STATCOM系统

STATCOM系统（通用7篇）

STATCOM系统 篇1

井下和地面电力系统基本上是一样的,在井下频繁使用大功率电动机会使得电力系统负载急剧上升。无功功率传输会在输电线路中产生很大的的有功损耗,这样电压就会在输电线路末端降低,井下电网功率上升,在输电网路的安全性一定程度上降低和电能使用效率。矿井下的工人和设备矿产品等都是靠提运系统来进行运输的,提运系统在使用的过程中要随时启动停止加减速,无用功在提运系统的使用过程中的变化很大,能造成电力系统的主线电压不稳定,造成供电系统功率因数低,致使大量的电能严重浪费,进而影响电网系统中的用电设备。实践中,基于对井下电网布设情况综合考量,笔者建议采用无功补偿手段,来提高其输电能力,使无功损耗得以降低。值得一提的是,矿井电力系统中,建议采用STATCOM无功补偿技术方法,从应用效果来看非常的显著。

1 无功补偿技术概述

所谓无功补偿,电网的功率因数是依靠无功补偿来提升的,以此保障电能有效应用。以接入方式和方法为依据,电网以及无功补偿设备和的接入存在较大的差异,通常情况下包括两种,一种是串联型补偿方式,另一种则是并联型补偿方式。前者是将电容、电抗器等串联起来使用,以实现无功补偿之目的。然而,该种无功补偿方式,可能会造成电网的不稳定和安全性;后者是将电容、电抗器等并联在电网系统之中,操作方便,对电网系统影响不大。实践中,根据补偿量变化情况做出适当的调节,既可以采用静态式的无功补偿(即所谓的STATCOM),也可以采用动态式的无功补偿。其中,STATCOM技术只要功能是采用不同种类的电抗、电容器实现无功处理,从而稳定电网功率因数。对于动态式的无功补偿设备而言,依靠功率因数变化情况,动态的利用电容器对无功进行优化处理。就静态无功技术而言,其采用多种类型电抗或者电容器来处理多余的无功的能力,STATCOM技术主要是采用晶闸管很好的控制能力以达到可以安全可靠的控制电气元件,快速的判断能力是晶闸管的功能特征,迅速反应控制信号。与此同时,STATCOM技术不用使用人为接触来保证控制件的判断,STATCOM技术判断次数理论上会受到一定的局限。实践中,一旦电网电压出现波动,此时无功补偿器可以迅速作出调整,来对电网系进行动态的无功补偿。同时还可以对三相电路进行分相无功补偿,具有很强的适应能力来应对冲击负荷以及三相不平衡负荷,以此来提高无功冲击应对效果。

2 矿井电力系统中的STATCOM无功补偿机理分析

STATCOM矿井无功补偿技术其工作原理是直接调节电压和电流与相角,来达到实时动态处理无功电流,实现电网功率因数稳定的目标,以此能动态的对电网系统运行进行无功补偿。在此过程中,STATCOM技术应用时,基于IGBT以及GTO电气元件应用基础上的逆变电路,将直流电压有效的转变成电压频率一致的交流侧电压。在矿井STAT-COM无功补偿技术应用过程中,输出电流不会对电网电压产生影响,无功补偿在电网电压的情况下尤其明显,传统无功补偿技术跟与STAT-COM矿井无功补偿技术对比,STAT-COM矿井无功补偿技术的响应快、移动方便等优点,能实时处理无功电流,以保证电网安全稳定运行。

在感性或荣性工况的工作情况下,STATCOM都可以安全稳定运行,在感性工况和荣性工况有不同的相量图,如图1所示。由表中得出,经STATCOM的交流电压,以UI表示,US表示为基于STATCOM技术的电网系统运行时的电压,UL表示的是等效阻抗电压,Φ表示为阻抗角。δ表示US以及UI间相位差,δ正值时代表的是因US滞后UI所致;当前为δ为负值时,则是因US超前UI导致的。

当US高过UI的工况下,则STATCOM处在容性工作下,煤矿电网电压US延迟于电流I,STATCOM进行感性的无功,提供给煤矿电网无功补偿,以此电网的功率因数的到稳定恒定。

当US延迟于UI时,说明STATCOM正在处于一种感性运作状态,当矿井电压US超过电流I时,则STATCOM进行容性的无功,供给矿井电网无功补偿,从而稳定电网的功率因数。实践中,如果STATCOM技术对矿井电网系统发出感性无功功率,那么电网功率因数会维持恒定状态,Q=3US22rsin2δ为无功功率的表达方程式。在表达方程式中,Q代表STATCOM对矿井电网发出总无功功率。如果δ>0,那么Q为正值,此时STATCOM向矿井电网系统发出容性无功;如果δ<0,那么Q为负值,此时STATCOM向矿井电网发出感性无功。基于上述公式对其进行计算,通过δ调解数值正负,这样可以实现对矿井电网的无功多余无功处理,一旦出现无功缺少现象,则可及时给出无功。对δ值进行适当的调整,可以实现平滑的调解STATCOM向煤矿电网给出容性或者感性无功数。但电流源、电压源在实际运行过程中,无需有功支持。电网系统容性或者感性状态时,STATCOM交流变电压以及电流,均为正交。

3 STATCOM矿井无功补偿技术实践

STATCOM电流利用数字信号处理器(DSP)强大处理能力间接调整,主要包括DSP、高精度电压互感器、高精度电流互感器等,STATCOM的直流侧电容的电压和三相电压源的电压的测量主要是依靠高精度电压互感器V1、V2进行的;电网电流、负载电流和STATCOM交流边电流是通过高精度电流互感器A1、A2、A3分别来测量;利用低通滤波器来对电压互感器和电流互感器输出信号进行滤波处理,低通滤波器输出的信号采用芯片转换成数字量后发给DSPDE的端口,DSP进行内部运算得到补偿角δ,同时信号同步给电网电压,从而发出命令触发脉冲,把逆变桥通顺。在STATCOM煤矿电网无功补偿中的数据运算和调整是真个调整过程的重中之重,通过对电压、电流等的运算,将触发脉冲用DSP为主的调节单元得以完成。调节单元的响应和安全性将关乎整个煤矿电网的无功补偿有效性。调节单元的结构大多选择数字信号处理器作为调节部分的核心,反馈的信号只要使用在采集的煤电电网的信息,可以采用编程逻辑器件使用在产生触发脉冲,输入的控制指令的方式只要用键盘,系统的参数和当前状态主要用显示器显示。

结束语

电网的智能化于矿井的智能化事先下采矿领域趋势所在,电力系统的无功实时测量与有效补偿是智能化电力系统发展势必所在。在结合基STATCOM矿井无功补偿技术工作原理基础上,进行电力系统无功补偿的设计,当中包含电参数测量电路、无功调节电路等数据。经过实践分析:STATCOM矿井无功补偿系统可以依靠电力系统实时运行状况来进行调解无工量,此系统的测量精度高、反应迅速、稳定性好等优点,满足矿井电网对无功补偿的需求。

摘要：我国采矿企业中运用的功耗最大和大范围的功率设备矿井电气设备,矿井电气系统在使用过程中需要经常启动关闭,在工作过程中它需要频繁的启动、运行和停机,这样就会给煤矿电力系统带来很严重的无功冲击。本文主要分析无功补偿技术原理,对于无功补偿技术对矿井电力系统特点进行研究,并且设计STATCOM矿井无功补偿系统和调整单元,对于提高矿井电能安全运行和提高生产效率具有重大的意义。

关键词：矿井,提运系统,电动机,STATCOM,无功补偿

参考文献

[1]朱剑锋,陈立东,刘磊.基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术[J].新型工业化,2016(11).

[2]柏建勇,刘雨佳.基于MRAS观测器的PMSM无速度传感器模型预测电流控制[J].新型工业化,2015(9).

[3]刘全周,李占旗,张蕾.基于硬件在环技术的DCT控制器测试评价技术研究[J].新型工业化,2015(8).

