采用模糊控制的链式无功补偿器均压策略

闫娜，魏磊，姜宁，赵刚

（国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710065）

采用模糊控制的链式无功补偿器均压策略

闫娜，魏磊，姜宁，赵刚

（国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710065）

为了平衡链式无功补偿器（STATCOM）各H桥模块的电容电压，可采用硬件和软件均压2种方法，由于前者增加了装置的成本和设计难度，因此提出一种采用模糊控制的链式无功补偿器均压软件策略。通过分析链式STATCOM的基本工作原理，给出直流侧电容电压的整体控制；之后利用调制波与子模块电容电压充放电之间的关系，设计一种基于模糊方法的调制波直接控制策略。仿真和实验结果进一步验证了所设计方法的可行性及优越性。

链式无功补偿器；模糊；均压

无功补偿是电力系统节能降耗和改善电压质量的重要措施之一，基于电力电子技术的静止无功补偿设备，由于其动态连续补偿、响应速度快、体积小等优点而得到了广泛应用［1-2］。低压系统常采用二电平或三电平的电路拓扑，而高压系统则广泛使用基于H桥模块的多电平结构［3-4］。

由于链式无功补偿器（STATCOM）每个H桥模块的直流侧存在彼此独立的电容，加之每个模块存在各种不同的损耗，使得各个模块的电容电压出现不平衡问题，导致STATCOM输出电压和电流出现畸变，影响补偿效果，如果不加以控制，会进一步加剧各H桥的直流电容电压偏差，严重影响系统控制效果［5-7］。

文献［8］采用脉冲循环排序的方法，在每个工频周期，根据电容电压的大小完成不同宽度脉冲的分配。这类方法无需增加硬件投入，原理简单，但控制时间相对较长，在短时间内的控制效果较差。文献［9］在d-q坐标系下完成有功功率、无功功率的解耦，对各H桥输出的电容电压单独进行闭环控制，从而达到了平衡直流侧电容电压的目的。但这种方法的运算量很大，对控制器的处理速度要求较高。

针对以上问题，本文提出一种采用模糊控制的链式无功补偿器均压软件策略，通过模糊控制器对调制波的直接控制来平衡直流侧电容电压，以最大限度减少处理器压力，提高电容电压平衡控制效果，仿真和实验结果进一步验证了所提控制策略的优越性。

1 链式STATCOM无功补偿原理

所采用的链式STATCOM主电路拓扑结构如图1所示。

图1 链式STATCOM主电路Fig.1 Main circuit of the cascade STATCOM

图1中，usa,usb,usc为三相电网电压；isa,isb,isc为三相电网电流；uca,ucb,ucc为STATCOM三相输出电压；ica,icb,icc为STATCOM补偿电流；iaL,ibL,icL为三相负载电流；udc_an,udc_bn,udc_cn为各相H桥直流侧电容电压；R为线路及电抗器内部损耗的等效电阻；L为平波电抗器及线路的等效电感。在对级联型STATCOM建模前，先做出以下假设：1）电网电压三相对称且为无畸变的正弦波；2）三相电路对称，等效阻抗相同；3）各个H桥模块参数完全一致。

根据图1所示，由基尔霍夫电流定律可以得到：

式（1）为链式STATCOM在三相静止abc坐标系下的方程，经坐标变换后，将其从三相静止坐标系下变换成两项同步旋转坐标系下的常微分方程，可以得到：

由瞬时无功功率理论，电网与STATCOM交换的有功功率和无功功率分别为

因为取d轴和电网电压合成矢量重合，在三相对称系统中有：

将式（4）代入式（3）中得：

通过坐标变换，可以将静止坐标系下变化的参数ia，ib和ic变换成同步旋转坐标系下面的直流量id，iq，方便设计无静差控制器，且id和iq分别表示系统的有功电流和无功电流，通过控制它们，就可以控制有功功率和无功功率。

