级联H桥型静止同步补偿器控制方法仿真分析①

姜建国， 滕 达， 林 川

(1.东北石油大学电气信息工程学院， 大庆 163318； 2.中国石油天然气运输公司东北燃气运输分公司， 大庆 163412)

级联H桥型静止同步补偿器控制方法仿真分析①

姜建国1， 滕 达1， 林 川2

(1.东北石油大学电气信息工程学院， 大庆 163318； 2.中国石油天然气运输公司东北燃气运输分公司， 大庆 163412)

无功功率的传输对电力系统稳定性与安全性会产生不利的影响，传统的无功补偿技术已经不能满足要求。为提高无功补偿性能，在分析级联H桥型静止同步补偿器(STATCOM)的工作原理和拓扑结构的基础上，采用跟踪型脉宽调制(PWM)控制技术的电流直接控制方法，研究了级联H桥型STATCOM的稳态和动态的无功补偿作用。通过MATLAB仿真软件分析，仿真结果验证了控制方法的有效性和级联H桥型STATCOM的无功补偿性能。

级联H桥； 静止同步补偿器； 电流直接控制； 仿真

STATCOM是基于瞬时无功功率的概念及补偿原理[1]，采用绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)，门极可关断晶闸管GTO(gate-turn-off thyristor)等全控型开关器件组成自换相逆变器,再运用小容量储能元件，构成无功补偿装置，是动态无功补偿装置发展的重要方向[2]。作为一种新型功率电子变换结构，多电平逆变器近年来被广泛应用于高电压、大功率场合[3]。

由级联H桥多电平逆变器CH-BMI (cascade H-bridge multi-level inverter)构成的STATCOM主电路[4]，可提高STATCOM的功率。它由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，由于输出电压电平数的增加，能有效地减少谐波，可根据不同的电压等级灵活的调整串联单元个数，经过冗余设计，使得系统的容错性增强。它是STATCOM主电路研究的热点和实际应用的主要趋势。STATCOM的控制策略按被控物理量不同可分为电流间接控制和电流直接控制[5]。现在主要应用于级联H桥的控制方法如Q-δ法和V-δ法[6]都属于电流间接控制法。但电流间接控制同直接控制相比，存在着控制精度较低、电流响应速度慢等缺点。

本文研究了面向负载的三相H桥级联型逆变器作为主电路拓扑的STATCOM的无功补偿情况，并为提高无功补偿的动态性能，采用跟踪型PWM控制技术的电流直接控制方法，并用MATLAB7.0软件进行仿真分析。仿真结果验证了该控制方法的有效性。

1 级联H桥型STATCOM工作原理

1.1 基本原理

STATCOM最基本的电路结构是三相桥式电压型或电流型变流电路，实际中主要应用的是电压型[7]。在面向负载的静止同步补偿器中，因其电压等级比较低，STATCOM可不必通过变压器而是通过小电抗与系统直接相连[8]，图1为STATCOM的电路基本构造，图2为其单相等效电路。

图1 H桥级联STATCOM的电路基本构造

图2 STATCOM的单相等效电路

图中，Us为系统母线电压，Ug为STATCOM交流侧输出电压，R表示连接电抗器电阻和STATCOM损耗中与电流有关的等值电阻，X为连接电抗器的电抗，在理想情况下，R=0，则连接电抗器等值阻抗为jX。如图2，由基尔霍夫电压电流定律得

Us-Ug=jIX

(1)

(2)

其单相视在功率为

(3)

则STATCOM装置向系统输出的无功功率为

(4)

当系统电压大于装置电压即Us>Ug时，此时电抗器相当于电感，STATCOM向系统吸收无功功率；当系统电压小于装置电压即Us

1.2 级联H桥型STATCOM的主电路结构

本文所研究的级联H桥型STATCOM为A、B、C三相对称结构多电平逆变器。在这里仅以A相为例来进行分析。

级联H桥型STATCOM的A相主电路结构如图3所示，取级联单元数N=6。每个功率单元主要由以下几个部分组成:符号Si1、Si2、Si3、Si4分别为各单元的左桥臂上、下和右桥臂上、下的IGBT开关器件，其中i=1，…，6。开关Si1、Si2、Si3、Si4，各自反并联一个续流二极管，ui为各单元交流侧的输出电压，Udc为各单元的直流侧电压，在实际应用中常由滤波电容C作为储能元件提供。在各单元的逆变桥交流侧输出端，上下每两个IGBT开关器件串联构成一个桥臂，左右两个桥臂并联。

