三相四桥臂D-STATCOM仿真研究

焦广旭，段成群，郑牡丹

(山西电力公司晋城供电分公司，山西 晋城 048000)

1 引言

随着电力负荷的种类越来越多，大量非线性负荷和大功率单相负荷的涌现使得电网中，特别是低压配电网的谐波问题、三相负荷不对称问题以及无功补偿问题越发严重。这些问题严重影响了供电质量，对电网和其他电力用户造成损害［1-3］。

另一方面，随着社会经济的快速发展，对电力能源的质量要求越来越高，电能质量对社会的影响也越来越大，由于电能质量问题造成的电力用户产品不合格的现象时有发生。因此加强对电网的谐波、无功和不对称电流的有效补偿是电力系统面临的重大课题。

传统的补偿方法大多数只能对单一问题进行处理，而对解决其它问题可能还会起副作用。如使用并联电容器可以调整功率因数，但会引起谐波放大;用无源滤波器可以消除某次设定的谐波，但又容易与电网发生谐振;解决三相不对称问题只能是在设计阶段尽量合理的分配三相负荷，而对实际运行中负荷变化引起的三相不对称则没有合适的解决方法。因此，研发新型的补偿设备，综合补偿电网的谐波、无功和不对称电流对供电部门和电力用户都具有积极的作用和意义。

近年来，随着电力用户对供电质量要求的提高，作为“用户电力”技术之一的配电网静止同步补偿器DSTATCOM(Distribution Static Compensator)受到人们的关注。D-STATCOM在抑制谐波、补偿无功和平衡三相不对称负荷方面的优良性能，使其成为综合提高电能质量的不可或缺的重要装置［4-6］。

为了保障人身和用电设备的安全，我国的低压配电网(380/220V)采用中性点直接接地运行方式。为了补偿零序电流，D-STATCOM装置必须具有零序电流回路。本文主要研究三相四桥臂并联型D-STATCOM装置的性能，利用MATLAB仿真工具搭建仿真模型，验证D-STATCOM装置补偿低压配电线路的无功、谐波和不对称电流的原理与功能。

2 D-STATCOM的控制系统

D-STATCOM的控制系统主要由两大部分组成，即指令电流形成电路和各桥臂控制信号产生电路。

D-STATCOM装置是一种综合补偿线路谐波、无功和不对称电流分量的电力电子设备，为了具有良好的动态响应品质，D-STATCOM装置必须快速补偿负荷电流的无功、谐波和不对称分量，使电网仅提供负荷电流中的基波正序有功电流分量I1。因此，D-STATCOM的谐波电流检测和序电流分析不能采用传统的基于傅里叶变换和相量理论的方法，因其形成指令电流的时间大于一个周波。

目前，D-STATCOM主要采用基于瞬时无功功率理论的各种电流检测方法［7-11］。本文采用改进的ip-iq法，该方法能适应系统电压畸变的环境，在系统电压含有谐波分量和不对称的条件下，仍能准确的分离出基波正序有功电流分量ip。该方法的原理框图如图1所示。

图1 改进的ip-iq法原理框图

指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量、基波无功电流分量以及非正序有功电流分量。这些电流分量构成了D-STATCOM装置补偿电流的指令信号，即指令电流。

各桥臂控制信号［11-12］产生电路根据实测的 DSTATCOM补偿电流与指令电流之差，计算出主电路各桥臂开关器件的触发脉冲。此脉冲经驱动电路后作用于各桥臂开关器件，使D-STATCOM装置输出的补偿电流等于指令电流。这样负载电流中的谐波电流分量、基波无功电流分量以及非正序有功电流分量由DSTATCOM装置提供，而系统电源只需提供负载电流的基波正序有功电流分量，从而消除了非线性负荷对电力系统的影响，保障了电网的电能质量。

3 D-STATCOM仿真模型

为分析、研究D-STATCOM装置补偿负荷电流的谐波分量、基波无功分量以及非正序有功分量的能力，对其进行了仿真计算。

仿真应用MATLAB软件进行。图2为D-STATCOM装置仿真系统结构图。

图2 D-STATCOM装置仿真系统结构图

3.1 系统电源仿真模型

采用MATLAB电力系统仿真工具箱中的AC Voltage Source(交流电压源)模拟系统电源。通过设置模块中交流电压的幅值、相角、频率以及采样时间，构造合适的三相系统电压模型，仿真中系统为相电压为220V的三相交流电压源。

