强磁场链式无功补偿器的均压与冗余容错研究

刘 嘉， 刘小宁， 费 伟， 陈思明

(1. 中船重工鹏力(南京)新能源科技有限公司，江苏 南京 211106；2. 中国科学院强磁场科学中心， 安徽 合肥 230031)

强磁场链式无功补偿器的均压与冗余容错研究

刘 嘉1， 刘小宁2， 费 伟2， 陈思明2

(1. 中船重工鹏力(南京)新能源科技有限公司，江苏 南京 211106；2. 中国科学院强磁场科学中心， 安徽 合肥 230031)

随着无功补偿装置的高压需求，级联拓扑被越来越多地应用于STATCOM中，然而随着链节单元的增加，系统的复杂度以及故障率也随之提高，同时各链节直流侧电压的平衡也一直都是链式STATCOM研究的热门问题。本文基于上述问题，针对在研的强磁场超导磁体电源无功补偿方案，提出一种上层均压控制策略，实现STATCOM系统的链节均压；并将高压变频领域中性点偏移技术引入STATCOM系统中，故障时系统通过更改电压外环控制策略，实现输出三相电压的中性点偏移，直接提高了链节单元的利用率。最后通过仿真验证了本文所提出的均压策略以及中性点偏移容错方法是正确有效的。

无功补偿; 均压控制; 超导电源; 中性点偏移; 冗余容错

1 引言

我国“十一五”重大科技基础设施建设项目——强磁场实验装置项目已经开工建设,建成后我国将与美国、法国、荷兰、日本并列成为世界五大稳态强磁场科学中心之一[1]。电源是稳态强磁场实验装置的关键子系统，强磁场装置供电方案中，因其电源系统的容量较大，所以一般直接由110kV电压等级专线供电。主变压器将110kV电压等级降低为10kV，由于负载为超导磁体，运行时会产生大量的无功[2]，严重影响电网的电能质量，需要加装无功补偿装置以平稳网侧电压[3,4]。

本文基于强磁场电源无功补偿装置的性能要求，对强磁场电源装置进行初步分析，使用STATCOM装置为强磁场电源提供无功补偿。在此基础上针对目前STATCOM中存在的均压问题与容错运行问题进行前期研究，使用上层均压控制方法，实现了STATCOM系统的链节均压，并将高压变频领域中性点偏移技术引入STATCOM系统中，故障时系统通过更改电压外环控制策略，实现单元故障后系统仅需旁路故障链节，而不需要旁路非故障相同位置链节，直接提高了链节单元的利用率。最后通过仿真验证本文所提出的均压与容错方法是正确有效的。

2 强磁场超导磁体主电路分析

稳态强磁场电源总体结构框图如图1(a)所示。其中外超导磁体12脉波整流器使用三相双反星型整流方案，如图1(b)所示。其整流变压器的接法为Δ/Y/Y，变压器原边线电压10kV、副边相电压380V，短路阻抗为5%，原边容量约200kVA，副边容量约280kVA。两支滤波电感Lp1=Lp2=25μH，同时两电感兼有平衡作用，作为一平衡电抗器，通8kA电流不饱和；滤波电容量C1=C2=4.4F。作为该电源的负载，超导磁体的电感量约为1.03H，电源系统距离负载约15m。

图1 稳态强磁场电源系统Fig.1 Steady strong magnetic power system

由于稳态强磁场电源的负载为超导磁体，运行中系统可能长时间处于深控状态，导致系统产生大量的无功，严重影响电网的稳定。目前针对强磁场电源系统的无功补偿方案多集中于传统的SVC装置，但是由于补偿容量大，传统SVC装置的成本较高，且占地面积已经超过电源大厅的容纳面积。多年来，电力工作者已达成共识：提高电网的安全运行水平和电能质量，除电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段[5]。电网的安全、经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。近年来高压大功率的门极可关断晶闸管 GTO 的出现极大推动了STATCOM的开发与应用,使用STATCOM实现强磁场装置的无功补偿不失为一种较好的选择。考虑强磁场无功补偿装置的大容量的特点，以及链式STATCOM的低压器件通过阶梯波叠加得到高压输出的特性，本文将链式STATCOM置于10kV电网母线处，减小STATCOM注入电流。

但是自从F.Z.Peng首次提出链式拓扑STATCOM以来，直流侧均压问题就被明确提出，且一直都是研究热点[6]。同时链节的增多不仅给控制器的设计带来了不便，还增加了系统出现故障的几率。所以本文针对链式STATCOM的故障容错与均压控制进行了前期研究。

3 链式STATCOM直流侧均压控制

目前针对级联拓扑结构的均压控制主要集中于硬件方法、上层控制与底层控制[7]。本文采用上层控制法实现链节间的均压控制，针对上层控制不影响系统的外环电压稳定性，但可调节相间电压平衡的特点，通过调节链节单元吸收的有功功率，实现各模块电容直流电压均衡[8]。

