基于直流侧电压平衡控制的静止无功补偿器控制策略研究
2023-12-25刘天慈
刘天慈
（国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北随州 441399）
0 引言
随着电力系统规模逐渐增大，逐渐复杂，其能量传输过程中需要传输的容量更大，为了提高电力系统传输效率与容量，对电力系统的稳定性、电能质量的要求越来越高[1-2]。在电力系统中，无功功率将引起设备电压下降，增加电能损失[3]。因此，需保障电力系统中无功功率平衡。而无功补偿均由发电机提供，将增加电能传输损耗。因此可采用静止无功补偿器补偿系统无功功率[4]。
静止无功补偿器可增加发电机的有功输出功率，减小线路传输电能的损耗，增加线路传输电能的效率，提高电网电能质量，保障电网电压稳定性；提高用电设备的稳定性、安全性，提高电网功率因数[5,6]。静止无功补偿器是通过桥式变换器与电抗器连接于电网之上，可通过调节变换器的输出电压的相位，实现吸收无功功率或发出无功功率[7]。
传统的静止无功补偿器的输出电压谐波含量高，接入电网后，将造成电网谐波污染[8]。级联式的静止无功补偿器由半桥模块、全桥模块等子模块构成，通过多电平技术可实现调节输出正弦电压的目的，随着级联的子模块数量增加，其谐波含量逐渐降低[9-10]。级联式静止无功补偿器存在各个子模块的电压不均衡问题，进而导致系统崩溃，出现大的事故。
本研究提出了两层电压控制的方法，第一层为三相电压的各相电压的平衡控制，第二层为各个功率单元的电压平衡控制，并建立仿真模型。
1 级联式静止无功补偿器数学模型
1.1 级联式静止无功补偿器拓扑
图1 所示为级联式的静止无功补偿器的拓扑。图1中，每相包含了N个全桥模块串联、电抗器。ua、ub、uc分别为电网的三相电压，uca、ucb、ucc分别为静止无功补偿器的输出电压，isa、isb、isc为三相电网电流，ica、icb、icc为流入静止无功补偿器的三相电流。L为电抗器，R为线路损耗等效电阻。
图1 级联式静止无功补偿器
1.2 级联式静止无功补偿器数学模型
电网为三相三线制，且三相完全对称，则静止无功补偿器的数学模型可表示为：
静止无功补偿器的输出电压可表示为：
式中，uca1、uca2……ucaN为A 相单元中各子模块的输出电压；ucb1、ucb2……ucbN为B 相单元中各子模块的输出电压；ucc1、ucc2……uccN为C 相单元中各子模块的输出电压。
式（1）可通过矩阵形式表示为：
为实现解耦控制，可将三相静止坐标系下的数学模型转换为两相旋转坐标系下的数学模型，其坐标转换矩阵可表示为：
则在两相坐标系下的静止无功补偿器的数学模型可表示为：
式中，icd、icq、ic0为流入静止无功补偿器的两相旋转坐标系下的电流分量，ud、uq、u0为电网侧电压在两相旋转坐标系下的电压分量；ucd、ucq、uc0为静止无功补偿器输出电压在两相旋转坐标系下的电压分量。
假设系统完全对称，则需满足下式：
因此，式（5）可表示为：
式中，ω为电网电压的电角频率。
系统均满足功率平衡，其功率平衡方程为：
式中，RL为负载电阻。
2 级联式静止无功补偿器调制策略
级联式静止无功补偿器各子模块的均压策略是关键，若不能实现均压，则子模块ⅠGBT 的开关应力不一致，造成系统设备制造困难，系统不稳定，ⅠGBT 的导通与关断时间不一。因此，需进行单相单元的电压均衡控制。在电压环增加两个环节，第一层为各相电压之间的平衡，第二层为每一相个子模块之间的电压平衡。
2.1 三相电压均衡控制
当静止无功补偿器投入运行后，需要补偿其各子模块不平衡，其控制原理如图2所示。
图2 三相电压均衡控制
图2 中，udc1、udc2……udcn分别为各功率单元的直流侧的电压，可表示为：
因此，输出的电流参考值可表示为：
式中，Kp、Ki为PⅠ控制器的比例环节系数、积分环节系数。
2.2 各相单元电压均衡控制
各相单元的电压可表示为：
其控制框图如图3所示。
图3 各相单元控制
通过比例环节获得的调制信号与调制信号Igf相加获得了最终调制信号Idgn。其表达式为：
3 结果分析
为了验证该级联式静止无功补偿器的控制策略，搭建了仿真模型，其参数如表1所示。
表1 系统参数
图4所示为未投入级联式静止无功补偿器时的电网电压、电流波形。图5 所示为投入级联式静止无功补偿器时的电网电压、电流波形。由图4～图5可知，投入级联式静止无功补偿器后，电网的功率因数接近1，能够实现无功功率补偿。
图4 未投入静止无功补偿器波形
图5 投入后波形
4 结论
本研究提出了一种电压双层控制的级联式静止无功补偿器的控制策略，解决其各个子模块间电压不均衡的问题。第一层为控制三相电压均衡，第二层为控制各相的各个子模块电压均衡。级联式静止无功补偿器采用该控制策略可实现快速、实时、动态补偿系统的无功功率，保障电网电能质量，实现电压稳定控制。
