流信号的变化，因此电流跟踪控制通常采用跟踪型PWM控制方式。目前，比较常用的 PWM 的控制方法主要有滞环比较方式[6]和三角波比较方式。因滞环控制方法具有动态响应速度快、精度较高、鲁棒性好等优点，本文选用滞环比较控制作为电流跟踪控制方法。该方法是将补偿电流指令值（即通过改进 ip- iq法计算出的无功、谐波电流以及中线电流）与逆变器实际输出补偿电流值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开断，从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值的目的[32]，其原理如图6所示。

图6 滞环比较器实现方法图

3 Matlab的仿真

3.1 控制系统仿真模型

本文采用Matlab 2008a中的Simulink按照前面所述构建并联型三相四线制 D-STATCOM 仿真系统，整个系统模型如图7所示。其中系统的电压源、交流侧电感、直流侧电容、非线性负载以及 IGBT逆变桥都是PSB中的固有模块，而谐波和无功电流检测模块和 PWM脉冲产生模块是用固有模块搭建并封装而成。

具体仿真参数如下：系统电压220V，系统频率50Hz；负载一（load1）：为电阻和电抗串联，电阻为18Ω，电抗为0.04H；负载二（load2）：为电阻和电抗并联，电阻为 100Ω，电抗为 0.00001H；直流侧电容：电容值为0.005F，电压初始值设置为400V，正常工作是直流电容电压参考值 udcref设置为800V；连接阻抗：电阻值为0.53Ω，电抗值为：0.005H。

图7 D-STATCOM系统模型图

图8为三相四线制D-STATCOM仿真系统模型中control system模块的内部仿真模型。该控制系统模型是按照前文介绍的控制系统设计方案搭建的。模型中form_sin_cos模块的实现的功能是：将B1处的电压值（即为电源电压）B1_Vabc采用改进瞬时对称分量法进行实时分解，得出三相电压的基波正序分量，再计算出与基波正序电压分量同步的旋转向量。基于此旋转向量，将负荷电流B2_Iabc经过abc_to_pq模块进行abc-pq变换，取有功量经过低通滤波Filter模块，得到其直流分量。直流侧电压 Vdc与其参考值800V的做减法后经过比例积分 PID模块与有功量的直流分量相叠加，结果再经pq_to_abc模块进行pq-abc变换，得到三相电流的基波正序有功分量，将此电流值作为电源侧三相电流指令值。同时，为了得到零序电流分量，将三相负荷电流B2_Iabc经过函数模块f(u)求得三相电流之和，再取其相反数，作为零序电流参考值。将电源侧三相电流参考值和零序电流参考值合为I_ref输入滞环比较控制relay control模块进行补偿电流跟踪控制。滞环比较控制模块将补偿电流指令值，与电网侧实际输出电流值进行滞环比较后产生PWM信号，PWM信号控制主电路大功率开关器件IGBT的导通和关断。其中relay control模块仿真图形如图9所示。

图8 control system模块的内部仿真模型

图9 relay control模块内部仿真模型

3.2 仿真结果与分析

图10为采用本文所搭建的三相四线制D-STATCOM仿真模型得到的仿真结果。其中图10（a）为负载三相电流的波形，电流波形发生了严重的畸变，含有大量的谐波。图 10（b）为经过三相四线制D-STATCOM补偿后，系统侧的电流波形，可以看出，在刚刚开始时，D-STATCOM没有投入过程中系统的电流畸变率很大，存在大量的谐波，经D-STATCOM补偿以后，电流明显是三相对称的波形图。

图10 负荷侧和系统侧电流波形图

为了进一步说明三相四线制D-STATCOM抑制电网谐波的作用，本文将负荷电流和补偿后系统侧电流进行了快速傅里叶（FFT）分析。图11是对负载电流进行傅里叶分析的结果。图中以负载电流的基波分量为基准，可见负载电流中含有较大的5次、7次，11次及13次谐波，总谐波畸变率（THD）为23.95%。经过三相四线制D-STATCOM补偿以后的系统侧电流的傅里叶分析结果如图12所示，可以明显的看出，对应的5次、7次，11次及13次谐波的含量明显降低，总谐波畸变率也降低到 1.92%。因此三相四线制D-STATCOM对电网谐波的抑制作用是非常明显的。

图11 负载电流FFT分析结果

图12 补偿后系统电流FFT分析结果

图13 补偿后系统输出有功和无功功率曲线

为了说明三相四线制D-STATCOM补偿无功功率的作用，本文将补偿后系统侧输出的有功功率和无功功率绘制成关于时间的曲线，如图13所示。图中上面的曲线为有功功率曲线，下面的曲线为无功功率曲线。有功功率曲线在投入后有一个从大变小的过程，是因为在此过程中直流侧储能电容充电消耗有功功率，在电容电压稳定后，系统的有功功率也能保持稳定。可以看到，系统输出的无功功率总是在零值附近很小的范围内波动，说明三相四线制D-STATCOM 具有较好的无功补偿效果，从而使得系统向负荷提供的无功功率很小。