STATCOM系统 篇2

为改善电能质量、促进柔性输电,国内外学者已提出多种FACTS装置,并被广泛应用于电力系统中[1]。随着储能技术的发展,将FACTS装置与低成本的储能系统相结合以提高性能、扩展功能已成为FACTS技术发展的新方向[2]。

静止同步补偿器STATCOM作为一种新型无功补偿装置,由于动态响应快、运行范围宽、谐波含量少等诸多优点,是目前应用最广、研究最热的FACTS装置[3,4,5,6,7,8]。

传统STATCOM由直流侧电容和电压型逆变器组成,为保证输出电压的幅值,稳态时需要从电网吸收一定的有功功率补偿自身损耗以维持直流测电压,所以不具备有功调节能力,不能向电网注入有功功率。

近年来,已有学者对结合储能系统的STATCOM进行了研究[9,10,11,12,13,14,15],结果表明:结合储能系统后,STATCOM的运行范围由一维扩展到了二维[9];可同时调节无功功率与有功功率,实现对系统的四象限补偿[10];直流侧电压基本恒定[10];可提供瞬态有功支撑,提高系统暂态稳定性[11,12];采用多电平技术时无需调节直流侧电容电压[13,14,15];可在白天电费高时放电,夜晚电费低时充电,为用户节省电费。

目前,常用的储能技术包括飞轮储能、超导储能、燃料电池储能以及蓄电池储能等。本文提出一种结合蓄电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)的STATCOM(以下简称STATCOM/BESS)。与以往研究不同,本文为实现无功功率与有功功率的独立调节,采用旋转坐标系下的电流解耦控制方法,并给出了PI参数的整定原则。仿真与实验结果验证了文中理论分析的正确性和控制方法的可行性。

1 工作原理

图1给出了STATCOM/BESS的拓扑结构。图中蓄电池直接并联在直流侧电容的两端,所以在运行时装置的直流侧电压近似恒定。由于蓄电池提供了有功支撑,所以STATCOM/BESS可被视为输出电压的幅值与相位均可调的电压源,可实现对系统的四象限补偿。

图2为四象限工作模式对应的相量图(只考虑基频)。图中分别是装置电压与系统电压的相量;为输出电流相量;X为连接电抗;电阻R与电抗X串联,代表线路损耗及装置的开关损耗。由图2可看出,通过改变输出电压的大小和相位即可改变装置输出的无功功率与有功功率,从而实现四象限补偿。

2 数学模型

图3为STATCOM/BESS的等效电路。图中vabc、eabc分别是系统与装置的三相电压;蓄电池被等效为理想直流源串联内阻Rs。

以下推导基于三点假设:1)系统电压对称;2)忽略电流与电压的谐波;3)忽略装置的自身损耗。由图3得

设E、V分别为eabc与vabc的幅值;m为调制比,k=m/2;为eabc超前vabc的相位角,所以式(1)中

对式(1)做dq变换,变换矩阵为

变换后的方程为

其中

将式(6)代入式(5)得

系统侧的潮流可表示如下

STATCOM/BESS的直流侧方程为

由式(10)得

根据能量守恒原理得

将式(6)、式(11)代入式(12)得

将式(13)与式(7)合并得出STATCOM/BESS的数学模型为

3 控制方法

STATCOM/BESS的控制方法可采用旋转坐标系下的电流解耦控制,该方法可有效实现无功功率与有功功率的分别调节,且动稳态性能均令人满意。

由式(6)得

由式(5)得

由上式可看出,电流id、iq间存在耦合关系。令

所以

利用变量x1、x2即可实现电流的解耦,即令

具体控制框图如图4所示。

图中STATCOM/BESS采用载波调制,可保证控制的实时性。在工作过程中,STATCOM/BESS可在充电模式与放电模式之间转换,如在夜晚电费低时充电;在白天电费高时放电。图中Pch、Pdis分别是蓄电池的额定充放电功率;系数0.6与1.4用来为装置的自身损耗留出裕量;Unom、Umax分别是蓄电池的额定电压与满电电压。

图5为电流id、iq的等效控制框图。

其开环传递函数为

令

则闭环传递函数为

可见闭环系统为一阶惯性环节,其动态响应时间约为

可通过式(26)与式(28)整定PI参数。

4 仿真结果

为验证STATCOM/BESS的有效性,本文采用Matlab对其进行了仿真,仿真参数如表1所示。

图6为负载由感性转为容性时的仿真结果。此时蓄电池放电,注入系统的有功功率为19.8 k W;负载的有功需求为39.6 k W,无功需求由52.8 kvar变为-52.8 kvar。

由图可见系统只需输出19.8 k W的有功功率,负载所需的无功功率被STATCOM/BESS动态补偿,且稳态误差为0,暂态响应时间约12.5 ms,与理论分析一致。

图7为蓄电池由放电转为充电时的仿真结果。此时负载为感性,有功需求为39.6 k W,无功需求为52.8 kvar;STATCOM/BESS由向系统注入19.8k W的有功功率转为吸收等量的有功功率,导致系统输出的有功功率由19.8 k W变为59.4 k W。

5 实验结果

实验参数如表2所示,装置直流侧串联两个蓄电池,其他参数与表1相同。实验采用有功需求为18 W、无功需求为24 var的感性负载。

图8为蓄电池放电时的实验结果。此时STATCOM/BESS在补偿负载的无功功率的同时向系统注入12 W的有功功率,导致系统只需输出6 W的有功功率。

图9为蓄电池充电时的实验结果。此时STATCOM/BESS在补偿负载的无功功率的同时从系统吸收12 W的有功功率,导致系统输出30 W的有功功率。

6 结论

STATCOM系统 篇3

随着分布式电源数量和容量的日益增加,其发电功率的随机性、间歇性、季节性等特点使得局部电网无功功率波动问题更加突出; 电弧炉、电气化铁路等非线性、不平衡负荷的增加,对电网电压波动和畸变等影响也不断增大。输电系统采用FACTS技术可在一定程度上改善电压波动和不稳定问题,然而与用户直接相连的配电网结构复杂,负荷波动性大,故障发生几率高,供电电压的波动和不稳定程度更为严重,对供电质量和用户用电的安全性和经济性造成较大影响,所以有必要在配电网中采用新的技术来改善其电压波动和不稳定,满足用户对供电电压的要求。

用于配电网的D-STATCOM以配电系统无功补偿和电能质量控制为主要目标,可调节公共连接点( Point of Common Coupling,PCC) 处的电压幅值,有效解决电压波动和不稳定问题。文献[1]研究表明,在配电变电站低压侧安装多套小容量无功补偿设备比在输电系统或者变电站集中安装高压大容量无功补偿装置具有优越性; 文献[2,3]报道了利用D-STATCOM改善澳大利亚远距离配电农网中的电压调节性能,取得了不错的效果。但如何进行D-STATCOM容量合理配置是一个较为困惑的问题。

本文基于D-STATCOM的结构和工作原理,研究了D-STATCOM配置容量的实用方法,并以广东典型配电站为例对应用D-STATCOM效果进行分析。

2 D-STATCOM 的结构和工作原理

D-STATCOM按其直流侧储能元件不同,分为电压型和电流型两种。前者直流侧以电容为储能元件,主电路采用三相电压源桥式变换电路[4]( 如图1所示) ,将直流电压变为交流电压,再通过串联电抗器接入电网,电抗器起到阻尼过电流、滤除纹波作用; 后者直流侧以电感为储能元件,主电路采用电流源变换电路,将直流电流逆变为交流后送入电网,并联于交流侧的电容器可吸收换相产生的过电压。由于电流型D-STATCOM运行效率较低,工程应用中投入运行的绝大部分是电压型,本文以电压型为例说明D-STATCOM的工作原理。

图2( a) 为D-STATCOM单相等效电路结构图,Us为电网电压,Uc为D-STATCOM交流侧电压,两者相位差为δ; R和X分别为D-STATCOM等效电阻和电抗。由于变流器运行时无需有功能量,电流I与Uc的相位差应为90°。当I超前( 或滞后) Uc时,D-STATCOM吸收容性( 或感性) 无功功率( 如图2( b) 所示) 。

设Us为参考相量,由图2( a) 可得到:

忽略电阻R时可得到:

则电网向D-STATCOM提供的复功率为:

结合图2,还可得到电流无功分量如下[5]:

无功补偿无功功率大小为:

因此,只要适当控制δ值,就可动态调节D-STATCOM输出无功电流大小及其性质。

3 D-STATCOM 配置容量确定方法

3. 1 无功补偿配置方式分析

对于冲击源接入的变电站,如全部由电容器和电抗器补偿,由于其补偿采用自动电压控制( Auto-matic Voltage Control,AVC) 策略,要求无功补偿装置投切动作间隔不能小于5min,否则会严重缩短补偿装置的开关寿命。此外,部分冲击源功率瞬间可达到最大负荷水平,一般电容电抗器来不及投切,需配置一定容量的动态无功补偿。综合考虑投资费用及动态无功补偿装置在现有技术水平下的容量限制要求,无功补偿配置全部为D-STATCOM不大现实。

为提高D-STATCOM的无功补偿范围,在提高补偿效果的同时减小设备投资费用,推荐将静态无功补偿装置与D-STATCOM配合使用。分析确定D-STATCOM配置容量时,首先应了解补偿点的最大无功功率值,以确定无功配置的总容量; 其次,在静态无功补偿和D-STATCOM补偿配合使用时,建议D-STATCOM的配置容量略大于静态无功补偿容量。当接入点电压水平长期偏低时,可先投入电容器,再利用D-STATCOM进行动态调节; 当接入点电压水平长期偏高时,可退出电容器,必要时投入电抗器,再利用D-STATCOM进行动态调节。

