唐琪

摘 要：直流側(cè)電容電壓平衡是鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，簡(jiǎn)稱STATCOM）能夠正常運(yùn)行的前提，針對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓不平衡問(wèn)題，建立了鏈?zhǔn)絊TATCOM數(shù)學(xué)模型，通過(guò)解耦實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的分離，結(jié)合軟件控制與硬件控制的優(yōu)點(diǎn)，在分層構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種電容均衡能量的方法實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓平衡，上層通過(guò)解耦控制實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)絊TATCOM整體有功、無(wú)功控制，下層通過(guò)電容作為中間單元來(lái)控制直流側(cè)電容電壓大小。仿真結(jié)果表明，該控制方法可以有效地解決鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電壓不平衡問(wèn)題，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)絊TATCOM；直流電壓平衡；分層控制；電容均衡能量

1 前言

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，簡(jiǎn)稱STATCOM）具有無(wú)需多重化接入變壓器、可實(shí)現(xiàn)分相控制、占地面積小、便于模塊化設(shè)計(jì)和冗余運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。然而鏈?zhǔn)絊TATCOM各H橋模塊直流側(cè)相互獨(dú)立，其直流側(cè)電容電壓難以平衡，直流側(cè)電容電壓平衡是STATCOM裝置安全可靠運(yùn)行需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[7-10]。

本文在分層構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種電容均衡能量的方法實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓平衡，上層通過(guò)解耦控制實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)絊TATCOM整體有功、無(wú)功控制，下層通過(guò)電容作為中間單元來(lái)控制直流側(cè)電容電壓大小，結(jié)合了軟硬件控制方法的優(yōu)點(diǎn)，具有控制方法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快且便于系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

2 鏈?zhǔn)絊TATCOM數(shù)學(xué)模型

鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。usa、usb、usc為系統(tǒng)電壓，等效電阻為R，連接電抗為L(zhǎng)，uca、ucb、ucc為鏈?zhǔn)絊TATCOM輸出電壓，ica、icb、icc為補(bǔ)償電流，鏈?zhǔn)絊TATCOM每相鏈接由N個(gè)H橋逆變器構(gòu)成。

由圖1，根據(jù)KVL可以得到鏈?zhǔn)絊TATCOM電壓表達(dá)式

對(duì)式（1）進(jìn)行解耦變換可得

式（2）中：KP和KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。

3 電容均衡能量的直流側(cè)電壓控制方法

3.1 系統(tǒng)整體有功與無(wú)功功率控制

鏈?zhǔn)絊TATCOM整體有功與無(wú)功功率控制如圖2所示。根據(jù)式（2），通過(guò)前饋解耦控制實(shí)現(xiàn)STATCOM系統(tǒng)有功與無(wú)功功率的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈接整體有功與無(wú)功功率的控制。

為了達(dá)到各H橋功率模塊的直流側(cè)電容電壓平均值等于其參考值電壓的目的，通過(guò) PI 調(diào)節(jié)器，構(gòu)造電壓均值控制方程為

式（3）中， 為鏈節(jié)額定電壓， 為直流側(cè)電容電壓平均值。調(diào)節(jié)有功電流指令，可以改變系統(tǒng)吸收的有功功率，系統(tǒng)吸收有功功率來(lái)給直流側(cè)電容充電。其控制框圖如圖 3所示。

3.2 電容均衡能量控制

通過(guò)上層解耦控制可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的有功功率，在總的有功功率足夠的情況下，由于鏈?zhǔn)絊TATCOM三相鏈接各H橋模塊間的參數(shù)不一致，會(huì)有模塊過(guò)充電與過(guò)放電的情況出現(xiàn)，如果在各H橋模塊之間未采用平衡控制，會(huì)導(dǎo)致各模塊之間直流電壓不平衡，嚴(yán)重時(shí)甚至造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

圖4給出了電容均衡能量控制框圖。CJ1…CJ（N-1）為n-1個(gè)均壓電容，P1…PN為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。模塊之間以均壓電容作為中間單元平衡各直流側(cè)電容電壓，運(yùn)用能量轉(zhuǎn)移的思想，將直流側(cè)電容電壓高的能量轉(zhuǎn)移到電壓偏低的電容，來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容均壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)P1…PN合向上端，CJ1…CJ（N-1）與C1…C（N-1）構(gòu)成n-1個(gè)閉合回路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，P1…PN合向下端，CJ1…CJ（N-1）與C2…CN構(gòu)成n-1個(gè)回路，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)的反復(fù)切換，均壓電容與直流側(cè)電容會(huì)達(dá)到電壓平衡，各均壓電容將兩兩之間的直流側(cè)電容連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)各直流側(cè)模塊的電壓平衡。其中單刀雙擲開(kāi)關(guān)由MOSFET構(gòu)成。

4 仿真

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了圖1中鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù)：us=400V，電網(wǎng)頻率fs=50HZ，鏈節(jié)直流側(cè)電容Cdc=3000μF，并網(wǎng)電感L=5mH，鏈節(jié)直流側(cè)電壓udc=110V，級(jí)聯(lián)模塊數(shù)N=3。

分別在只控制總的有功功率與加入電容均衡能量的控制方法下作對(duì)比。圖5為僅對(duì)總的有功功率進(jìn)行控制，各H橋模塊之間未加入平衡控制時(shí)STATCOM直流側(cè)電容電壓波形?？梢钥闯?，只控制總的有功功率時(shí)直流側(cè)電容電壓不平衡較為明顯，從100V到120V不等，最大電壓達(dá)到20V左右，仿真結(jié)果表明，由于鏈?zhǔn)絊TATCOM三相鏈接各H橋模塊間的參數(shù)不一致，會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓不平衡，只控制總的有功功率不能實(shí)現(xiàn)各模塊直流電壓平衡。

圖6為加入電容均衡能量控制后STATCOM直流側(cè)電容電壓波形，可以看出，加入電容均衡能量控制后，其直流側(cè)電容電壓基本保持一致，穩(wěn)定在110V左右，且波動(dòng)小，仿真表明該控制方法可以有效地穩(wěn)定鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓，達(dá)到很好的控制效果。

5 結(jié)論

本文針對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓平衡問(wèn)題，在分層構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種電容均衡能量的方法實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓平衡，上層通過(guò)解耦控制實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)絊TATCOM整體有功、無(wú)功控制，下層通過(guò)電容作為中間單元來(lái)控制直流側(cè)電容電壓大小，結(jié)合了軟硬件控制方法的有點(diǎn)，具有控制方法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快且便于系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明：該方法可以有效地解決直流側(cè)電容電壓平衡問(wèn)題，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

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（作者單位：中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司）