3.1 电压外环控制

电压外环的目的是使H桥的实际直流电压达到设定电压指令值。采用PI调节器可构造电压外环控制器，其控制框图如图2所示。其中，Udc为直流侧电容电压值，Udc_ref为直流侧电压设定值，两者之差经PI控制器得到调节信号id，然后通过前馈解耦指令电压信号实现直流侧电压控制[9]。

图2 电压外环控制器Fig.2 Control structure of voltage loop

3.2 链节均压控制

有功功率差异是造成各H桥直流电压不平衡的根本原因，因此只需适当调节各个H桥的d轴控制电压，即可实现直流侧电压平衡。

取STATCOM系统A相作输出矢量分析，如图3所示。矢量OX记为Ucon，为STATCOM的 A相输出电压矢量；矢量OP为前N-1个链节整体输出电压矢量，记为Ur1；矢量PX即为第N个链节输出电压矢量Ur2，Ur1与Ur2交汇于P点，弧AB左侧为N-1链节输出电压矢量范围，弧CD为N号链节的输出电压矢量范围。阴影部分为弧AB与弧CD重叠区域，因此当P点位于图中阴影区域才能输出合成矢量Ucon[10]。

图3 单相链节矢量分解模型Fig.3 Single-phase chain link vector decomposition

因为调制信号死区延时与电路等效电阻等影响会导致H桥模块损耗一些有功能量，并造成各模块间的差压[11,12]，STATCOM正常工作时为了保证H桥直流侧电容电压的稳定，必须从电网吸收相应的有功功率。其吸收功率为：

(1)

式中，θ为Ucon与Is之间的夹角。

为了保证STATCOM工作时链节可以从电网吸收有功功率，P点的取值范围为如图4所示的阴影位置。此时通过对链节调制信号叠加与Is同相的矢量，改变各链节输出电压矢量，从而控制各链节吸收有功功率的大小，实现各模块的均压调节。

图4 电压矢量叠加分析Fig.4 Vector analysis of power voltage vector

STATCOM系统未叠加分量前A相链节输出电压矢量Ucon为直线，其调制比M与调制角δ为：

(2)

(3)

进而可得：

(4)

(5)

基于上述两个链节的功率调节方法，分析拓展至3链节，可得如图5所示的链节矢量叠加示意图。

图5 单相链节矢量叠加示意图Fig.5 Single-phase chain link vector superimposed schematic

综上所述，本文所述的三相链式STATCOM控制框图如图6所示。

图6 STATCOM控制框图Fig.6 STATCOM control block diagram

4 链式STATCOM冗余容错技术

链式STATCOM由于采用链式结构，随着链节单元的增多，系统发生故障概率随之增大。常规的容错运行方法在旁路故障链节的同时需要旁路其他相同位置的链节[13]，以实现逆变器运行于对称工况，这样导致STATCOM器件利用率较低；同时，由于输出电平的降低，STATCOM系统的补偿容量也进而降低，高压变频领域的链式逆变器多采用交流母线能量交换法实现链节间的电容均压，其链节电压难以更改，本文采用的有功分量叠加方法虽然可以根据切除链节信息，实时更改故障相链节直流侧电压，但是这导致了直流侧电容元件选型成本的增大。

4.1 中性点偏移技术

由于链式星型拓扑的中性点O可以不与电网中心点(即电网N线)相连，其中心点是浮动的，因此链式逆变器运行时，中心点可以偏离电网中心点，表现为输出三相相电压不对称，但通过调整相电压的相位可以得到三相平衡的负载线电压。这样的调整方式，相当于故障后在各相剩余单元输出的不对称电压上共同叠加一个零序分量，以合成三相对称的线电压。由于两个中点不直接连接，因此该线电压可以保证相对于电网中性点产生对称的相电压，从而使得STATCOM稳定运行。中性点偏移技术原理如图7所示[14-16]。

图7 中性点偏移技术原理图Fig.7 Neutral point shift technology schematic

图7中O为电网中心点，O′为逆变器中心点，正常运行时链式逆变器输出相电压与线电压关系如图7中ABC三角形所示。当发生故障后，各相非故障链节相对于逆变器中心点输出电压幅值为|Va′|、|Vb′|和|Vc′|，如果三相输出相角差仍为120°，则三相输出电压相对于电网中心点O不对称，通过改变输出各相电压的输出相角，对逆变器输出电压的中心点适当调整，如图7三角形A′B′C′所示。此时ABC三相电压相角不再是120°，各相相对于逆变器中心点的电压是非对称的，但是输出的线电压仍是三相对称的，即逆变器的输出电压相对于电网中性

