基于等电位原理的±100 Mvar高压STATCOM的弱电网电流闭环测试方法

刘道欣，张 扬1,，马俊杰，刘 学，高俊娜

（1.南昌工程学院，南昌330099；2.国家电网许继集团有限公司，许昌461000；3.河南瑞贝卡发制品股份有限公司，许昌461100；4.国网北京通州供电公司，北京101102）

随着电力系统的发展，高压静止无功补偿器STATCOM（static synchronous compensator）已经得到了长足发展[1]。目前国内单台容量最大的设备是南方电网公司运营的±100 Mvar高压STATCOM，其电压等级为35 kV，采用了级联多电平的拓扑结构[2]。级联型多电平拓扑是实现大容量电力电子系统的有效途径，这是因为级联型多电平变流器用低压电力电子器件实现高压大功率电能转换，具有输出电压谐波畸变系数小、系统故障容错能力强、模块化程度高、方便冗余设计、易于扩展和控制、开关器件上的电压应力小、开关频率低等优点[3]。但是，由于功率和级联结构的限制，高压STATCOM的测试方法较为困难[4]。

高压STATCOM需要进行电流闭环测试以验证整机的性能，尤其是物理设备硬件性能和控制软件性能等[5]。控制软件性能一般可以通过动态模拟试验或者实时数字模拟试验如RTDS等进行测试，但是物理设备硬件性能，是与子模块的安装、主回路的接线以及一次、二次回路的配合密切相关，无法采用其他的方式进行替代。因此，必须采用实地试验的方法进行测试，以验证装置的耐压能力和电流控制能力。

目前的测试方法有全压全功率测试[6]，该测试是完全采用与实际容量相近的系统进行测试，在10 MVA以下的高压STATCOM中经常使用。但是，对于采用三角形连接的 35 kV电压等级的±100 Mvar的高压STATCOM，由于供电容量的限制，往往无法进行全压全功率测试。因此必须进行适当的等效。一种等效方法为分段等效[7]，例如将换流链的一部分组成阀段，进行分别测试。该方法的优点是降低了容量和电压等级，较容易进行测试，但是无法验证整机的性能。另一种方法是进行小电流并网测试，但是实验室一般接入的是弱电网，受到电网容量的限制，±100 Mvar系统发生任何的干扰，都可能带了较大的功率振荡，并引起脱网跳闸等事故。因此，以上两种方法并不能完全解决弱电网的测试问题。

本文根据等电位原理，将充电过程和放电过程进行分离，使得测试条件下无需进行全时段并网，通过等效手段验证耐压能力和电流发出能力，达到高压大容量STATCOM产品性能检验的目的。

1 高压STATCOM的试验原理

一台完整的STATCOM装置包括主接线、控制回路、保护装置、操作员站及通信管理机等。三角形连接方式由于可以承受线电压且三相可以独立控制，因此是大容量STATCOM的主要拓扑，它将级联模块收尾相连形成AB、BC、CA三条换流链，如图1所示。

图1 STATCOM的结构示意Fig.1 Schematic of structure of STATCOM

图中，vsab、vsbc、vsca是电网三相线电压，vrab、vrbc、vrca是逆变器换流链的端电压。irab、irbc、irca是换流链的电流，L是电抗器的电感，R是电抗器上的电阻；以AB换流链为例，udc为AB换流链子模块的直流母线电压，N为AB换流链的模块数，uab1～uab/N代表每个模块的直流母线电压，其他两相类似。额定电压用Vrate表示，在本试验中为35 kV，对应vsab、vsbc、vsca。额定电流用Irate表示，在本试验中为952 A，对应irab、irbc、irca。

1.1 试验原理

试验的目的是测试在试验额定电压Vrate下验证硬件的电压和电流应力特性，也即需要子模块的电压达到额定电压和额定电流。

由基尔霍夫定理[8]，可得

考虑到在正常工作时，直流电压是稳定的，忽略纹波电压，不考虑纹波，以AB换流链为例，则每个模块的直流电压必须满足

根据功率守恒定理，如果忽略掉损耗，则

依次类推，对于三相换流链，其功率方程为

则根据式（4），可得只需要同时改变逆变器的端口电压、子模块的直流电压，即可通过控制算法改变电流，而无需考虑是否在控制过程中并网即可验证直流电压和电流两个特性。

1.2 等电位试验方案

将试验分为充电和放电两个阶段，通过分合开关来确定不同的阶段。其中10 kV接触器的一端是三相短路的，10 kV开关保证装置最终脱离电网。等电位测试接线[9]如图2所示。