3. 2 根据无功电量确定无功补偿配置容量

采集冲击源典型工作日一天的无功功率大小,数据采集周期Δt尽量小,单位为分钟。将采集的无功数据按照数值大小和持续时间排列,数据相近的进行归类并以均值表示,可得到无功功率日持续曲线,如图3所示。

记t0为一天内负荷工作总时间,则用数学函数拟合无功功率日持续曲线,可得到无功功率与时间关系曲线Q( t) ,如图4所示。

根据无功补偿就地平衡原则,理想状态下接入点的无功量应控制为0。由图4可见,安装的静态无功补偿容量Qc1和动态无功补偿容量Qc2应不小于冲击源无功功率最大值Qm; 时间tc之后为静态无功补偿过补偿状态,此时并非冲击源的实际无功需求,这种需要由动态无功补偿运行在感性状态来抵消电容器过补偿的无功电量应越小越好。若以无功电量WQ( 图4中阴影部分的面积) 来衡量动态无功补偿工作在感性无功补偿所吸收的无功电量,显然WQ越小,总体无功补偿配置中重复配置的量也就越小,技术经济性就越好。

由此确定综合无功配置的目标函数及其约束条件分别为:

式中,t为时间; Q( t) 为一天内无功负荷与时间的函数关系; C为无功补偿预投资费用; C1、C2分别为静态无功补偿装置与动态无功补偿装置投资代价系数。

求解上式即可得到冲击源接入点的理想无功补偿配置容量,包括静态无功补偿和D-STATCOM配置容量。值得说明的是,为了使得电容器补偿过剩( 即图中tc点之后情况) 时,D-STATCOM能最大程度实现接入点的无功就地平衡,要求Qc1≤Qc2。

3. 3 根据冲击源的无功损耗量确定配置容量

该方法主要适用于风电场等分布式发电的冲击源。由于风电场中风机数量较多,发电后要进行升压并且通过集电线路送到并网点,并网点处还有升压变无功损耗,该过程将产生较大的无功损耗,而风电场出力波动时该无功损耗也随着变化,从而导致并网点的电压波动[6]。因此,无功补偿配置容量应在风电场出力满发时满足:

式中,Qc为无功补偿容量; QG为风电场无功出力;QGT为机组升压变总无功损耗; QL为集电线路总无功损耗; QT为并网点升压变总无功损耗。

实际上,风电场出力波动时会导致并网点与中枢变电站之间线路损耗变化,从而影响并网点电压。如要保证并网点电压水平不变,其并网点变电站的无功补偿配置容量应适当增加。

3. 4 根据 PCC 点电压波动限制确定配置容量

对于电网络中每个节点,均可用短路容量来表征其与电源点的联系紧密程度,因此可用图5所示的短路阻抗等值电路进行分析。

由电压损耗近似计算公式可以得到负荷波动前后PCC点的电压分别为:

式中,V0为电源点电压; V1为当负荷为P + j Q时PCC点电压,ΔV1是此时PCC点和电源点之间的网络电压损耗; V'1为当负荷功率波动后PCC点电压,ΔV'1是相应的网络电压损耗; Rk+ j Xk为短路阻抗; ΔP + jΔQ为功率波动量。

设ΔV为节点1的电压波动量,即ΔV = V1-V'1,从而由式( 9) 和式( 10) 可推导得:

因此解得:

令ΔS为冲击源接入点视在功率波动量,则:

式中,φ为冲击源功率因数角。

由式( 11) 和式( 13) 可得:

当ΔV取PCC点的最大电压波动量ΔVmax时,可得到其允许的功率波动幅值ΔSmax为:

根据冲击源的功率特性和联系数方法[7],冲击源功率SL可以分为平稳部分Ss和波动部分Sim,波动变化的特性可以通过随机算子i来反映,即有:

对于Ss,可采用一般电容器补偿,记补偿容量为Qc1,而对于具有波动随机性的Sim,则可以配置D-STATCOM,记补偿容量为Qc2。电容器补偿后,若PCC点的电压偏移量仍超出允许范围,则动态无功补偿配置容量应该至少满足补偿后i Sim最大值与ΔSmax差值引起的电压偏移为零。

由此得到确定D-STATCOM的补偿配置容量步骤如下:

( 1) 根据冲击源平稳功率Ss,由式( 12) 得到电压偏移ΔVs,将ΔVs代入式( 15) 并将有功功率设置为零,则可以得到静态无功补偿配置容量Qc1;

( 2) 根据PCC点电压允许偏移值ΔVpcc,由式( 16) 可得PCC点允许功率波动量ΔSmax;

( 3) ΔSmax与Si m最大值之差得到功率波动越限量,类似于步骤( 1) ,则可得到Qc2。

3. 5 各种配置方法评价

根据无功电量确定无功补偿配置容量的方法可根据冲击源负荷性质直接计算得到静态 /动态无功配置方案,由于是基于无功平衡而未兼顾电压控制的需求,其主要适应于电能质量问题不突出的配电网。

根据冲击源的无功损耗量确定配置容量的方法针对风电场发电环节的无功损耗进行补偿,考虑的因素较少,据此确定的无功补偿容量往往不能满足调压的需求,通常用于无功补偿投资预算较保守的情况。

根据PCC点电压波动限制确定配置容量的方法的立足点是避免冲击源功率波动带来配电网的电压越限,因此主要适用于风电场等分布式发电的冲击源,且配电网的电压波动受分布式发电影响较为严重的场合。

4 D-STATCOM 应用效果仿真分析

4. 1 分布式电源接入配电网时的仿真分析

接入了新兴风电场的某市兴瑶片区电网结构如图6所示,风电场装机总容量为47. 6MW,出力曲线如图7所示。由于风电场采用异步发电机,对有功无功控制性能较差,风电出力曲线波动较大。

在风电场配置容量为±9Mvar的D-STATCOM后,仿真分析D-STATCOM投入前后片区内各变电站10k V电压水平,如图8所示。显然,D-STATCOM接入风电场后,接入点的无功波动明显变小,各站电压波动程度也相应变小。

4. 2 冲击负荷接入配电网时的仿真分析

本节主要以轧钢厂中的电弧炉负荷接入某市长安片区配电网时的无功配置进行分析。长安片区高压配电网以220k V长安站为辐射中心,下接有5座110k V变电站。2012年片区最大负荷548MW,总体负荷水平较高。长安片区网架结构如图9所示。

在长安片区草围站110k V母线接入钢厂电弧炉负荷,此时马达 负荷占母 线有功负 荷比例为80% 。电弧炉负 荷的功率 最大值为29. 81 +j10. 84MVA,稳态值为18. 0 + j8. 7MVA,冲击高峰时刻为1s,稳态起始时刻为2s,功率曲线如图10所示。

在草围站10k V母线接入 额定容量 为±3. 5Mvar的D-STATCOM,采用定电 压控制。D-STATCOM投入前后片区内各站10k V电压水平如图11所示。D-STATCOM接入前,在冲击负荷冲击作用下,接入点电压跌落较大; 接入D-STATCOM后,系统整体电压都可维持在较高水平,且具有较好的动态效应,比接入前电压恢复得更快。

5 结论

( 1) 分布式电源、冲击负荷等特殊负荷对电网的影响主要表现为电压的暂态变化,D-STATCOM等动态无功补偿可较好抑制电压的暂态波动。

( 2) 为提高D-STATCOM的无功补偿范围,提高补偿效益同时减小设备投资费用,可考虑将静态无功补偿装置与D-STATCOM配合使用。

( 3) 对冲击源接入点的动态无功补偿配置容量的选择,可采用无功电量、无功损耗量及PCC点电压波动限制等方法进行确定。

( 4) 从应用效果分析可知,D-STATCOM补偿后的电压质量能得到提高,补偿效果较好。

摘要：配电网结构复杂,负荷波动性大,易造成供电电压的波动和不稳定,严重影响到供电质量和用户用电的安全性和经济性。本文简要介绍了D-STATCOM的结构和工作原理,分别提出了根据无功电量、冲击源的无功损耗量和PCC点电压波动限制确定D-STATCOM配置容量的实用方法,指出了各种配置方法的适用场合,对D-STATCOM在广东电网变电站中的应用效果进行了分析,研究表明D-STATCOM可有效解决近区电网的电压波动和不稳定问题。

STATCOM系统 篇4

与传统基于晶闸管的静止无功补偿器(SVC)相比,基于可自关断器件的静止同步补偿器(STATCOM),由于其开关频率高、控制特性好、谐波含量低、能够抑制次同步谐振等优点,更加适合于输配网的电能质量补偿,受到越来越多的关注[1,2,3]。

