D-STATCOM指令电流检测法的研究

梁 静，戴 毅，常鲜戎

(1.山西电力公司晋城供电分公司，山西 晋城 048000;2.华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

1 引言

随着电力电子装置的广泛使用，大量具有非线性特性的负载投入电网运行，给电网带来了严重的谐波污染和动态无功负荷。配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)［1］凭借其强大的功能，优良的性能逐渐成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向［2］。其中，补偿电流的检测环节是该装置的重要环节［3］。目前研究和应用较多的检测方法是基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，该方法在电网电压对称无畸变时，能实现对谐波和无功电流的准确检测，当电网电压不平衡或畸变时，它只能准确地检测出谐波电流，而测出的有功、无功电流存在误差。

首先分析了ip-iq法产生误差的原因，然后提出了一种新的补偿电流准确检测的方法，该方法克服了传统ip-iq法在三相电压不对称且畸变时对三相有功、无功电流检测存在误差的缺点，能在电压源和负载电流都畸变且不平衡的情况下检测到基波电压正序分量的相位，并能准确检测出电流的谐波与有功、无功分量。最后通过MATLAB仿真对所提出方法的正确性和可行性进行了验证。

2 传统的 ip-iq法［4］

传统的ip-iq法将三相瞬时电压、电流经过abc-αβ变到两向正交的αβ坐标系下，然后将→i投影到→e及其法线上得到瞬时有功电流ip与瞬时无功电流iq。将ip通过低通滤波得到其直流分量¯ip，在经过逆变换得到电流的基波分量iaf、ibf、icf，进而计算出谐波和无功电流。其原理框图如图1所示。

分离出的基波有功电流分量以及无功与谐波电流分量之和分别为:

图1 传统ip-iq法原理框图

当三相电压不对称且畸变时，ea的相位是由其正序、负序、零序及其谐波分量共同作用的结果，因此ea的相位与ea正序分量的相位有可能存在相位差。使用锁相环得到的是a相电压相位，而非a相正序电压分量相位。设a相电压的初相角与a相正序电压的初相角的相位差为φ，即:若将(1)式作为a相正序电压相位的αβ-dq变换矩阵，则a相电压相位的αβ-dq变换矩阵为:

假设三相不对称电流为:

式中:I表示电压有效值，第一个下标表示序分量(1是正序，2是负序)，第二个下标表示谐波次数;I0(t)为零序电流分量。

在采用α相正序电压相位时，三相电流ia，ib，ic经过abc-αβ变换和αβ-dq变换之后得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，ip经过低通滤波器(LPF)后得到其直流分量

同样，在采用a相电压相位时，三相电流变换之后得到瞬时有功电流ipφ和瞬时无功电流iqφ，ipφ经过低通滤波后得到其直流分量:

3 补偿电流的准确检测法

为了解决传统ip-iq法在电网电压不对称时产生的检测误差问题，本文提出了一种补偿电流的准确检测法。其原理图如图2所示。

图2 补偿电流的准确检测法原理图

该检测法首先通过坐标变换将三相电压值转换到互相垂直的αβ坐标系下，再将得到的坐标值分别乘以反馈回来的正余弦值，由此将基波信息变为直流分量提取出来，然后将对应的量相加减，从而把包含基波负序信息的直流分量消去，使得通过LPF后，只剩下基波正序信息，之后利用三角函数的有关特性得到基波电压正序分量，最后通过锁相环就可以得到电网实际的正余弦信号。

下面对该方法进行理论分析，假设三相电压畸变且不对称。

式中:E表示电压有效值，第一个下标表示序分量(1是正序，2是负序)，第二个下标表示谐波次数。然后将ea，eb，ec，变换至α-β两相，得式:

将eα，eβ与正余弦信号矩阵相乘:

利用三角函数的相关公式，通过加减运算将其中包含基波负序信息的分量消去:

eαs-eβc与eαs-eβc经过 LPF 后，滤去交流分量，通过三角函数的有关特性得到基波电压正序分量:

然后利用锁相环和正余弦产生电路，为检测系统提供a相正序基波电压同相位的正余弦信号，代入传统ip-iq法进行补偿电流的检测，即可得到较为精确的结果。

4 设计实例与仿真结果分析

图4为用两种方法检测出来的基波电流，通过比较可知，两种方法测出的基波电流相同，同时负荷电流值也相同，所以谐波电流值也相同即传统ip-iq法在检测谐波电流时没有误差。

图5为分别用传统ip-iq法和本文提出的新方法检测出的基波有功电流，其中，幅值大的为电压量，幅值小的是电流量，中间的横线是参考线。通过对比可知:传统ip-iq法检测出来的基波有功电流跟电网基波正序电压不同相，所以传统ip-iq法检测出来的基波有功电流存在误差，而本文新提出的补偿电流的准确检测法检测出的基波有功电流与基波正序电压相位完全相同，从而证明了这种新方法的能实现补偿电流的准确检测。

图3 三相四线制D-STATCOM总体结构图

图4 基波电流检测图

图5 基波有功电流示意图

5 结论

本文提出了一种适合于三相四桥臂D-STATCOM装置的谐波、无功和不平衡电流的检测方法，它能在电网电压不平衡或畸变时准确检测出基波正序有功电流，从而克服了传统ip-iq法在三相电压不对称且畸变时对三相有功、无功电流检测存在误差的缺点，仿真结果表明，在三相电压不对称且畸变的情况下也可以准确检测无功和谐波电流。

［1］Bhim Singh，Jitendra Solanki，Visha Verrna.Neural network based control of reduced rating D-STATCOM［C］.IEEE indicon Conference，Chennai，2005:516-520.

［2］刘亮，邓明高，欧阳红林.配网动态无功补偿器的研究与应用［J］.电力电子技术，2009，43(4):1-3.

［3］刘亮，等.D-STATCOM自适应检测算法的研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39(5):115-119.

［4］石新春，杨京燕，王毅.电力电子技术［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［5］李涛，常鲜戎，唐坦坦.基于Multisim10的D-STATCOM硬件电路的设计与仿真［J］.电气制造，2011，9:54-57.

［6］Huang S J，et al.Astudy of three-phase active power filters under non-ideal mains voltages［J］.Electric Power System Research，1999，49:125-137.

［7］Chen C C，Hsu Y Y.A novel approach to the design of a shunt active filter for an unbalanced three-phase four-wire sys tem under nonsinusoidal conditions［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2000，15(4):1258-1264.

［8］Lin B R ，Lee Y C.Three-phase power quality compensator under the unbalanced soruces and nonlinear loads［J］.IEEE Trans Industrial Electronics，2004，51(5):1009-1017.

［9］唐坦坦，常鲜戎，李涛.改进型缓冲电路在三相四线制D-STATCOM 中的应用［J］.电气制造，2011，9:64-68.

［10］王群，姚为正，王兆安.高通和低通滤波器对谐波检测电路检测效果的影响研究［J］.电工技术学报，1999，14(5):22-26.