汪浩川

（中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

目前，中高壓領(lǐng)域靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）的核心部分——電壓源變換器的研究主要集中在多電平變換器[1]。與其他類型的多電平變換器相比，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)變換器具有電路結(jié)構(gòu)靈活、便于模塊化設(shè)計(jì)、高壓大容量場(chǎng)合成本較低等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，非常適用于中高壓STATCOM。因此，鏈?zhǔn)絊TATCOM具有廣闊的發(fā)展前景和獨(dú)特的研究?jī)r(jià)值。

三相級(jí)聯(lián)多電平變換器從拓?fù)渖峡煽醋魇?個(gè)獨(dú)立的單相變換器。所以，從控制的靈活性角度而言，級(jí)聯(lián)多電平變換器非常適用于三相不平衡系統(tǒng)下的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)[4]。但是，與平衡系統(tǒng)情況不同，鏈?zhǔn)絊TATCOM在不平衡系統(tǒng)下面臨著一些特殊問(wèn)題，相關(guān)的控制策略也大不相同。從實(shí)際裝置的運(yùn)行情況來(lái)看，鏈?zhǔn)絊TATCOM工作環(huán)境的不平衡和裝置內(nèi)部直流電壓的不平衡往往是引起裝置故障的主要原因。所以，要充分發(fā)揮電能質(zhì)量調(diào)節(jié)作用，必須解決三相不平衡系統(tǒng)鏈?zhǔn)絊TATCOM的關(guān)鍵問(wèn)題。

部分文獻(xiàn)對(duì)電網(wǎng)不平衡時(shí)鏈?zhǔn)絊TATCOM采用的控制方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]在無(wú)功功率分序控制策略的基礎(chǔ)上，提出利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法對(duì)各個(gè)采集電氣量進(jìn)行正負(fù)序分解，構(gòu)建正序和負(fù)序等效電路，利用直接功率控制法對(duì)無(wú)功功率和不平衡負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，抑制了鏈?zhǔn)絊TATCOM接入不對(duì)稱電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電流。文獻(xiàn)[6]綜合考慮并網(wǎng)電壓不平衡和補(bǔ)償電流不平衡的情況，給出了星接串聯(lián)H橋多電平靜止同步補(bǔ)償器補(bǔ)償負(fù)序電流情況下電壓與電流向量的約束關(guān)系，提出了利用補(bǔ)償器三相最大輸出電壓來(lái)衡量其補(bǔ)償能力的方法。針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡和負(fù)載不平衡的工況，文獻(xiàn)[7]提出在系統(tǒng)電壓不對(duì)稱情況下將三相負(fù)載電流補(bǔ)償為單位功率因數(shù)或正序補(bǔ)償電流兩種情況下補(bǔ)償導(dǎo)納的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了不平衡電網(wǎng)電壓下三相不平衡負(fù)載電流平衡補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]研究了鏈?zhǔn)絊TATCOM的功率平衡控制策略，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，但沒有考慮到直流側(cè)電壓的控制。然而，和一般變換器直流側(cè)不同的是，級(jí)聯(lián)多電平變換器直流側(cè)電容是分開控制的。在配電網(wǎng)電壓不平衡條件下，級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)STATCOM的直流電壓故障暫態(tài)過(guò)程中更容易出現(xiàn)不平衡而失穩(wěn)，這在之前的文獻(xiàn)中研究較少。此外，在STATCOM對(duì)不平衡電壓補(bǔ)償后到達(dá)穩(wěn)態(tài)會(huì)受到擾動(dòng)而影響穩(wěn)定性，如何通過(guò)自身控制參數(shù)的優(yōu)化來(lái)提高STATCOM的穩(wěn)定性的研究也非常少。

本文主要研究不平衡電網(wǎng)條件下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的控制方法和對(duì)外表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特性。全文各章節(jié)安排如下：第1節(jié)研究鏈?zhǔn)絊TATCOM的基本結(jié)構(gòu)和控制方法；第2節(jié)研究鏈?zhǔn)絊TATCOM的穩(wěn)態(tài)特性，分析其輸出電壓的諧波含量和子模塊直流電壓均衡效果；第3節(jié)研究鏈?zhǔn)絊TATCOM的動(dòng)態(tài)特性，分析控制環(huán)路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響；第4節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

1 鏈?zhǔn)絊TATCOM結(jié)構(gòu)和控制方法

1.1 鏈?zhǔn)絊TATCOM的結(jié)構(gòu)

