程玉凱

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

電弧爐、軋鋼機(jī)等是一類特殊的負(fù)載，它們的三相負(fù)荷不對(duì)稱，產(chǎn)生的電流存在較大的畸變，使得供電電壓不斷波動(dòng)，我們將其稱為不平衡非線性負(fù)載.這種負(fù)載的特點(diǎn)是當(dāng)加上工頻電壓時(shí)，不論工頻電壓是否平衡，其流出的電流總是不平衡的，且含有大量的諧波和基波無(wú)功成分.傳統(tǒng)的STATCOM僅能對(duì)基波無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償，不能應(yīng)用于此種負(fù)荷系統(tǒng)中[1-4].針對(duì)這種現(xiàn)象，本文提出了一種融合APF和STATCOM的控制方法，采用該種控制方法的有源逆變器不但可以補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功電流而且還能補(bǔ)償三相負(fù)荷電流中的諧波分量和不平衡分量，使得電源側(cè)電流為平衡的基波有功電流.

1 總體結(jié)構(gòu)

新型STATCOM的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1中，ia、ib和 ic表示三相電流，ia1p、ib1p和 ic1p以

圖1 STATCOM總體結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)功及諧波電流檢測(cè)

無(wú)功及諧波電流檢測(cè)方法有很多，但絕大多數(shù)方法計(jì)算繁瑣，且由于采用了鎖相環(huán)PLL和低通濾波器LPF，使得結(jié)果不夠準(zhǔn)確，響應(yīng)較慢[5-6].本文采用的三相鑒相組式結(jié)構(gòu)避免使用鎖相環(huán)PLL和低通濾波器LPF，計(jì)算簡(jiǎn)單，響應(yīng)快速，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中虛線框部分表示積分均值濾波模塊.

由于組式結(jié)構(gòu)的三相方法一致，因此這里僅選用a相作為研究對(duì)象.

設(shè)

其中，ω'表示輸入電流的基波頻率，ω表示工頻（ω=100π），y表示信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)（可由（8）式獲得）.

圖2 無(wú)功和諧波電流檢測(cè)模塊

經(jīng)化簡(jiǎn)可得到

ia1p即為ia中的基波有功分量，ia1q+h為ia中的基波無(wú)功和諧波分量.

經(jīng)過(guò)此模塊后，電流中就僅剩下基波有功分量了.

由上述分析可知，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，延遲較?。▋H為T/6），響應(yīng)速度快，且不受電網(wǎng)頻率變化的影響，是一種較為實(shí)用的三相電路諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法.

3 相序分離

我們知道，不平衡電流與平衡電流的不同在于前者含有負(fù)序電流分量.傳統(tǒng)方法是根據(jù)斯坦門茲定理在三相并聯(lián)一個(gè)三相不平衡負(fù)載與線路負(fù)載組合成一個(gè)平衡負(fù)載.從原理上說(shuō)這個(gè)并聯(lián)的不平衡負(fù)載實(shí)際上提供了負(fù)序電流與線路負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流相抵消，使得電流中僅剩余正序電流，使三相電流平衡.因此，我們的新型STOTCOM逆變器只需要輸出負(fù)序電流與線路負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流抵消，就可以使得電源側(cè)電流平衡了.

經(jīng)過(guò)上一節(jié)的無(wú)功和諧波檢測(cè)模塊可以得到基波有功電流，分離模塊的任務(wù)就是對(duì)基波有功電流進(jìn)行相序分解，得到正序分量、負(fù)序和零序分量[7-8].本文提出的方法省去了傳統(tǒng)相序分離方法（如pq變換法、dq變化法等）中普遍應(yīng)用的PLL電路和同步電路，不需要采用三角函數(shù)運(yùn)算，并且解決了電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)頻率波動(dòng)對(duì)電流相序分離造成的不利影響，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

根據(jù)圖3，我們可以列出輸出信號(hào)ia1p1、ib1p1和ic1p1的表達(dá)式，如式4所示.

設(shè)a相電壓的表達(dá)式為

將其輸入到一個(gè)微分反相器后得到

圖3 相序分離模塊示意圖

將式（8）代入式（4）便得到輸入電流的正序分量，這樣負(fù)序零序分量便也被分離出來(lái)了.