图2 等电位测试接线Fig.2 Wiring of equipotential test

充电过程断开10 kV接触器，闭合35 kV罐式断路器，断开旁路接触器。采用10 kV/35 kV变压器对三角形接线高压STATCOM自然充电，将子模块电压充电到额定电压。此时，忽略掉压降，子模块充电的理论最大值为

只需要通过脉冲轮转方式旁路掉若干的模块[10]，就可以达到额定电压值。此时，直流电位与并网时是等电位的。

放电过程中，断开10 kV开关，使装置与电网脱离，并闭合10 kV接触器，短接三相电网接线，闭合35 kV罐式断路器和旁路接触器。采用电流闭环控制的策略，控制输出的电流，根据式（1），令 vsab、vsbc、vsca为0，则有

因此，只需要控制 vrab、vrbc、vrca即可控制电流，以 vrab为例，有

式中：m为调制度；δ为控制角。由此说明只要采用一定的调制算法，改变调制度和控制角，即可达到控制电流的目的。

2 电流闭环控制算法

电流闭环控制算法框图如图3所示。

图3 电流闭环控制算法框图Fig.3 Block diagram of current closed-loop control algorithm

图3中，abc坐标系转至dq坐标系的公式[11]为

dq坐标系转至abc坐标系的公式为

因此可以根据图3得出传递函数框图。

图4 电流环的传递函数框图Fig.4 Block diagram of transfer function of current loop

由开环传递函数得

根据该开环传递函数，其bode图如图5所示。

由Bode图可以看到，选择合适的PI参数，可以保证控制稳定，且截止频率为255 Hz，对应延时为5 ms以内。

图5 开环传递函数的bode图Fig.5 Bode plot of open loop transfer function

3 仿真和试验

3.1 仿真和试验条件

采用Simulink进行仿真，仿真方式为固定步长。试验和仿真选用的参数数据一致，如表1所示。

试验的主回路搭建平台如图6所示。

图6中，阀塔共3相，3相并排布置，每相36个功率模块，受试验场地所限，考量安全方面，每相阀塔之间的距离满足2个条件：一是电气间隙≥300 mm，二是安装距离≥1 500 mm。考虑散热效果及装置对周边环境的影响，阀塔冷却系统采用氮气密封技术，通过氮气回路来维持系统水质的稳定及压力恒定。阀塔底部设计6个绝缘子支撑，有力保证整个阀体结构的稳定性。

表1 仿真选用的典型参数Tab.1 Typical parameters of adopted in the simulation

图6 试验场地和接线Fig.6 Testing site and wiring

仿真实验波形如图7所示。由图可见，仿真得到的三相电流波形均衡无振荡冲击，电流控制特性良好；模块直流电压基本稳定在1 650 V附近，并且在一段时间内较为稳定。

实验采用安捷伦示波器进行测量，采用福禄克I3000s电流环测量电流。直流电压的数值通过录波装置进行记录。

实际输出电流波形和直流电压数值的试验波形如图8所示，从图（a）来看，其电流波形与仿真波形一致，控制特性良好。由于试验环境所限及电流较小等因素，正弦度较差，存在一定谐波含量。

图7 仿真波形Fig.7 Simulation waveforms

图8 试验波形Fig.10 Testing waveforms

图（b）中，模块母线电压由于测量条件所限，没有进行直接测量，但是通过后台的录波装置直接记录了108个子模块的母线电压值，与仿真数据相比，两者基本一致，母线电压都稳定在1 650 V左右，均压效果良好。

实地环境下的测试真实反映了实验室理论仿真的正确性，控制系统中模块均压控制算法与装置的电流控制能力得到有力验证。

4 结语

本文对±100 Mvar STATCOM实验原理的研究，通过Matlab/Simulink仿真及搭建真实试验环境平台，以实现小电流并网的形式验证了装置耐压能力及电流控制特性，是一次全新的尝试。基于等电位原理，提出“充电”与“放电”两种模式，在装置现场并网前对系统硬件及控制器进行全面考量，有效地解决百兆乏STATCOM并网失败对电网所造成的冲击与破坏，对高压大容量STATCOM成功并网具有指导意义。

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