本文采用的級(jí)聯(lián)型多電平H橋逆變器構(gòu)成鏈?zhǔn)絊TATCOM的主電路如圖1所示，每相由3個(gè)H橋變換器級(jí)聯(lián)而成，三相之間采用星形或三角形連接。該變換器可以推廣應(yīng)用于其他各種類型（APF、UPFC、DVR等）電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中。

圖1 級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制方法

鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制方法如圖2所示。采用內(nèi)、外環(huán)級(jí)聯(lián)控制，外環(huán)為直流電壓控制和無(wú)功控制，內(nèi)環(huán)為矢量電流控制。圖2中，Udc表示直流側(cè)電壓，Qt表示輸出無(wú)功，io和uo分別表示輸出電流和電壓，ug表示電網(wǎng)電壓，L表示濾波電感，下標(biāo)d、q分別表示在d、q軸上的分量，上標(biāo)*表示指令值，θpcc表示公共連接點(diǎn)（PCC）電壓的相位。

圖2 鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制系統(tǒng)框圖

圖2中的STATCOM輸出電壓dq軸分量uod和uoq可以表示為：

其中，kmsta表示調(diào)制比，αsta表示輸出電壓相角。

直流側(cè)電流可以表示為：

進(jìn)一步地，可以得到如下關(guān)系：

其中，Cm表示直流電容，Rm表示考慮STATCOM主電路損耗的等效電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓相角αsta，可以調(diào)節(jié)直流電壓的穩(wěn)定；通過(guò)改變調(diào)制比kmsta，可以控制端電壓的穩(wěn)定。

鏈?zhǔn)絊TATCOM子模塊直流電壓的均衡控制方法是通過(guò)微調(diào)每個(gè)模塊的有功功率實(shí)現(xiàn)每相每個(gè)模塊直流電壓平衡。圖3顯示了電網(wǎng)不平衡下直流電壓均衡控制方法，其中Vca1、Vca2、Vca3分別表示A相3個(gè)子模塊的直流電壓，Uacom、Ubcom、Uccom表示對(duì)每相的補(bǔ)償電壓，θi表示電流相角。在A相中，子模塊直流電壓Vca1、Vca2、Vca3與平均直流電壓（Vca1+Vca2+Vca3）/3作差，誤差輸入到PI控制器，輸出變量為ΔVca1、ΔVca2、ΔVca3。將這些變量與A相的參考電流irefa相位的正弦相乘，得到補(bǔ)償電壓值Uacom、Ubcom、Uccom。將補(bǔ)償值加到每一子模塊的輸出電壓，可以得到子模塊所需要產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)載波移相調(diào)制策略得到驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)。

3 鏈?zhǔn)絊TATCOM的穩(wěn)態(tài)仿真分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，在MATLAB/Simulink環(huán)境中構(gòu)造了一個(gè)鏈?zhǔn)絊TATCOM仿真系統(tǒng)，如圖4所示。該STATCOM系統(tǒng)通過(guò)連接電抗連接到三相電網(wǎng)，并且三相電網(wǎng)的電壓幅值大小可調(diào)，以模擬電網(wǎng)不平衡的工況。參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380 V，頻率50 Hz，STATCOM容量28.5 kVar，連接電感7.2 mH，電感內(nèi)阻0.15 Ω，直流側(cè)電容電壓90 V。為驗(yàn)證系統(tǒng)在較低開關(guān)頻率下也能取得較好的補(bǔ)償效果，器件開關(guān)頻率僅取500 Hz；每相3個(gè)完全相同的全橋逆變器模塊級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)多電平逆變器等效開關(guān)頻率為8 kHz。采用基于正負(fù)序控制和子模塊直流電壓均衡控制結(jié)合的控制方法，在電網(wǎng)不平衡下對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM子模塊直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)波形等進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

圖3 鏈?zhǔn)絊TATCOM直流電壓均衡控制框圖

圖4 鏈?zhǔn)絊TATCOM的仿真系統(tǒng)圖

圖5顯示了A相輸出電壓波形及其頻譜分析。在0～18 kHz的范圍內(nèi)對(duì)A相電壓波形進(jìn)行FFT分析，得到其THD為9.02%。從頻譜分析可以看出，低次諧波含量非常少，高次諧波則主要集中在8 kHz附近，等效開關(guān)頻率提高到實(shí)際開關(guān)頻率的16倍。分析結(jié)果表明，輸出電壓在中低頻帶諧波含量少，諧波畸變率較低，有利于鏈?zhǔn)絊TATCOM的正常運(yùn)行。