电力系统中存在工业交流电弧炉、电石炉、电气化铁路等大容量不平衡负载,故STATCOM在设计和应用中要考虑对实际电力系统同时进行无功和负序电流补偿。考虑到器件耐压水平的限制,三相桥式拓扑STATCOM只适用于低压配电系统中。 而在中高压输配电系统中,需要采用结合多电平和模块化技术的变流器拓扑。常见有采用Y形连接的H桥级联链式拓扑和 △ 形连接的H桥链式STATCOM。对于H桥链式STATCOM,已有很多关于其建模、仿真、控制、试验等方面的研究成果, 其中最受关注的是链式STATCOM的直流电容电压的均衡控制问题[4,5,6,7,8,9],但基本都假设为系统电压和负载电流完全对称且不存在谐波的理想工况。

重复控制和无差拍控制等非线性方法也被引入到链式STATCOM的控制当中,以增强系统的动态特性和稳定性[10,11]。在链式STATCOM的基本控制策略中,加入反故障动态控制,能够应对系统不对称和系统电压突降等异常情况[12,13]。而通过对电网电压不对称情况下STATCOM的运行特性进行分析,可实现系统电压不对称对STATCOM正常运行的不利影响,甚至还可通过控制对电网电压进行不平衡补偿[14,15,16,17],但无法解决不平衡负载的负序电流补偿问题。

由于△形链式STATCOM三相输出电流可独立控制,故其在不平衡负载负序电流补偿领域受到了较多的关注。 文献[18]提出利用 △ 形链式STATCOM进行负序电流补偿的控制方法,并通过仿真和一台100V/5kVA的STATCOM等比例样机得以验证。文献[19]根据瞬时无功功率理论,依据几何相量图法实现了△形链式STATCOM相电流指令的快速提取。上述方法都只适合于△形链式STATCOM,不能推广至Y形链式STATCOM。

Y形链式STATCOM由于存在无法输出零序相电流的约束条件,对其补偿不平衡负载电流的研究较少。通过在常规控制方法中加入换流链零序电压的控制,可使STATCOM中性点N与电网中点之间存在电压差,从而同时实现无功和负序电流的输出[20]。 由于该方法在分析过程中完全忽略了STATCOM自身的损耗及其在三相H桥链分布的不均匀,故其基于功率平衡的理论基础还存有可供商榷之处。

针对不同拓扑STATCOM在负序电流补偿能力上的差异,本文提出了基于电流补偿平衡方程和功率平衡方程的STATCOM负序补偿能力的通用分析方法,对△形和Y形H桥链式两种典型拓扑STATCOM的负序补偿能力进行了严谨细致的分析论证,并通过MATLAB/Simulink仿真软件验证了结论的正确性和有效性。

1基本补偿原理

按照变流器直流储能元件的不同,STATCOM分为电压源型和电流源型两种。由于实际投入的基本都是电压源型STATCOM,本文只分析讨论电压源型STATCOM。

STATCOM的基本工作原理可由图1说明,忽略了系统阻抗和STATCOM滤波电抗的等效电阻。只考虑基波分量时,电压源型STATCOM可等效为与系统电压同频率的幅值相位可控的交流电压源UI。以图1(a)所示的单相等效电路来说明,其中将STATCOM的各种损耗集中以等效电阻的形式考虑。为了补偿STATCOM有功损耗,其输入电流必须含有一定的有功分量。如图1(b)所示,当STATCOM要消耗容性无功即发出感性无功时,逆变器阀侧电压在系统电压方向上的投影需大于系统电压,且相位需滞后系统电压;而STATCOM要消耗感性无功即发出容性无功时,逆变器阀侧电压的投影需小于系统电压,且相位超前于系统电压,如图1(c)所示。

通过对STATCOM进行合理的闭环控制,动态调节其阀侧电压可使其输入电流与负载电流中除正序有功电流分量之外的部分分量幅值相等、相位相反,并同时维持直流电容电压不变,最终使系统电流中的无功和负序分量得以消除,从而实现无功补偿。

2负序补偿分析

为了简便而又不失一般性,在分析链式STATCOM负序电流补偿能力之前,先进行如下假设:1假设1,系统容量无穷大,系统电压完全对称且恒定不变;2假设2,系统中只存在基波分量,不考虑直流和谐波分量;3假设3,为便于分析, STATCOM既可等效为受控电压源,又可间接等效成受控电流源;4假设4,稳态时,STATCOM各部分的损耗为常数。

2.1 △形链式拓扑

图2所示为△形H桥链式拓扑图,其变流器由三条单相H桥变流单元串联链接而成,并以三角形的形式与系统相连。

根据上述假设条件,系统电压只含有正序对称分量,用相量形式可表为:

式中:US为系统相电压有效值。对应的线电压为,

由于系统为三相三线制,所以线电流中不存在零序分量,只可能含有正序和负序分量。以系统A相电压为参考相量,负载电流的相量形式为:

式中:IL+和IL-分别为负载电流正、负序分量有效值;φL+和φL-分别为负载电流正、负序分量的相角。

由于STATCOM的H桥链采用的是三角形接法,其相电流可以存在零序分量,表达如下:

式中:I0和0φ分别为补偿器相电流零序分量的有效值与相位角,其余上下标表示的意义与上文相同;I+,I-,+φ,-φ分别为补偿器相电流正、负序分量的有效值和相位角。

同时可得补偿器输入线电流的表达式为:

系统电流等于补偿器输入线电流与负载电流之和,所以有:

若要求变流器除了补偿正序无功电流之外,还同时具备补偿负序电流的能力,则经过补偿后系统电流中只存在正序有功分量,即

根据假设4,稳态时由系统输入到变流器每一相H桥链的有功功率必须与该H桥链稳态损耗相等,各相H桥链的稳态损耗分别记为PAB,PBC和PCA,可以推得:

将式(2)和式(4)代入式(8)后联立式(7)可得:

式中:sqrt()为平方根函数。

若要求同时补偿正序无功和负序电流,相对于三相桥式拓扑,△ 形链式STATCOM必须满足的功率平衡方程更多。但由于采用三角形连接方式, 变流器各相H桥链的相电流中可以存在零序分量, 这是三相桥式拓扑变流器所不具备的特性。

同理通过△形链式STATCOM控制器的闭环控制,使得变流器的相电流中正、负及零序分量分别满足式(9)的要求,既能实现对负载电流的无功分量和负序分量的完全补偿,又能同时保持各相H桥链的功率平衡。

若STATCOM不采取零序分量控制,式(9)中的零序分量方程不成立,则无法同时满足负序电流分量的补偿方程和三相链的功率平衡方程,即不能实现无功及负序电流分量的补偿。

根据以上分析可知,对于 △ 形H桥链式结构STATCOM,是否对H桥链相电流中的零序分量进行控制是其能否补偿负序电流的关键。

2.2 Y形链式拓扑

链式结构STATCOM既能接成三角形,也能以星形进行连接。Y形链式STATCOM的基本电路如图3所示。对于Y形链式STATCOM,将各相H桥链分别等效成受控电压源,与系统连接的滤波电感相等都记为L,并忽略其电阻。

同上,系统相电压、线电压和负载电流仍分别由式(1)、式(2)和式(3)表示。

变流器各相H桥链的阀侧电压可同时具有正、 序及零序分量,相量形式为:

式中:U+,U-,U0,φu+,φu-,φu0分别为变流器阀侧电压的正、负、零序分量的有效值和相位角。

根据电压回路方程,可知系统电压为中性点N点电压、变流器阀侧电压和滤波电感电压三者之和,又因为系统电压对称,所以其三相电压之和恒等于零,可得:

式中:UN和φN分别为N点电压的有效值和相角。

则变流器输入电流可用阀侧电压表达为:

系统电流等于补偿器输入电流与负载电流之和,所以有:

要求变流器具备无功电流和负序电流的补偿能力,则式(13)中只能存在正序有功分量,可得:

根据功率平衡原则,稳态时系统输入到变流器每一相H桥链的有功功率必须与该链稳态损耗相等,各相H桥链的稳态损耗分别记为PA,PB和PC,可以推得:

将式(14)代入式(15),整理后表达为:

式中:fA和fB分别为包含变流器阀侧电压正、负、 零序分量幅值和相位变量的表达式。

根据式(16)中的前4个方程,可计算出U+, φu+,U-和φu-,并代入最后2个独立的方程,即可计算出U0和φu0的表达式。

与△ 形链式拓扑不同,Y形链式STATCOM的H桥链中不存在零序电流分量,但在变流器阀侧电压的控制上,增加了零序分量这一自由度。通过对Y形链式STATCOM进行合理的闭环控制,使得变流器的阀侧电压的正、负、零序分量分别满足式(16),则能同时实现对负载电流的无功分量和负序分量的完全补偿和维持各相H桥链的功率平衡。