点而言为三相对称的相电压，因此可以保证STATCOM系统的稳定运行。

4.2 故障后链节均压调制策略

由于三相电压的耦合特性[17]，电压外环控制器对三相不平衡系统具有抑制作用，具体表现为STATCOM的链节发生故障时，故障相非故障链节电压升高，非故障相链节电压不变，系统三相电压对称，直流侧总电压在电压外环的控制下保持恒定，进而导致链式逆变器的中性点无法按照指令偏移角完成中性点偏移。

为了消除电压外环控制器的三相不平衡电压抑制作用，本文设计了在发生故障后修正外环电压的控制器，，修正后的控制策略如图8所示。图8中调整后的均压控制策略中PI控制器输出幅值宽度需要适量放大，以抑制逆变器三相耦合特性的影响。

图8 调整后的相间均压控制器Fig.8 Phase equalizing controller after adjustment

5 仿真验证

本文的叠加有功分量均压策略能否有效运行，是STATCOM系统能够正常工作的前提；中性点偏移技术实现的STATCOM链节容错技术是否能够独立运行，是保障STATCOM系统安全运行的关键。为了验证其正确性，本文利用PSCAD/EMTDC搭建仿真7H桥链式STATCOM仿真模型。仿真模型主电路参数如表1所示。

仿真运行一段时间后，模拟链节故障，切除A相6、7号链节，经过计算其中性点偏移相角如图9所示。

考虑链节数较多，仿真仅针对单相链节电容电压进行监测。链式STATCOM系统在0～1s内正常工作，仿真运行到1s时，A相6、7链节发生故障，系统将其旁路，此时A相链节数为5个，B、C相链节

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

数为7个，变流单元输出三相电压不对称，通过改造电压外环控制器，实现三相电压的不平衡控制，仿真结果如图10所示。

图9 中性点偏移相角Fig.9 Neutral point offset phase angle

图10 均压控制仿真图Fig.10 Equalizing control simulation

从图10(a)可以看出，在改造后的控制器的控制下，A相电压直流侧电压下降并稳定在13kV，非故障链节电压稳定在2.6kV，两个故障链节由于并联损耗电压呈现下降趋势，系统功率因数由0.9997降低至0.9985，系统容错运行的补偿效果较好。图10(d)给出了中性点偏移前后逆变器输出三相相对电网中性点电压波形，从图中可以明显看出故障前电网输出三相对称的相电压，故障后系统改变移相角，实现中性点偏移，虽然由于中性点的浮动，逆变器的输出电压相对电网中心点存在高频谐波分量，但是总体而言输出的电压相对电网中性点仍为三相对称。

6 结论

链式STATCOM可以将H桥变流单元级联以实现低压器件的高压运行，是稳态强磁场无功补偿装置的适宜选择，但是由于链节的增多，链节均压问题以及容错运行问题为链式STATCOM的实际应用带来了困扰。本文首先基于稳态强磁场电源的特性进行分析，使用叠加矢量的上层均压控制方法，在保证装置链节总电压平稳的基础上，通过在指令电压信号上叠加与变流器同相位的有功分量实现各链节的均压调节。然后针对链节增多带来的系统故障率提升，引入高压变频领域的中性点偏移技术，保证系统在旁路故障链节后输出相对于电网中性点三相对称的相电压。

本文对链式STATCOM的链节均压控制方法与链节故障容错运行方法进行了详细阐述，并通过仿真验证了方法的合理性。通过本文的前期验证工作，为正在设计的强磁场无功补偿装置提供了坚实的理论基础。

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Strong magnetic chain STATCOM equalizing with redundant fault-tolerant research

LIU Jia1, LIU Xiao-ning2, FEI Wei2, CHEN Si-ming2

(1. CSIC Pride (Nanjing) New Energy Technology Co. Ltd., Nanjing 211106, China;2. High Magnetic Field Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

With the requirements of high-voltage reactive power compensation device cascaded topology is more and more used in cascade STATCOM. However, with the number of units increases, the complexity of the system and the failure rate is also increased, while voltage balancing of each DC section also has been a hot research issue of STATCOM. Based on the above problem, a control scheme is proposed for a strong magnetic field superconducting reactive power compensation scheme in research. The neutral point offset technology of high voltage inverter is introduced in the STATCOM to achieve the neutral point offset in three phase voltage and to increase the utilization of the chain units. Finally, simulation verifies that the equalizing of the neutral point offset tolerant strategy is effective and correct.

reactive power compensation; equalizing control; superconducting power; neutral point offset; redundant

2015-04-30

国家自然科学基金资助项目 (50977086)

刘 嘉(1989-)， 男， 江苏籍， 助理工程师， 硕士， 研究方向为谐波抑制与无功补偿； 刘小宁(1962-)， 男， 安徽籍， 研究员， 硕士， 研究方向为高功率聚变电源。

TL62+9

A

1003-3076(2016)09-0014-07