3.2 非线性负荷仿真模型

非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性负载种类较多，如整流逆变电路、电弧炉、空调、电视机、变压器等，为了研究D-STATCOM对不对称、谐波、无功电流分量的补偿效果，负荷仿真模型采用了一种极端情形:A、C相无负荷，B相与接地线间接一单相全波整流电路后接电阻电感负载。

3.3 D-STATCOM主回路仿真模型

为了补偿零序电流分量，D-STATCOM装置的主回路必须具有零序电流通路。能流过零序电流的主回路有多种形式，本文主要分析三相四桥臂主回路形式。主电路具有四个桥臂，每个桥臂由上、下半桥组成。上半桥接在直流电源的正端，下半桥连在直流电源的负端。每个半桥由IGBT和反并联二极管组成的模块与阻容保护电路并联构成。上下桥臂连接的桥臂中点为桥臂外接端点。四个桥臂的外接端点分别经滤波电抗器接在电网的A、B、C相和中性点N(接地线)。

4 D-STATCOM仿真和分析

按照图2的仿真系统结构图，采用MATLAB对三相四桥臂D-STATCOM装置的补偿功能进行仿真分析。其主电路参数如表1所示。

表1 仿真模型的主要参数

4.1 D-STATCOM启动过程仿真

当D-STATCOM装置的直流母线电压为零时将DSTATCOM装置接入电网，系统电压经各桥臂反并联的二极管向直流稳压电容充电。在启动瞬间会出现很大的充电电流，影响IGBT模块的寿命［13］。为限制充电电流，在D-STATCOM装置启动时投入限流电阻，减少启动电流。当直流电压达到切除限流电阻的定值时，短接限流电阻，使D-STATCOM装置主电路进入正常工作模式。图3为D-STATCOM装置启动过程直流电压波形，由图可见，在启动过程前期，由于限流电阻的作用，D-STATCOM装置的直流电压上升速率较慢，在t=0.969s时，直流电压达到切除限流电阻的给定值(420V)，装置短接限流电阻，直流电压以较快速率上升。短接限流电阻的同时装置开始对直流电压进行控制，因此，直流电压在快速上升约半个周波后，在控制规律作用下。继续上升，逐渐稳定到582V。由于装置已开始对电流的畸变量进行补偿，因此直流电压有波动，从图上可以看出，电压的波动范围约为±5V。

图3 启动过程直流电压波形

4.2 D-STATCOM补偿过程仿真

当仅B相接负荷时，仿真系统的负荷电流波形如图4所示。从图中可看出，A、C相负荷电流为零，B相电流的波形也有明显畸变。可见系统负荷电流严重不对称且存在高次谐波。

图4 负荷电流波形

图5 D-STATCOM输出电流波形

图5为D-STATCOM装置输出电流波形，在t=0.969s前，装置处于启动阶段，D-STATCOM装置的电流为直流电容的充电电流。在限流电阻的作用下，充电电流的最大瞬时电流被限制在42A左右。在启动阶段，D-STATCOM装置闭锁补偿功能，因此系统提供负荷电流和D-STATCOM装置的充电电流如图6所示。

图6 系统电流波形

在t=0.969s以后，D-STATCOM装置的启动阶段结束，进入正常工作阶段，D-STATCOM装置开始提供补偿电流，经过约半个周波的过渡过程后，系统三相电流开始对称，总谐波畸变率也从补偿前的17.22%下降到2.20%，满足IEC 60092-101标准中总谐波畸变率小于5%的电能质量标准。

补偿后的系统电压和电流的相位关系如图7所示。补偿前系统电压超前电流一个角度，补偿后电压电流同相位。即系统仅提供有功电流。

图7 B相电压、电流相位关系图

另外，补偿前大于50A的中线电流经过补偿之后几乎为零(小于0.3A)，表明经过D-STATCOM补偿后系统三相电流基本对称如图8所示。

图8 中线电流波形

5 结论

本文对三相四桥臂D-STATCOM装置补偿负荷电流的谐波、无功和不对称分量的功能进行了分析与仿真研究。仿真结果表明，本文设计的D-STATCOM装置具有较好的补偿特性，可以有效的抑制电网的电流畸变问题。应用D-STATCOM装置可以很好的解决非线性负荷对配电网造成的电能质量问题，对改善电网供电质量具有重要意义。

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