若Y形链式STATCOM不进行变流器阀侧电压零序分量的控制,则负序电流分量的补偿方程和H桥链的功率平衡方程不能同时满足,即无法实现无功及负序电流分量的补偿。

根据以上分析可知,由于零序分量的引入本质上是在不影响变流器外特性的同时,实现各相桥臂或H桥换流链之间的功率分配。 在 △ 形链式STATCOM中引入零序电流控制,以及在Y形链式STATCOM中引入零序电压控制,都是补偿负序电流的关键。

3仿真验证

为验证前文分析的正确性,利用MATLAB/ Simulink软件分别搭建了 Δ 形链式和Y形链式两种拓扑STATCOM的仿真模型,其详细参数见附录A表A1。对于△形链式拓扑STATCOM,前文的分析结论是其补偿负序电流的关键在于对H桥链相电流零序分量的控制。图4为是否采用相电流零序分量控制的对比仿真结果。由图4(a)可知在负载电流具有正序无功和负序分量时,△ 形链式STATCOM的补偿电流波形已变得异常杂乱。加入零序电流的控制后,STATCOM的正负序电流补偿效果得以体现,相应的仿真结果如图4(b)所示。 通过对比图4(a)(b)的仿真结果可知,△ 形链式STATCOM负序补偿能力的关键在于其零序电流的控制这一结论得到了验证。

相应地,对于Y形链式拓扑STATCOM的分析结论是其补偿负序电流的关键在于对H桥链相电流零序分量的控制。 图5为是否对Y形链式STATCOM进行零序分量控制的负序补偿能力影响的对比仿真结果。图5(a)为不进行零序电压控制的仿真结果,可知,此时未能补偿负序电流。而图5(b)为加入零序电压控制后的仿真结果。显然, 正序无功和负序电流的同时得以补偿。

由前文分析可知,电流平衡和功率平衡方程分别关系着正负序电流补偿和直流电压是否平衡这两个方面。图6为Y形链式STATCOM在加入零序分量控制前后直流电压的对比仿真结果。图6(a) 为不进行零序电压控制时的直流电压波形,此时尽管总平均值逐渐向参考值接近,但各相H链的直流电压也没有得到稳定控制。图6(b)为采用零序电压控制后的直流电压波形,明显各相链之间及其内部各H桥的直流电压都实现了良好的均压控制。 引入零序分量控制是链式STATCOM同时满足电流平衡方程和功率平衡方程从而具备负序补偿能力的关键,这一结论再次得到验证。

4结论

本文针对△形以及Y形H桥链式两种典型拓扑的STATCOM,分别对其负序电流的补偿特性进行了分析。以合理假设为前提,以电流补偿平衡方程和功率平衡方程为关键,通过严谨细致地理论证明,得出如下结论。

1)△形链式STATCOM若要具备负序电流补偿的能力,则必须对其零序电流进行控制,否则将不具备负序电流的补偿能力。

2)Y形链式STATCOM若要进行负序电流补偿,则必须对其零序电压进行控制,否则也将不具备负序电流的补偿能力。

上述结论都已在MATLAB/Simulink软件环境中得到了有效验证,并且本文对STATCOM负序电流补偿能力论证的方法还可进一步推广至传统低压的三相桥式拓扑和双星形半桥模块(DSCC)、 双星形全桥模块(DSBC)等新型拓扑STATCOM以及系统电压不平衡、电压暂降等各种工况。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info. com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：基于合理假设建立电流补偿平衡方程和功率平衡方程,分析总结出了△形和Y形H桥链式静止同步补偿器(STATCOM)补偿负序电流的条件,推导出零序分量控制是链式STATCOM补偿负序电流的关键,该结论得到了MATLAB/Simulink仿真软件的有效验证。所提出的分析方法还可进一步推广至其他拓扑及不同工况下的STATCOM。

STATCOM系统 篇5

1.1 STATCOM控制策略基础

从控制策略上来讲, 可以分为三个层次:系统级, 装置级, 器件级。这三个层次控制的逻辑关系如下图所示:

系统级控制主要是针对整个系统要实现的目标而言, 因此输电网STATCOM要比配电网STATCOM的系统级控制要复杂。我国清华大学研制的20Mvar STATCOM就是多目标系统级控制, 其目标是提供无功功率、稳定母线电压、提供系统阻尼, 控制方法采用了模糊控制。对于配电网STATCOM来说, 其实现的功能就是提供无功功率, 进行就地补偿, 同时兼有稳定接入点电压的功能。因此本文中系统级控制方式不予考虑, 将系统级控制的输出看作常量, 表征无功补偿参考输入。

器件级控制就是驱动开关器件的控制, 根据驱动脉冲的形状分为方波控制和PWM波控制。PWM波由不同的方法产生, 如空间矢量PWM, 特定谐波消除PWM以及最平常的正弦调制SPWM等。

装置级控制是系统级控制与器件级控制之间的一个桥梁, 研究从脉冲控制结果到系统无功电流需求之间的模型与控制问题, 亦即探讨配电网STATCOM无功输出电流与脉冲控制角之间的非线性关系, 进而设计一定的控制规律使得装置输出能较好地满足从系统角度提出的无功电流需求。

1.2 简化型无电阻反馈控制方法

设定逆变器交流侧相电压的d, q轴分量分别为uId=u1udc、uIq=u2udc。原状态方程可以写为:

undefined

为了达到无功电流和有功电流的解祸, 引入新的变量P1>P2, 使得状态方程如以下形式:

undefined

因此其反馈控制率为:

undefined

undefined

下面是系统的控制结构图:

对于图2, 有功和无功电流环若采用比例控制器, 比例系数分别用气k3dp, k3qp表示, 有功与无功电流闭环传递函数分别为:

undefined

1.3 空间矢量PWM (SVPWM)

SVPWM基本思想就是将三相逆变器的交流侧电压在复平面上综合成电压矢量, 并通过若干开关状态形成一系列的空间矢量, 利用这些电压矢量去逼近以交流电动机理想磁通圆为基准的电压圆, 从而形成PWM波形。空间矢量脉宽调制是应用于三相电压源逆变器的功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合。这种开关触发顺序和组合可以在逆变器的交流侧产生三相互差120度电角度的波形失真较小的正弦波电流。

1.4 系统控制结构

本文笔者选取了简化型无电阻反馈+空间矢量PWM的控制策系统的完整的控制结构图如图3所示:

根据无电阻反馈控制方法的分析, 加上无电阻反馈控制后逆变器交流侧相电压的d, q轴分量表达式为:

uId=ωLiq-Lp1+Vs; uIq=ωLid-Lp2

通过两相旋转坐标到两相静止坐标变换, 可以得到目标电压矢量。

2 配电网STATCOM装置总体结构

配电网STATCOM主电路由一组三相逆变器构成, 配电网STATCOM系统结构框图如图4:

从图4可以看出, 配电网STATCOM的整体结构按照功能可以分成以下几个部分:

主电路单元:产生输出电流的主要电路, 主要由变流器、直流侧电容器、连接电抗器和各种继电保护装置组成。

电源电路:为测量电路、控制电路提供工作电源。

测量电路:采用霍尔元器件、提拉电路对系统接入点电压、负载电流、装置输出电流以及直流侧电压进行采样测量。

控制电路:对输入的测量反馈信号、遥控器指令信号和各继电器信号等进行处理, 实现产生PWM波形来驱动逆变部分的功率元件以及保护等功能, 并对数据进行存储和通信。

工业控制机:系统电压、电流、无功在线显示, 给定参数输入 (电压, 电流) 控制参数调节并接收本体中存储的数据。

3 系统主电路设计

系统主电路由智能功率模块IPM、整流桥、滤波电容、驱动保护电路等共同构成。在主电路中整流部分设计采用不可控整流, 优点是保证直流侧电压恒定。主电路的直流侧使用大电容稳压和滤波。本文将主电路的整流电路设计为如图5所示:

如果后级逆变器输出电流太大或出现故障, 要及时给后级逆变器断电。图中放电电阻的作用是使变频器在关闭时自动给滤波电容放电, 以保证变频器在不使用的安全性。图中充电电阻的作用是为了防止在变频器刚接通电源时产生很强大的电流, 烧坏三相整流全桥及相关的电路。图中继电器的作用, 它与充电电阻并联, 一方面是为了在变频器正常工作时短接充电电阻, 为后级的逆变器提供足够的电流, 另一方面是为了在变频器出现故障时断开, 让故障电流经过充电电阻以限制电流。图中熔断丝是为了保护后级的IPM, 如果电流过大它则自动熔断, 这样后级的IPM就没有电流回路, 保护了IPM不受损坏。这个熔断丝不能放在电容之前, 是因为如果IPM过流, 熔断丝可能会熔断, 即使这样, 滤波电容还有电量, 继续给IPM供电, 很有可能因过流而烧坏IPM及相关电路, 就起不到保护IPM的作用。