另外，采用本模塊還可以進(jìn)一步檢測(cè)上一模塊中未檢測(cè)到的諧波成分，也就是說(shuō)上一模塊工作不正?！奥z”諧波時(shí)本模塊可以對(duì)其進(jìn)行“修正”，因此大大提高了工作的可靠性.

4 觸發(fā)脈沖的形成

觸發(fā)脈沖的形成就是對(duì)于逆變器的控制方法，目前常用的控制方法有：滯環(huán)比較法、三角波調(diào)制法等.滯環(huán)比較法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，電流響應(yīng)快，因此是目前應(yīng)用較為廣泛的一種控制方法.本文采用的滯環(huán)控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4中，每相電路均由一個(gè)反相器、兩個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器和一個(gè)D觸發(fā)器組成.輸入信號(hào)與環(huán)寬設(shè)定值在兩個(gè)比較器中進(jìn)行比較，比較器輸出信號(hào)觸發(fā)RS觸發(fā)器，此時(shí)如果時(shí)間脈沖到來(lái)，達(dá)到上升沿時(shí)，觸發(fā)D觸發(fā)器，Q輸出高電平（觸發(fā)信號(hào)），Qˉ輸出低電平（閉鎖信號(hào)）.

圖4 滯環(huán)比較原理結(jié)構(gòu)圖

5 仿真研究

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)圖在PSIM中搭建仿真電路圖，設(shè)定電源電壓為6 kV，電源頻率49.5 Hz，負(fù)載為一個(gè)非線性不對(duì)稱負(fù)載，結(jié)構(gòu)如圖5所示，仿真時(shí)間為0.2 s.在STATCOM沒(méi)有投入時(shí)，通過(guò)電流互感器和電壓互感器測(cè)得的電流和電壓波形如圖6所示.由圖6可知，系統(tǒng)中三相電流波形不對(duì)稱且畸變較大，三相電壓也存在不平衡.

圖5 不平衡非線性負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

圖6 補(bǔ)償前三相電流和電壓波形

首先僅將無(wú)功和諧波檢測(cè)模塊投入使用，在0.1 s時(shí)投入STATCOM逆變器，三相電流波形如圖7所示.

由圖7可知，僅使用無(wú)功和諧波檢測(cè)模塊，投入STATCOM后，STATCOM等效于APF，它能將其中的諧波分量補(bǔ)償?shù)舻荒軐?duì)三相電流的不平衡分量進(jìn)行抑制.

然后僅將相序模塊投入使用，在0.1 s時(shí)投入STATCOM逆變器，三相電流波形如圖8所示.

圖7 三相電流波形圖（僅投入諧波和無(wú)功檢測(cè)模塊）

圖8 三相電流波形圖（僅投入相序分離模塊）

為觀察三相電流中的無(wú)功成分，我們選擇三相電壓和電流視角，三相電壓和三相電流對(duì)比波形如圖9所示.

由圖8和圖9可知，僅投入相位分離模塊后，此時(shí)STATCOM逆變器是一個(gè)APF，它雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波分量的補(bǔ)償并抑制電網(wǎng)三相電流的不平衡分量，但不能補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功分量.

最后將無(wú)功和諧波檢測(cè)模塊以及相序分離模塊一起投入使用，在0.1 s投入STATCOM逆變器，參考信號(hào)和逆變器輸出電流波形如圖10所示.

圖9 三相電壓和電流波形對(duì)比圖

圖10 三相參考信號(hào)和逆變器輸出電流波形

此時(shí)三相電流波形的波形如圖11所示.三相電壓和電流波形如圖12所示.

由圖11和圖12可知，投入STATCOM后，STATCOM不僅可以補(bǔ)償三相電路中的無(wú)功分量還可以補(bǔ)償三相電路中的諧波和不平衡分量.

圖11 逆變器投入前后三相電流波形對(duì)比

圖12 STATCOM投入前后三相電壓和電流對(duì)比

6 結(jié)論

隨著電力電子等各種非線性裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境越來(lái)越惡劣.傳統(tǒng)的STATCOM和APF只能補(bǔ)償基波無(wú)功電流和諧波，在惡劣工況下其應(yīng)用受到了很大的限制.本文提出的新型控制方法融合了傳統(tǒng)STATCOM和APF的特點(diǎn)，是一種可用于惡劣工況下的STATCOM.仿真分析表明，采用本文方法的STATCOM，可以對(duì)電源電壓不平衡和非線性不平衡負(fù)載條件下的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)準(zhǔn)確且快速.

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