各逆变桥单元串联构成装置一相，UA为装置A相总的输出电压，装置三相的每一相的输出电压负端呈星型连接在一起，正端引出与系统侧相连。

图3 级联H桥型STATCOM 的A相主电路结构

为防止各单元发生直流侧短路，同一桥臂上下两个IGBT开关器件不能同时导通。所以要求在各单元的IGBT触发信号中，Si1与Si2触发信号相反，Si3与Si4触发信号相反，表1显示了Si1～Si4的开关状态与各H桥逆变单元输出端电压ui之间的关系，其中1表示开关导通，0表示开关关断。E为各单元的直流侧电压，Udc=E，各个单元均可获得E、0、-E的三电平输出。各单元串联后可形成阶梯电平输出。逆变器根据控制指令改变输出电压大小，再经过连接电感的作用，可向电网注入容性或感性电流,从而可以抵消电网中的无功电流。

表1 各单元输出与IGBT开关状态之间关系

2 级联H桥STATCOM的电流直接控制策略

STATCOM从控制策略上讲，根据是否直接控制其输出电流来分，可分为电流间接控制和电流直接控制两大类。为提高无功补偿的动态性能，这里选择电流直接控制方法[9]，采用电流跟踪型PWM技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。其中PWM控制信号是采用三角波比较方式获得。工作原理如图4所示。

图4 采用PWM技术电流直接控制方法STATCOM

其中，IQref为所需补偿的无功电流参考值，反向后即为STATCOM交流侧应吸收的无功电流(即指令电流交轴分量)。将电容电压参考值和它的

瞬时值相比较再经过比例积分环节，就可得到STATCOM应吸收的有功电流(即指令电流直轴分量)。通过闭环反馈可以对STATCOM的交流侧电流进行控制。STATCOM交流侧产生的三相瞬时电流ia、ib、ic，经滤波和检测电路之后，可将其瞬时值转换到dqO坐标系，分别得到直轴分量Id和交轴分量Iq。Id和Iq是直流分量，分别为三相瞬时有功电流和无功电流，Id和Iq分别与指令电流的直轴分量和交轴分量相比较之后进行比例积分，可得STATCOM交流侧电压直轴分量ud和交轴分量uq，再将ud与uq反变换为三相交流量当作调制信号送入到PWM电路，经过三角载波信号调制以后，PWM电路输出触发脉冲序列。

当负荷为线性阻抗时，PWM产生的触发脉冲输入到级联H桥STATCOM三相的每一相上的各个单元，依次触发各个单元上的开关器件。在每一相上，触发脉冲到达各单元前，又经过一系列的延迟环节，各单元接收到的触发信号依次相差延迟的时间tdelay，则可在STATCOM的输出端产生一系列逼近正弦的阶梯波电压，在STATCOM交流侧可得我们需要的补偿电流。本设计中取延迟时间tdelay=0.001 s，三角载波频率取2 500 Hz。

3 系统仿真分析

3.1 仿真参数设置

本文的仿真软件采用美国Mathworks公司的MATLAB7.0软件。采用物理建模法,利用MATLAB/SIMULINK仿真软件包搭建系统模型进行仿真。

由于在电力系统中应用的负载大多数为感性负载，本次仿真采用感性负载。运用本文所研究的级联H桥型STATCOM对感性负载进行补偿。并以系统侧A相和STATCOM交流侧A相为例进行分析。仿真参数设置如下：系统侧电网相电压有效值为6 kV，系统阻抗中电阻Rs=0.001 Ω；负荷侧感性功率P=10 MW，QL=20 Mvar；级联H桥各逆变单元直流侧电源电压Udc=1 500 V，STATCOM的连结阻抗R=1.5 Ω，L=9 mH。