4 测量电路设计

为了实现对STATCOM的控制, 要检测系统接入点三相电压以及三相电流, 同时为了使开关动作与系统电压同步必须要有同步信号, 数据采集模块要实现这两项功能。而输出无功闭环控制要求得知装置输出无功, 这样需要测量装置输出电流, 只需测量2路, 另1路计算得出, 直流侧要求测量直流侧电压。下面将电流检测电路和电压频率捕获电路加以介绍。

电流检测采用Honeywell公司的磁平衡式霍尔电流传感器CSNE151-100 (1:1000) 工作电压为±15V, 线性度为0.2%。因为TMS320LF2407中的A/D转换器只能处理OV到SV的电压量, 因此还必须经过电压偏移电路提升2.5V。输出端再经过二极管嵌位限幅和高频滤波去掉毛刺和杂波后送入DSP的AD输入通道。该电路如图6所示, 图中的集成运算放大器采用LF356, 它具有失调小、低漂移、高输入阻抗、低噪声、器件频带宽、转换速度高、建立时间少等优点, 适用于电流采样电路。

另外, 本系统需要捕获电网电压的频率来估算无功电流和计算并网时刻, 电压频率捕获电路将正弦信号调理成同频的方波信号, 供DSP的CAP单元捕获。电压频率捕获电路如图7所示:

摘要：基于现代电力系统对无功补偿技术应用的迫切需要, 对配电网静止同步无功补偿装置 (STATCOM) 进行了相关研究。针对配电网STATCOM装置级控制进行了分析, 结合实际工程中等效电阻时变的特点, 分析了简化型无电阻反馈控制策略, 采用空间矢量PWM (SVPWM) 控制方法, 设计了基于智能功率模块IPM及双DSP控制的配电网STATCOM装置。

关键词：控制策略,STATCOM装置,分析,设计

参考文献

[1]谢小荣, 陈建业.电力系统并联补偿:结构、原理、控制与应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.

STATCOM系统 篇6

电网中三相电压幅值相同、相位相差120°的系统称为三相对称系统,当三相对称系统所连接的负载也是三相对称时,称为三相平衡系统。随着煤矿自动化程度的提高,井下电气设备越来越多,对电能质量要求越来越高,大多数的煤矿通过提高功率因数、装设无功补偿装置等方法来满足应用要求[1,2]。井下负载的增加经常导致负载及电网的不平衡。不平衡工况包括系统电压不对称、STATCOM(静止同步补偿器)装置本身设计参数不平衡、负载及运行情况不对称。不平衡工况会导致STATCOM控制性能变差,影响补偿效果,严重时可能因电流过大而烧坏STATCOM的开关器件,或者因过流使得STATCOM退出运行。因此,研究不平衡工况下STATCOM的控制策略是很必要的。

1 不平衡工况下STATCOM数学模型的建立

煤矿井下大量采煤设备的不断启停造成负荷波动较大,三相用电负荷经常会处于不对称状态,从而导致交流侧系统电压不对称。井下供电方式多采用中性点不接地的三相三线制,不存在零序分量,当三相交流电压处于不平衡状态或交流系统处于不对称故障状态时,STATCOM 和交流电压的公共连接点处会出现正序分量和负序分量,对STATCOM的运行产生严重影响[3,4,5]。

1.1 利用瞬时对称分量法对电压进行序分解

利用瞬时对称分量法对交流系统的电压、电流等物理量进行正负序分解:

$g{}_{abc}(t)=g{}_{abc}^{\text{z}}(t)+g{}_{abc}^{\text{f}}(t)(1)$

式中:gabc(t)代表系统电压或电流;gzabc(t)表示系统电压或电流的正序分量,gfabc(t)表示系统电压或电流的负序分量。

gzabc(t)、gfabc(t)在同步旋转坐标系下的d、q分量分别为

$g{}_{dq}^{\text{z}}(t)=C{}_{abc-dq}(\omega t)g{}_{abc}^{\text{z}}(t)(2)$

式中:

$\begin{array}{l}C{}_{abc-dq}(\omega t)=\\ \frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \omega t& \cos \left(\omega t-\frac{2\text{π}}{3}\right)& \cos \left(\omega t+\frac{2\text{π}}{3}\right)\\ -\sin \omega t& -\sin \left(\omega t-\frac{2\text{π}}{3}\right)& -\sin \left(\omega t+\frac{2\text{π}}{3}\right)\end{array}\right)\end{array}$

。

$g{}_{dq}^{\text{f}}(t)=C{}_{abc-dq}(-\omega t)g{}_{abc}^{\text{f}}(t)(3)$

式中:

$\begin{array}{l}C{}_{abc-dq}(-\omega t)=\\ \frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \omega t& \cos \left(\omega t+\frac{2\text{π}}{3}\right)& \cos \left(\omega t-\frac{2\text{π}}{3}\right)\\ \sin \omega t& \sin \left(\omega t+\frac{2\text{π}}{3}\right)& \sin \left(\omega t-\frac{2\text{π}}{3}\right)\end{array}\right)。\end{array}$

当交流系统电压不平衡时,将式(1)代入链式STATCOM交流侧的低频动态数学模型公式中,得到式(4):

$\begin{array}{l}L\frac{\text{d}(\mathit{i}{}_{\text{s}\text{z}}+\mathit{i}{}_{\text{s}\text{f}})}{\text{d}t}+R(\mathit{i}{}_{\text{s}\text{z}}+\mathit{i}{}_{\text{s}\text{f}})=\\ (\mathit{u}{}_{\text{s}\text{z}}+\mathit{u}{}_{\text{s}\text{f}})-(\mathit{v}{}_{\text{z}}+\mathit{v}{}_{\text{f}})(4)\end{array}$

式中:isz、usz表示系统电流、电压的正序分量的矢量;isf、usf表示系统电流、电压的负序分量的矢量;L表示连接电抗器的电感值;R表示逆变器等效损耗的电阻值。

注入链式STATCOM的正序分量是由系统电压的正序电压分量引起的,负序分量是由交流系统的负序电压分量引起的,根据瞬时对称分量法,可将式(4)分解为一个正序系统和一个负序系统:

$\begin{array}{l}L\frac{\text{d}\mathit{i}{}_{\text{s}\text{z}}}{\text{d}t}+R\mathit{i}{}_{\text{s}\text{z}}=\mathit{u}{}_{\text{s}\text{z}}-\mathit{v}{}_{\text{z}}(5)\\ L\frac{\text{d}\mathit{i}{}_{\text{s}\text{f}}}{\text{d}t}+R\mathit{i}{}_{\text{s}\text{f}}=\mathit{u}{}_{\text{s}\text{f}}-\mathit{v}{}_{\text{f}}(6)\end{array}$

将式(5)、式(6)进行abc-dq坐标变换,得到链式STATCOM在同步旋转坐标系下的正序系统、负序系统的数学模型:

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}L\frac{\text{d}i{}_{\text{s}d\text{z}}(t)}{\text{d}t}+Ri{}_{\text{s}d\text{z}}(t)=u{}_{\text{s}d\text{z}}(t)-v{}_{d\text{z}}(t)+\omega Li{}_{\text{s}q\text{z}}(t)\\ L\frac{\text{d}i{}_{\text{s}q\text{z}}(t)}{\text{d}t}+Ri{}_{\text{s}q\text{z}}(t)=u{}_{\text{s}q\text{z}}(t)-v{}_{q\text{z}}(t)+\omega Li{}_{\text{s}d\text{z}}(t)\end{array}(7)\\ \{\begin{array}{l}L\frac{\text{d}i{}_{\text{s}d\text{f}}(t)}{\text{d}t}+Ri{}_{\text{s}d\text{f}}(t)=u{}_{\text{s}d\text{f}}(t)-v{}_{d\text{f}}(t)+\omega Li{}_{\text{s}q\text{f}}(t)\\ L\frac{\text{d}i{}_{\text{s}q\text{f}}(t)}{\text{d}t}+Ri{}_{\text{s}q\text{f}}(t)=u{}_{\text{s}q\text{f}}(t)-v{}_{q\text{f}}(t)+\omega Li{}_{\text{s}d\text{f}}(t)\end{array}(8)\end{array}$

式中:isdz、usdz、isdf、usdf分别表示系统电流、电压在d轴的正负序分量;isqz、usqz、isqf、usqf分别表示系统电流、电压在q轴的正负序分量;vdz、vdf表示STATCOM交流侧输出基波电压在d轴的正负序分量;vqz、vqf表示STATCOM交流侧输出的基波电压在q轴的正负序分量。

1.2 频域交流系统数学模型

对式(7)、式(8)进行Laplace变换,得到链式STATCOM在不平衡工况下的频域交流系统的数学模型表达式:

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}(Ls+R)i{}_{\text{s}d\text{z}}(s)=u{}_{\text{s}d\text{z}}(s)-v{}_{d\text{z}}(s)+\omega Li{}_{\text{s}q\text{z}}(s)\\ (Ls+R)i{}_{\text{s}q\text{z}}(s)=u{}_{\text{s}q\text{z}}(s)-v{}_{q\text{z}}(s)+\omega Li{}_{\text{s}d\text{z}}(s)\end{array}(9)\\ \{\begin{array}{l}(Ls+R)i{}_{\text{s}d\text{f}}(s)=u{}_{\text{s}d\text{f}}(s)-v{}_{d\text{f}}(s)+\omega Li{}_{\text{s}q\text{f}}(s)\\ (Ls+R)i{}_{\text{s}q\text{f}}(s)=u{}_{\text{s}q\text{f}}(s)-v{}_{q\text{f}}(s)+\omega Li{}_{\text{s}d\text{f}}(s)\end{array}(10)\end{array}$

由式(9)、式(10)可以得到链式STATCOM在不平衡工况下的频域交流系统的等效模型,如图1所示。

从图1可看出,当交流系统电压不平衡时,其正负序分量是对立的,可方便地对STATCOM的正序、负序分量进行分别控制。

2 负序电压前馈策略

在不平衡工况下,电网电压中含有正序分量及负序分量,STATCOM输出电流中含有3次谐波电流,3次谐波电流会导致STATCOM因电流过大而退出运行。本文采用一种改进开关函数法来改善STATCOM的输出性能,使其输出电流中不再含有3次谐波电流。

2.1 改进开关函数法

在电网电压不平衡条件下,令STATCOM直流侧电容电压为

$U{}_c=U{}_{c\text{n}}(1+k\text{s}\text{i}\text{n}2\omega t)(11)$

式中:Ucn为直流分流的幅值;kUcn表示含2倍频波动的电压幅值。

改进后的开关函数为

$S{}_{\text{n}}=\frac{S}{1+k\text{s}\text{i}\text{n}\omega t}(12)$

式中:S为改进前的开关函数。

输出电压表达式为

$\begin{array}{l}e=\left|\begin{array}{c}e{}_a\\ e{}_b\\ e{}_c\end{array}\right|=U{}_{c}S{}_{\text{n}}=\\ U{}_{c\text{n}}(1+k\sin 2\omega t)\frac{S}{1+k\text{s}\text{i}\text{n}2\omega t}=U{}_{c\text{n}}S(13)\end{array}$

式中:ea 、eb 、ec分别为STATCOM逆变器输出的三相电压。

从式(13)可看出,采用改进开关函数法后,STATCOM逆变器的输出电压与直流侧电容电压的波动无关,直流侧输出电压中不再含有3次谐波电流,从而达到抑制3次谐波的目的。但是还会出现另一个问题,即改进开关函数法抑制谐波电流的同时增大了STATCOM逆变器中的负序电流,这同样会造成STATCOM过流,不利于其稳定性。

采用改进开关函数法后,STATCOM的等效电路可以用正负序等效网络来表示,如图2所示。图2中,Uza、Uzb、Uzc表示公共连接点的正序电压分量,Ufa、Ufb、Ufc表示公共连接点的负序电压分量;eza、ezb、ezc表示STATCOM逆变器输出电压的正序分量;iza、izb、izc表示STATCOM逆变器输出电流的正序分量,ifa、ifb、ifc表示STATCOM逆变器输出电流的负序分量;L、R表示STATCOM逆变器连接电抗器的等效电感和电阻。

由于采用了改进开关函数法,负序电压对STATCOM逆变器来说相当于短路,负序等效电路中不含3次谐波分量,流进STATCOM逆变器的负序电流为

$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}=\frac{\dot{U}{}^{\text{f}}}{R+\text{j}X{}^{\text{f}}}(14)$

式中:$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}$表示流进STATCOM的负序电流分量;$\dot{U}{}^{\text{f}}$为公共连接点处系统电压的负序分量。

由式(14)可知,由于连接电抗器X的值很小,导致$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}$非常大,当系统单相电压不平衡时很容易造成STATCOM因过流而退出运行的问题。

2.2 负序电压前馈控制策略

负序电压前馈法的基本思想:让STATCOM发出一个与系统负序电压大小和相位都相等的负序电压来补偿系统电压,使得流经STATCOM的负序电流为0。本文在参考文献[6,7] 提出的负序电压前馈控制方法的基础上进行了改进,正序控制环采用神经元自适应PID[8]直接电压控制器,控制框图如图3所示。与采用模糊神经元PI控制的方法相比,该控制方法能够在线实时调整控制参数,扰动适应性更强,更加精确。

图3中,e*d、e*q是STATCOM逆变器输出电压经坐标变换后d轴、q轴的电压指令,U-a、U-b、U-c为公共连接点的负序电压分量,e*a、e*b、e*c为STATCOM逆变器输出电压ea、eb、ec的指令值。该控制环由正序控制环和负序控制环组成。正序控制环控制公共连接点的电压与直流侧电容电压为给定值。负序控制环控制STATCOM发出一个与系统负序电压大小和相位都相等的电压,抵消流入STATCOM的负序电压,避免负序电压产生的负序电流使STATCOM因过流而退出运行。该控制方法采用二次谐波滤除法检测负序电压分量,并通过陷波器来实现。检测到的负序电压分量叠加到神经元自适应PID直接电压控制器的输出上,作为STATCOM逆变器的输出指令电压。

采用负序电压前馈法的STATCOM负序等效电路如图4所示,其中efa、efb、efc表示STATCOM逆变器输出电压的负序分量。

采用负序电压前馈法后,流进STATOM逆变器的负序电流为

$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}=\frac{\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}-\dot{U}{}^{\text{f}}}{R+\text{j}X{}^{\text{f}}}(15)$

式中:$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}$表示STATCOM逆变器输出电压负序分量的矢量。

由式(15)可知,当$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}-\dot{U}{}^{\text{f}}=0$时,$\dot{{\rm I}}{}^{\text{f}}$为零。

3 仿真研究

为了验证本文所提不平衡控制策略的正确性,采用Matlab/Simulink仿真软件在电压不平衡工况下进行仿真分析。仿真实验中,在原正序电压的基础上增加50 Hz、342 V、-20°的负序分量,负载采用阻感滤波三相整流桥式电路,R=10 Ω,L=1.2 mH。

仿真参数设置:电网电压(线电压有效值)Us=1 140 V;电压频率fs=50 Hz;单个H桥直流侧电容电压额定值为1 000 V;每级H桥的直流侧电容容量为2 000 μF;交流侧连接电抗器的电感值为2.5 mH,等效电阻值为0.15 Ω;装置最大设计额定容量为700 kvar。

3.1 未采用不平衡控制策略仿真结果

在电网电压不平衡情况下,未采用不平衡控制策略时电网电压和电流的波形及功率因数波形如图5所示,STATCOM输出电流波形如图6所示(纵坐标为标幺值)。

从图5、图6可看出,在不平衡工况下,采用对称控制的STATCOM不能起到很好的补偿效果;三相系统电压严重不对称时,三相负载电流也出现极其不对称的情况,补偿后的功率因数也极其不稳定。

3.2 采用不平衡控制策略仿真结果

采用不平衡控制策略后的STATCOM补偿效果如图7所示(纵坐标为标幺值)。

从图6、图7可看出,采用不对称控制策略后,STATCOM输出电流的平衡度得到了明显改善,电流幅值明显减小,说明该策略起到了抑制负序电流的作用;并且电网侧三相电流保持平衡,功率因数曲线基本接近于1,无功补偿效果较好,有效克服了三相不平衡的影响。

4 结语

在煤矿井下供电系统中,由于负载的影响系统电压存在严重的不平衡度,本文采用不平衡的控制策略,改进开关函数和负序电压前馈的控制策略,很好地克服了在不平衡工况下STATCOM因负序分量的影响补偿效果不佳、甚至过流退出运行这一问题,很好地改善了井下电压的不平衡度,改善了供电质量,同时可以提高STATCOM在不平衡工况下的生存能力。

摘要：针对井下不平衡工况会导致STATCOM控制性能变差、影响补偿效果的问题,提出采取改进开关函数法及负序电压前馈控制策略,让STATCOM发出一个与系统负序电压大小和相位都相等的负序电压,来补偿系统负序电压,保证了STATCOM在不平衡工况下的正常运行。仿真结果表明,该控制策略起到了抑制负序电流的作用,有效克服了三相不平衡的影响。

关键词：静止同步补偿器,控制策略,不平衡工况,前馈控制,STATCOM

参考文献

[1]梁旭,刘文华,姜齐荣,等.电力系统故障时静止无功发生器的运行分析[J].清华大学学报:自然科学版,2000,40(1):1-3.