由于STATCOM装置直流电容电压的变化主要由交换的有功功率决定，即由有功电流id来决定，由STATCOM装置的数学模型可推导出：

式中：δ为STATCOM输出电压与电网电压间的相位差。

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因为δ很小，故式（6）可近似为

由式（7）可知，通过对STATCOM装置有功电流的控制就能够稳定装置的总体直流侧电压，可以通过PI控制器实现直流侧电容电压总体平衡控制，具体如图2所示。图2中，为直流侧电容电压参考值；PI控制器的输出作为电流环有功电流id的指令信号；无功电流参考值由系统直接给定，与实际的无功电流iq做差之后送入电流控制器，进而生成所需要的调制信号，，，经过PWM调制后生成所需要的PWM触发脉冲。

图2 链式STATCOM整体控制框图Fig.2 Overall control of the cascade STATCOM

2 调制波直接均压控制策略

图2所示的整体控制策略仅能维持链式STATCOM系统直流侧电压，并未考虑各个H桥子模块电容电压是否平衡。对于级联STATCOM目前已有的直流侧均压策略，主要分为硬件均压和软件均压2种。考虑到采用硬件均压策略会增加装置的成本以及设计的复杂度，同时现有软件均压方法实现较复杂［10-11］，因此本文提出一种基于模糊方法的链式STATCOM调制波直接均压控制策略，具体如图3所示。为控制每个功率模块的直流侧电压等于该相平均直流电压值，实现相内直流侧电容电压平衡控制，本文在载波移相PWM调制（CPS-PWM）的基础上，根据直流侧电容瞬时充放电的情况，判断某一时刻模块单元的开关状态的调整方向，通过上下平移每个功率模块单元的调制波，最终实现相内直流电压平衡控制。

图3 所设计链式STATCOM控制框图Fig.3 Proposed control of the cascade STATCOM

具体实现过程如下：

2）将上述有功电流给定值和无功电流给定值分别与STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流的偏差送入电流控制器，由此获得STATCOM主电路的三相基准调制信号uca，ucb和ucc；

3）利用整体控制获得直流侧电容电压的实时信息，与平均电压信息做比较后，送入模糊控制器，进而获得对应H桥模块的附加调制信号∆ucai，∆ucbi，∆ucci。

模糊控制器的实现方式如下：

1）利用仿真工具Matlab完成模糊控制器设计，利用大量的数据测试完成不同∆Udci取值范围内对应的最佳∆ucki（k=a，b，c）；

2）将上述最佳∆ucki（k=a，b，c）以表格形式存储于装置级微处理器中，以最大限度提高响应速度，简化控制程序。

模糊控制器设定的模糊控制规则为：①当∆Udci＞0，H桥模块的直流电容电压Udci小于给定值，需要增加附加调制信号来增加电容充电时间；②当∆Udci＜0，H桥模块的直流电容电压Udci大于给定值，需要减少附加调制信号来增加电容放电时间；③在上述2种情况下，∆Udci越大，附加调制信号增加/减少的值越大，以提高直流电容电压达到稳态的速度；∆Udci越小，附加调制信号增加/减少的值越小，直至系统完全到达稳态，即∆ucai=0，∆ucbi=0，∆ucci=0；④将基准调制信号和附加调制信号相加后得到调制信号，从而完成基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压。

这种电压平衡控制算法与其他方法相比，存在以下几点优势：①本算法无需添加任何附加电路；②本算法中每个模块单元的开关频率一致，有利于散热均衡，延长装置整体的寿命；③本算法无论从控制结构上还是参数调试上都较为简单，并且性能稳定。

3 仿真和实验对比

在Matlab/Simulink中搭建三相链式STATCOM模型，分别建立传统控制策略（即根据调制波直接均压）和所提出的基于模糊方法的调制波直接均压策略模型。主电路参数为：电源相电压峰值311V，等效电阻0.34 Ω，等效电感5 mH，直流侧电容 2 000 μF，开关频率1 kHz，仿真步长50 μs。采用5个H桥子模块，设置各H桥子模块电容电压参考值为200 V。

