劉道欣，張 揚(yáng)1,，馬俊杰，劉 學(xué)，高俊娜

（1.南昌工程學(xué)院，南昌330099；2.國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，許昌461000；3.河南瑞貝卡發(fā)制品股份有限公司，許昌461100；4.國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司，北京101102）

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓靜止無功補(bǔ)償器STATCOM（static synchronous compensator）已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展[1]。目前國(guó)內(nèi)單臺(tái)容量最大的設(shè)備是南方電網(wǎng)公司運(yùn)營(yíng)的±100 Mvar高壓STATCOM，其電壓等級(jí)為35 kV，采用了級(jí)聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)大容量電力電子系統(tǒng)的有效途徑，這是因?yàn)榧?jí)聯(lián)型多電平變流器用低壓電力電子器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率電能轉(zhuǎn)換，具有輸出電壓諧波畸變系數(shù)小、系統(tǒng)故障容錯(cuò)能力強(qiáng)、模塊化程度高、方便冗余設(shè)計(jì)、易于擴(kuò)展和控制、開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力小、開關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是，由于功率和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的限制，高壓STATCOM的測(cè)試方法較為困難[4]。

高壓STATCOM需要進(jìn)行電流閉環(huán)測(cè)試以驗(yàn)證整機(jī)的性能，尤其是物理設(shè)備硬件性能和控制軟件性能等[5]。控制軟件性能一般可以通過動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)或者實(shí)時(shí)數(shù)字模擬試驗(yàn)如RTDS等進(jìn)行測(cè)試，但是物理設(shè)備硬件性能，是與子模塊的安裝、主回路的接線以及一次、二次回路的配合密切相關(guān)，無法采用其他的方式進(jìn)行替代。因此，必須采用實(shí)地試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證裝置的耐壓能力和電流控制能力。

目前的測(cè)試方法有全壓全功率測(cè)試[6]，該測(cè)試是完全采用與實(shí)際容量相近的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在10 MVA以下的高壓STATCOM中經(jīng)常使用。但是，對(duì)于采用三角形連接的 35 kV電壓等級(jí)的±100 Mvar的高壓STATCOM，由于供電容量的限制，往往無法進(jìn)行全壓全功率測(cè)試。因此必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡刃?。一種等效方法為分段等效[7]，例如將換流鏈的一部分組成閥段，進(jìn)行分別測(cè)試。該方法的優(yōu)點(diǎn)是降低了容量和電壓等級(jí)，較容易進(jìn)行測(cè)試，但是無法驗(yàn)證整機(jī)的性能。另一種方法是進(jìn)行小電流并網(wǎng)測(cè)試，但是實(shí)驗(yàn)室一般接入的是弱電網(wǎng)，受到電網(wǎng)容量的限制，±100 Mvar系統(tǒng)發(fā)生任何的干擾，都可能帶了較大的功率振蕩，并引起脫網(wǎng)跳閘等事故。因此，以上兩種方法并不能完全解決弱電網(wǎng)的測(cè)試問題。

本文根據(jù)等電位原理，將充電過程和放電過程進(jìn)行分離，使得測(cè)試條件下無需進(jìn)行全時(shí)段并網(wǎng)，通過等效手段驗(yàn)證耐壓能力和電流發(fā)出能力，達(dá)到高壓大容量STATCOM產(chǎn)品性能檢驗(yàn)的目的。

1 高壓STATCOM的試驗(yàn)原理

一臺(tái)完整的STATCOM裝置包括主接線、控制回路、保護(hù)裝置、操作員站及通信管理機(jī)等。三角形連接方式由于可以承受線電壓且三相可以獨(dú)立控制，因此是大容量STATCOM的主要拓?fù)?，它將?jí)聯(lián)模塊收尾相連形成AB、BC、CA三條換流鏈，如圖1所示。

圖1 STATCOM的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of structure of STATCOM

圖中，vsab、vsbc、vsca是電網(wǎng)三相線電壓，vrab、vrbc、vrca是逆變器換流鏈的端電壓。irab、irbc、irca是換流鏈的電流，L是電抗器的電感，R是電抗器上的電阻；以AB換流鏈為例，udc為AB換流鏈子模塊的直流母線電壓，N為AB換流鏈的模塊數(shù)，uab1～uab/N代表每個(gè)模塊的直流母線電壓，其他兩相類似。額定電壓用Vrate表示，在本試驗(yàn)中為35 kV，對(duì)應(yīng)vsab、vsbc、vsca。額定電流用Irate表示，在本試驗(yàn)中為952 A，對(duì)應(yīng)irab、irbc、irca。

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)的目的是測(cè)試在試驗(yàn)額定電壓Vrate下驗(yàn)證硬件的電壓和電流應(yīng)力特性，也即需要子模塊的電壓達(dá)到額定電壓和額定電流。

由基爾霍夫定理[8]，可得

考慮到在正常工作時(shí)，直流電壓是穩(wěn)定的，忽略紋波電壓，不考慮紋波，以AB換流鏈為例，則每個(gè)模塊的直流電壓必須滿足

根據(jù)功率守恒定理，如果忽略掉損耗，則

依次類推，對(duì)于三相換流鏈，其功率方程為

則根據(jù)式（4），可得只需要同時(shí)改變逆變器的端口電壓、子模塊的直流電壓，即可通過控制算法改變電流，而無需考慮是否在控制過程中并網(wǎng)即可驗(yàn)證直流電壓和電流兩個(gè)特性。

1.2 等電位試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)分為充電和放電兩個(gè)階段，通過分合開關(guān)來確定不同的階段。其中10 kV接觸器的一端是三相短路的，10 kV開關(guān)保證裝置最終脫離電網(wǎng)。等電位測(cè)試接線[9]如圖2所示。