圖5 A相輸出電壓波形頻譜分析圖

圖6表現(xiàn)了鏈?zhǔn)絊TATCOM單相的3個(gè)子模塊的直流電壓在三相不平衡的工況下的直流電壓響應(yīng)波形。在0.8 s加入直流電壓均衡控制，計(jì)算Uacom、Ubcom、Uccom對(duì)每相輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)子模塊直流電壓都能控制在220 V，均衡效果良好。由圖6可知，單相三鏈接的直流電壓基本可以穩(wěn)定在220 V，有二倍頻波動(dòng)，不過(guò)波動(dòng)很小，影響不大。

圖6 鏈?zhǔn)絊TATCOM各子模塊直流電壓響應(yīng)波形圖

圖7顯示了不平衡工況下鏈?zhǔn)絊TATCOM的輸出電壓和電流的穩(wěn)態(tài)波形。圖7（b）顯示的輸出電壓與圖7（a）的電網(wǎng)電壓在同一相位上，表明鏈?zhǔn)絊TATCOM對(duì)外輸出無(wú)功功率，基本不發(fā)有功功率。圖7（c）顯示的是STATCOM的輸出電流，其穩(wěn)態(tài)波形接近于正弦波。由圖7可知，輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)的7階梯波，輸出電流沒有振蕩，在可以接受的范圍。

圖7 不平衡工況下鏈?zhǔn)絊TATCOM輸出電壓、電流波形

4 動(dòng)態(tài)特性分析

基于建立的仿真模型，研究鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)的小信號(hào)動(dòng)態(tài)特性。在鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，在電網(wǎng)側(cè)設(shè)置負(fù)荷突變的擾動(dòng)，觀測(cè)在直流電壓環(huán)和鎖相環(huán)設(shè)置不同控制帶寬下鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)受擾動(dòng)后控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

通過(guò)改變直流電壓環(huán)的PI控制參數(shù)，設(shè)置不同的直流電壓環(huán)帶寬（ωUdc1=3.2 Hz、ωUdc2=14.5 Hz、ωUdc3=28.7 Hz），記錄鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖8所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓在3 s時(shí)受到擾動(dòng)后，輸出無(wú)功功率和子模塊直流電壓產(chǎn)生振蕩。直流電壓環(huán)帶寬不同的情況下，所觀察到的電氣量的超調(diào)量和恢復(fù)時(shí)間也不同。隨著直流電壓環(huán)帶寬的增加，系統(tǒng)超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間減小，但是無(wú)功功率的諧波會(huì)增加。因此，在一定范圍內(nèi)增加直流電壓環(huán)帶寬有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 不同直流電壓控制參數(shù)下STATCOM動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

通過(guò)改變鎖相環(huán)的PI控制參數(shù)，設(shè)置不同的鎖相環(huán)帶寬（ωpll1=2.2 Hz、ωpll2=12.4 Hz、ωpll3=25.8 Hz），記錄鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖9所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓在3 s時(shí)受到擾動(dòng)后，輸出無(wú)功功率和子模塊直流電壓隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，在鎖相環(huán)帶寬ωpll2=12.4 Hz時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間較??；在鎖相環(huán)帶寬ωpll1=2.2 Hz和ωpll3=25.8 Hz時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間均會(huì)變大。因此，鎖相環(huán)的帶寬調(diào)節(jié)不宜太大或太小，適中比較合適。

圖9 不同鎖相環(huán)控制參數(shù)下STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

基于提出的控制策略，研究鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)在不同無(wú)功功率輸出情況下的小信號(hào)動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)改變系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率大小（Q1=0.6 p.u.、Q2=0.7 p.u.、Q3=0.8 p.u.），記錄鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率和A相子模塊直流電壓波形，如圖10所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓在3 s時(shí)受到擾動(dòng)后，輸出無(wú)功功率和子模塊直流電壓產(chǎn)生小振蕩后迅速恢復(fù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著輸出無(wú)功功率增大，系統(tǒng)超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間均會(huì)變大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

圖10 不同無(wú)功功率輸出下STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

5 結(jié) 論

本文研究了三相電網(wǎng)電壓不平衡工況下鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制方法和動(dòng)態(tài)特性。在常規(guī)控制方法基礎(chǔ)上，提出了正負(fù)序控制和子模塊直流電壓均衡控制結(jié)合的策略，使鏈?zhǔn)絊TATCOM在電網(wǎng)不平衡時(shí)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。在三相配電網(wǎng)電壓不平衡下，對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行FFT分析，發(fā)現(xiàn)輸出電壓在中低頻帶諧波含量少，諧波畸變率較低，子模塊直流電壓均衡效果較好，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。進(jìn)一步，對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，適當(dāng)提高直流電壓環(huán)帶寬和適中設(shè)置鎖相環(huán)帶寬，有利于提高鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償性能。