采用2种控制策略的链式STATCOM的仿真波形如图4所示，无功电流参考值为30 A。图4a为传统控制下的交流侧电流波形，电流谐波总畸变率（THD）为5.7%。图4b为所提控制下的交流侧电流波形，电流谐波总畸变率（THD）为2.6%，较传统控制降低了54%，在0.3 s将控制策略由传统控制切换为所提控制。图4c为2种控制下的直流侧电压波形，该电压为各相电压的平均值。可以看出，直流侧电容电压存在2倍频波动，这是由于直流侧电容电压的充放电引起的，其中传统控制下直流侧电压的波动范围达到55 V；当采用所设计控制策略后，直流侧电压波动范围降低到10 V以内，电压控制精度较传统控制提高了将近82%。

图4 仿真对比Fig.4 Simulation comparisons

为了验证所提控制策略的暂态特性，在0.4 s时令无功电流参考值由30 A变为15 A，仿真波形如图5所示。图5a为所提控制下的交流侧电流波形，在无功电流给定发生变化时，在5 ms内快速跟踪给定，可见，所提控制能够有效保证装置的无功补偿能力；图5b为a相5个子模块电压波形，各子模块之间的最大电压偏差不超过5 V，且在无功电流给定发生变化时也能保证直流侧各子模块电压的稳定性，可见，所提控制策略能够有效平衡各子模块电压。

图5 所提控制下的暂态仿真波形Fig.5 Transient simulation waveforms of the proposed control

通过以上仿真结果可以看出，所提控制策略能够更为有效地平衡各H桥电容电压，且能保证系统电流质量。为了进一步验证所设计方法的性能，在链式STATCOM实验平台中开展相关实验验证工作，实验参数与仿真参数保持一致。

无功电流参考值设置为10 A，图6a为传统控制下交流侧相电压、电流及链式STATCOM装置侧相电压波形，交流侧电流THD为6.2%；图6b为所提控制下系统交流侧相电压及电流波形，电流波形质量明显提高，其THD仅为3.4%；图6c为采用2种控制策略下的直流侧电压波形，采用传统控制时直流侧电压波动范围达到63 V，采用所设计控制策略后，直流侧电压波动范围减少到42 V，进一步验证了所设计控制策略的优越性。

图6 实验波形Fig.6 Experiment results

4 结论

本文通过分析链式STATCOM的无功补偿原理，建立了链式STATCOM的整体控制框图。为了进一步平衡子模块电容电压，提出了一种基于模糊方法的调制波直接控制策略，并通过仿真和实验验证了所设计均压方法的优越性，为无功补偿装置在电力系统中的推广应用打下基础。

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DC Voltage Balancing Method of the Cascade Static Synchronous Compensator Based on the Fuzzy Control

YAN Na，WEI Lei，JIANG Ning，ZHAO Gang
（State Grid Shaanxi Economic Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

At present，there are two main methods like software and hardware to balance the DC side voltage of the cascade static synchronous compensator（STATCOM）.The hardware method will increase the complexity of the design and the cost of the device.Therefore，a direct fuzzy based modulation wave control was proposed for the cascade STATCOMtobalancetheDCsidevoltage.ByanalyzingthebasicprincipleofthecascadeSTATCOM，theoverallcontrol strategy of the DC capacitor voltage was firstly given.Then，a direct control strategy of the modulation wave was designed based on fuzzy method utilizing the relationship of the modulated wave and capacitor voltage discharge of the submodule.Thefeasibilityandsuperiorityoftheproposedcontrolstrategyareverifiedbythesimulationandexperiment.

cascade-static synchronous compensator（STATCOM）；fuzzy；DC voltage balancing

TM461

A

10.19457/j.1001-2095.20171012

闫娜（1987-），女，硕士，工程师，Email：793978713@qq.com

2016-10-20

修改稿日期：2017-04-12