仿真算法采用ode23tb(stiff/TR-BDF2)，仿真开始时刻为0时刻，仿真终止时间为0.02 s。所建立的仿真模型如图5所示。

图5 MATLAB/SIMULINK建立的仿真模型

3.2 仿真结果分析

在上述设定下，仿真波形如图6～图8所示。

图6 补偿前系统侧A相电压和电流

图7 STATCOM的 A相输出电压与电流波形

图8 补偿系统侧A相电压与电流波形

图6所示为未投入STATCOM装置进行无功补偿时，系统侧A相的电压Usa与电流Isa波形。从图中可以看出，由于负载呈感性，需要系统提供感性的无功功率，使得系统A相电流Isa滞后于系统A相电压Usa，系统存在感性电流。

图7所示为投入STATCOM装置时，STATCOM交流侧A相输出的电压Uga与电流Iga波形。从图中可以看出，STATCOM的输出端相电压Uga逼近正弦波，大约经过一个周波之后，STATCOM输出超前于A相电压的无功电流， STATCOM向系统发出容性无功功率，补偿了负载所需要的感性无功功率。

图8所示为投入STATCOM补偿后系统侧的A相电压Usa与电流Isa波形，由图中可见，大约经过一个周波之后，系统侧电压与电流变为同相位，对照图6可见，系统电流幅值有所减少，系统电流变为纯有功电流。

由图6～图8可见，投入STATCOM后满足了稳态的无功补偿要求。下面研究STATCOM的动态无功补偿要求。在同STATCOM相连的连接电抗器与系统之间接入三相断路器，并设动作时间为0.04 s，其他的仿真参数设置不变，仿真波形如图9所示。

图9 断路器t=0.04 s动作时系统A相电压和电流

图9为断路器在0.04 s动作前后系统侧A相的电压Usa与电流Isa波形图。由图可见，在0.04 s时刻之前，由于负载呈感性，系统A相电流Isa滞后于系统A相电压Usa，系统向负载提供感性无功。0.04 s之后，由于断路器动作STATCOM接入系统，负载所需无功由STATCOM提供，系统电压与电流变为同相位，系统电流幅值有所减小。所研究的STATCOM装置投入运行后满足动态无功补偿的要求。

4 结语

本文分析了级联H桥型STATCOM的工作原理和主电路结构，提出了适用于所研究STATCOM装置的电流直接控制方法，并用MATLAB7.0软件仿真分析，仿真结果验证了采用电流直接控制方法的级联H桥型STATCOM的稳态和动态的无功补偿能力，初步取得了良好的补偿效果。随着技术的进步，电力半导体开关器件频率的增加，电流直接控制必将更广泛地应用到STATCOM的控制器设计中。

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SimulationAnalysisofControlMethodinCascadeH-BridgeStaticSynchronousCompensator

JIANG Jian-guo1， TENG Da1， LIN Chuan2

(1.School of Electrical Engineering & Information, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Northeast Gas Transportation Branch, CNPC Transportation Company Limited, Daqing 163318, China)

The transmission of reactive power has negative impacts on stability and security of power system,and traditional reactive power compensation technologies are difficult to meet system requirements.In order to improve the performance of reactive power compensation,the principle and topology of H-Bridge STATCOM were studied.The direct current control method of tracking PWM was used to study the steady state and dynamic state reactive power compensation performance of cascade H-bridge STATCOM.MATLAB simulation results prove the validity of the control method and the performance of cascade H-bridge STATCOM for reactive power compensation.

cascade H-bridge inverter； static synchronous compensator； direct current control； simulation

2010-09-28

2010-10-27

TM464

A

1003-8930(2011)01-0098-05

姜建国(1966-)，男，教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术应用和电力系统稳定性。Email:jjgnepu@163.com 滕 达(1983-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。Email:tengdaky@163.com 林 川(1965-)，男，本科，主要从事相关专业的技术研究与管理工作。Email:linchuan007@sina.com