圖2 等電位測(cè)試接線Fig.2 Wiring of equipotential test

充電過程斷開10 kV接觸器，閉合35 kV罐式斷路器，斷開旁路接觸器。采用10 kV/35 kV變壓器對(duì)三角形接線高壓STATCOM自然充電，將子模塊電壓充電到額定電壓。此時(shí)，忽略掉壓降，子模塊充電的理論最大值為

只需要通過脈沖輪轉(zhuǎn)方式旁路掉若干的模塊[10]，就可以達(dá)到額定電壓值。此時(shí)，直流電位與并網(wǎng)時(shí)是等電位的。

放電過程中，斷開10 kV開關(guān)，使裝置與電網(wǎng)脫離，并閉合10 kV接觸器，短接三相電網(wǎng)接線，閉合35 kV罐式斷路器和旁路接觸器。采用電流閉環(huán)控制的策略，控制輸出的電流，根據(jù)式（1），令 vsab、vsbc、vsca為0，則有

因此，只需要控制 vrab、vrbc、vrca即可控制電流，以 vrab為例，有

式中：m為調(diào)制度；δ為控制角。由此說明只要采用一定的調(diào)制算法，改變調(diào)制度和控制角，即可達(dá)到控制電流的目的。

2 電流閉環(huán)控制算法

電流閉環(huán)控制算法框圖如圖3所示。

圖3 電流閉環(huán)控制算法框圖Fig.3 Block diagram of current closed-loop control algorithm

圖3中，abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)至dq坐標(biāo)系的公式[11]為

dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)至abc坐標(biāo)系的公式為

因此可以根據(jù)圖3得出傳遞函數(shù)框圖。

圖4 電流環(huán)的傳遞函數(shù)框圖Fig.4 Block diagram of transfer function of current loop

由開環(huán)傳遞函數(shù)得

根據(jù)該開環(huán)傳遞函數(shù)，其bode圖如圖5所示。

由Bode圖可以看到，選擇合適的PI參數(shù)，可以保證控制穩(wěn)定，且截止頻率為255 Hz，對(duì)應(yīng)延時(shí)為5 ms以內(nèi)。

圖5 開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖Fig.5 Bode plot of open loop transfer function

3 仿真和試驗(yàn)

3.1 仿真和試驗(yàn)條件

采用Simulink進(jìn)行仿真，仿真方式為固定步長(zhǎng)。試驗(yàn)和仿真選用的參數(shù)數(shù)據(jù)一致，如表1所示。

試驗(yàn)的主回路搭建平臺(tái)如圖6所示。

圖6中，閥塔共3相，3相并排布置，每相36個(gè)功率模塊，受試驗(yàn)場(chǎng)地所限，考量安全方面，每相閥塔之間的距離滿足2個(gè)條件：一是電氣間隙≥300 mm，二是安裝距離≥1 500 mm?？紤]散熱效果及裝置對(duì)周邊環(huán)境的影響，閥塔冷卻系統(tǒng)采用氮?dú)饷芊饧夹g(shù)，通過氮?dú)饣芈穪砭S持系統(tǒng)水質(zhì)的穩(wěn)定及壓力恒定。閥塔底部設(shè)計(jì)6個(gè)絕緣子支撐，有力保證整個(gè)閥體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表1 仿真選用的典型參數(shù)Tab.1 Typical parameters of adopted in the simulation

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地和接線Fig.6 Testing site and wiring

仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。由圖可見，仿真得到的三相電流波形均衡無振蕩沖擊，電流控制特性良好；模塊直流電壓基本穩(wěn)定在1 650 V附近，并且在一段時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)采用安捷倫示波器進(jìn)行測(cè)量，采用福祿克I3000s電流環(huán)測(cè)量電流。直流電壓的數(shù)值通過錄波裝置進(jìn)行記錄。

實(shí)際輸出電流波形和直流電壓數(shù)值的試驗(yàn)波形如圖8所示，從圖（a）來看，其電流波形與仿真波形一致，控制特性良好。由于試驗(yàn)環(huán)境所限及電流較小等因素，正弦度較差，存在一定諧波含量。

圖7 仿真波形Fig.7 Simulation waveforms

圖8 試驗(yàn)波形Fig.10 Testing waveforms

圖（b）中，模塊母線電壓由于測(cè)量條件所限，沒有進(jìn)行直接測(cè)量，但是通過后臺(tái)的錄波裝置直接記錄了108個(gè)子模塊的母線電壓值，與仿真數(shù)據(jù)相比，兩者基本一致，母線電壓都穩(wěn)定在1 650 V左右，均壓效果良好。

實(shí)地環(huán)境下的測(cè)試真實(shí)反映了實(shí)驗(yàn)室理論仿真的正確性，控制系統(tǒng)中模塊均壓控制算法與裝置的電流控制能力得到有力驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)±100 Mvar STATCOM實(shí)驗(yàn)原理的研究，通過Matlab/Simulink仿真及搭建真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)小電流并網(wǎng)的形式驗(yàn)證了裝置耐壓能力及電流控制特性，是一次全新的嘗試?；诘入娢辉?，提出“充電”與“放電”兩種模式，在裝置現(xiàn)場(chǎng)并網(wǎng)前對(duì)系統(tǒng)硬件及控制器進(jìn)行全面考量，有效地解決百兆乏STATCOM并網(wǎng)失敗對(duì)電網(wǎng)所造成的沖擊與破壞，對(duì)高壓大容量STATCOM成功并網(wǎng)具有指導(dǎo)意義。

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