[2]辛李旷,刘进军,魏标,等.静止无功发生器补偿电网电压不平衡的控制及其优化方法[J].中国电机工程学报,2006,26(5):58-63.

[3]CAVALIERE C A C,WATANABE E H,AREDES M.Multi-pulse STATCOM operation under unbalanced voltages[C]//IEEE Power Engineering Society Winter Meeting:New York,2002.

[4]BINA M T,ESKANDARI M D.Consequence of unbalance supplying condition on a distribution static compensation[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference:Aachen,2004.

[5]罗安,欧剑波,唐杰,等.补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究[J].中国电机工程学报,2009,29(6):55-60.

[6]唐杰,王跃球,尹进田,等.配电网静止同步补偿器的两种不平衡控制策略[J].高电压技术,2010,36(10):2588-2593.

STATCOM系统 篇7

为了提高静止同步补偿器(STATCOM)装置[1,2,3]的工作性能,对电网电流的快速准确检测至关重要。目前,电流检测大多是基于瞬时无功功率理论的pq变换法[4,5,6]和基于同步坐标变换的dq变换法[7,8]及自适应检测法[9,10]。但自适应检测法计算延时长,不适合进行实时控制;而pq及dq法都是在三相对称的情况下提出的,而实际电网中,三相电压和负载不对称是普遍存在的,为了补偿这些不对称分量,必须采用新的方法以检测出电流正序、负序分量[11]。

文献[12]提出一种基于空间矢量的检测方法,但该方法需要对基波正序分量和负序分量移相90°;文献[13]利用查表的方式代替锁相环获取同步变换角,但必须对电源电压逐个周期进行计数得到实时的角频率,其原理等同于数字锁相环;文献[14]直接在时域内对电流移相60°进行计算得到各序分量值,实时性差;文献[15]对三相电源电压进行αβ变换得到uαβ,利用uαβ的矢量角作为同步旋转角,但当电源电压出现不对称情况时,uαβ的矢量角并不能匀速旋转。

针对现有方法的不足,现提出一种新的用于基波正序、负序分量的检测方法,无需采用锁相环(PLL)电路获得同步旋转角,消除了PLL延时带来的影响,也不需要对三相电流进行移相,解决了移相带来的误差,更适合于STATCOM控制器的应用。

1 传统dq同步坐标变换法

不考虑谐波,将三相不对称负载电流分解为序分量表示为

利用锁相环电路,将ia、ib、ic经同步坐标变换到dq坐标系下有

其中,ωt为同步旋转角,经由锁相环电路捕获,能实时跟踪电网频率的变化。变换原理是将三相电流投影到与ωt同频率旋转的坐标系下,ωt实时跟踪电网基波正序分量频率的变化,使得三相电流的基波正序分量在该坐标系下保持相对静止从而变为直流分量;基波负序分量在该坐标系下变为2次负序谐波分量;0序分量变换为0,不起作用,即:

其中,为电流基波正序分量经d q变换后得到的直流分量;为基波负序分量经d q变换后得到的2次谐波分量,如果考虑负载电流含有谐波的情况,则还包括各次谐波电流经变换后所得的正弦分量。将id、iq通过一个低通滤波器滤除交流分量,然后采用dq/abc反变换可以得到负载电流的基波正序分量,经适当运算也可以得到基波负序分量。

为了克服这种变换中锁相环带来的误差及三角函数计算带来的延时,文献[15]将电源电压信息引入到变换中,利用电压矢量uαβ构成同步旋转角:

当三相负载不平衡引起负载电流不平衡时,dθ/d t为常值,电压矢量uαβ保持匀速旋转,其旋转频率与负载电流基波正序频率保持一致。当电源电压不平衡引起负载电流不平衡时,dθ/d t出现波动,时快时慢,电压矢量uαβ的旋转频率不再与负载电流基波正序频率保持一致,将负载电流投影到这个坐标系下后,电流基波正序分量也不能变换为直流量,难以分解出正序分量。

2 改进同步坐标变换法

如上所述,同步坐标变换法的理论基础是保证同步旋转角cosθ、sinθ实时跟踪电网基波频率的变化。设三相不平衡电压a相电压的表达式为

将ua经过一个微分器得到u′a=Aωcosωt,令:

式(8)中u′a除以314是为了使uα、uβ的幅值保持大致相等,以减小误差。将式(8)代入式(6)得:

结合式(8)可以看出,式(9)中的θ虽然与a相电压相位不一致,但是与a相电压却能保持同步,满足同步坐标变换的理论基础。

将式(9)代替式(4)中的cosωt和sinωt得:

同样,式(10)中id、iq也可以表示为一个直流量和一个交流量之和,其中直流量是由负载电流的基波正序分量变换而来,交流量则是由负载电流的基波负序分量和谐波分量变换而来。通过一个低通滤波器可以得到负载电流的直流分量,然后通过反变换即可得到负载电流的基波正序分量:

整个检测原理图如图1所示。图中,同步信号cosθ、sinθ的生成选用的是a相电压ua,在实际应用中,也可以选择另外两相电压。

若将图1中C3/2的输入换为ua、ub、uc,检测方法同样适用,此时,检测的结果是基波正序电压。

3 仿真分析

为验证所提出方法的正确性和有效性,利用Matlab软件,分别对负载不对称、电源电压不对称、负载及电源电压均不对称3种情况进行了仿真分析,并与传统的基于锁相环dq同步变换方法和文献[15]所提出的方法进行了比较。仿真电路见图2。各器件参数如下:电源电压正序50 Hz、380 V∠0°,负序50 Hz、152 V∠-20°(负序分量只在验证后2种情况下才投入),容量6 kV·A;传输线长50 km,每千米传输线电阻为0.1Ω,电感为0.1 m H;当三相负载平衡时,各相取10Ω,三相不平衡时,a、b、c三相依次为10Ω、20Ω、30Ω。仿真结果如图3~5所示,i1、i2、i3、i4分别为负载电流、基于传统d q变换得到的负序电流、基于文献[15]提出方法得到的负序电流和基于文中所提出方法得到的负序电流,各电流基于标么值计算得出。

从仿真波形可看出:

a.当电源电压三相对称时,采用文献[15]所提出的检测方法能有效检测基波负序电流,这与理论分析一致,当电源电压不对称时,文献[15]检测的结果三相电流也不对称且包含大量3次谐波;

b.采用所提出的方法,在各种不对称情况下都能有效检测出基波负序电流;

c.相比传统使用锁相环dq同步变换检测方法,所提出的方法响应速度更快,只需1个周期即可以稳定,而传统的同步检测法则需要3个多周期。

4 在STATCOM中的应用

根据所提检测方法研制了一台±50kvar STATCOM样机,其系统构成如图6所示,由主电路、输出滤波电路、连接变压器、控制电路和驱动电路构成。

采用的控制系统框图如图7所示。图中,UC为STATCOM直流侧电容电压测量值,UC*为直流侧电容电压给定值;ila、ilb、ilc为三相负载电流;id*、iq*为STATCOM输出电流的d q变换值;Sa、Sb、Sc为逆变器的开关状态值;d q/a bc、a bc/d q的变换均采用所提出的方法。

系统开始运行于三相不对称状态,A相接30Ω电阻;B相接40Ω电阻,C相接50Ω电阻。投入STATCOM装置前后的电网三相电流is波形见图8。

从图中可以看出,在投入STATCOM装置后,3个周期就能将三相电流对称化,凸现了采用文中所提出检测方法的STATCOM装置的有效性。

5 结论

传统的同步检测法是基于三相对称系统提出的,但在实际系统中,三相不对称现象经常发生,为此文中提出了一种新的检测方法,该方法利用单相电源电压构造同步旋转角,克服了传统同步检测法中PLL带来的影响,同时也降低了同步旋转角的计算复杂度。仿真分析和实验结果表明,文中所提出的方法在检测电流正序、负序分量时具有精度高、响应快的特点,在STATCOM装置的应用中具有理想的效果。

摘要：针对传统dq变换法在检测电网三相不对称分量时存在的一些缺陷,提出一种新的检测方法,将单相电压通过一个微分器得到与该相电压正交的微分量,然后利用二者的正交关系直接通过数学关系求解出同步旋转角。该方法不仅适用于负载不对称系统,也适用于电源电压不对称系统。在检测过程中,不需要采用锁相环(PLL)电路获得同步旋转角,消除了PLL延时带来的影响,也不需要对三相电流进行移相,解决了移相带来的误差。将该检测方法应用于静止同步补偿器(STATCOM)控制器后,能有效降低接入点电压的不平衡度。仿真分析和实验结果表明所提出的方法在检测电流正序、负序分量时具有精度高、实时性强的特点,更适合于STATCOM的应用。