基于電流間接控制的STATCOM系統(tǒng)仿真研究[圖]

摘要：靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)因具有無功補(bǔ)償響應(yīng)速度快、連續(xù)調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中重要的補(bǔ)償設(shè)備之一。對(duì)不同控制策略STATCOM的補(bǔ)償效果進(jìn)行研究是誼領(lǐng)域值得關(guān)注的關(guān)鍵問題。在此對(duì)STATCOM主電路進(jìn)行四重化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低諧波含量，控制策略上采用電流間接控制方法，在Matlab/Simulink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償系統(tǒng)的建模和仿真，通過比較補(bǔ)償前后系統(tǒng)功率因數(shù)的變化，驗(yàn)證了所采用控制策略的正確性和有效性。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，對(duì)電能質(zhì)量要求也日益嚴(yán)格，如何提高現(xiàn)代電力系統(tǒng)可靠性、可控性、快速性已成為亟待解決的問題。靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要設(shè)備之一，在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、提高功率因數(shù)、增加傳送容量等方面發(fā)揮著重要的作用，代表著無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。STATCOM主電路架構(gòu)不同、控制策略不同的對(duì)應(yīng)著不同的補(bǔ)償效果和成本。

1 STATCOM工作原理簡(jiǎn)述

采用STATCOM進(jìn)行補(bǔ)償無功具有連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大、控制響應(yīng)精準(zhǔn)快、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理圖如圖1所示。STATCOM主電路由逆變器和直流側(cè)電容構(gòu)成，經(jīng)變壓器接入電力系統(tǒng)。在理想情況下STATCOM裝置等效為“可控電壓源”，設(shè)其輸出電壓為UI，系統(tǒng)電壓為US，兩者同相位。當(dāng)UI>US時(shí)，電流從系統(tǒng)流向STATCOM且電流相位超前系統(tǒng)電壓90。，裝置輸出感性無功；反之，當(dāng)UI

穩(wěn)態(tài)時(shí)，STATCOM從系統(tǒng)吸收的有功功率和無功功率的計(jì)算公式如下：

式中：US是系統(tǒng)電壓；R是系統(tǒng)等效電阻；δ是系統(tǒng)電壓和裝置輸出電壓之間的相位差。當(dāng)δ<0，Q<0吸收容性無功；當(dāng)δ>0，Q>0吸收感性無功。通過調(diào)整δ，就可對(duì)STATCOM的無功功率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

2 STATCOM的間接電流控制策略

根據(jù)是否直接控制輸出電流來分，STATCOM可分為電流直接控制和電流間接控制兩種控制策略。間接電流控制是指對(duì)STATCOM裝置中逆變器所產(chǎn)生的交流電壓基波的相位和幅值的控制，以此來間接控制STATCOM交流側(cè)電流。間接電流控制分為單δ控制和δ與θ配合控制。采用單δ控制時(shí)，雖然簡(jiǎn)單有效，但忽略了對(duì)θ的控制，使得直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定困難、損耗增加。在δ與θ配合控制中，δ角的控制用于無功功率控制，而對(duì)θ角進(jìn)行控制可起到維持電容電壓穩(wěn)定的作用。因此可對(duì)無功功率控制采用逆系統(tǒng)非線性PI方法，對(duì)STATCOM直流側(cè)電容電壓采用傳統(tǒng)的PI控制方法，兩個(gè)控制環(huán)互相獨(dú)立，互不干擾。

圖2為δ與θ配合的逆系統(tǒng)PI控制框圖。圖中，三相瞬時(shí)電壓uA,B,C和瞬時(shí)電流iA,B,C，經(jīng)過α，β變換和瞬時(shí)無功功率計(jì)算得到補(bǔ)償無功功率Q，并與參考補(bǔ)償無功功率Qref進(jìn)行比較，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到控制量δ，參考電壓uref與直流側(cè)電壓udc進(jìn)行比較，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到控制量θ，將控制量δ和θ作為控制參數(shù)輸入STATCOM控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)模型搭建及仿真結(jié)果分析

通過以上對(duì)STATCOM的原理和控制策略的分析，在此將在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的建模仿真。Matlab/Simulink被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的建模和仿真中。

3.1 系統(tǒng)模型搭建

按照?qǐng)D3所示，在Matlab/Simulink中搭建基于間接電流控制的STATCOM的系統(tǒng)仿真模型。圖中用無窮大系統(tǒng)電壓的有效值為，頻率為50Hz，額定負(fù)荷為S=9000+j9000。STATCOM的主電路48脈沖變流器(48 Pulses Inverter)組成。系統(tǒng)仿真可采取離散化處理來加快仿真速度，仿真步長(zhǎng)設(shè)定為TS=2.5×10-5s。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真中，系統(tǒng)負(fù)荷為三相平衡負(fù)荷，因此可取A相電壓和電流波形作為代表進(jìn)行觀察。圖4為補(bǔ)償前系統(tǒng)A相電壓電流相位比較圖。在圖中，電壓波形的幅值較電流波形的幅值大，電壓相位超前電流相位90°。圖5為系統(tǒng)補(bǔ)償前的功率因數(shù)，其數(shù)值保持在0.707，與理論計(jì)算值相符合。

圖6為補(bǔ)償后系統(tǒng)A相電壓電流相位比較圖，電壓和電流波形相位已基本趨于一致，因此可以獲得較高的功率因數(shù)。

圖7給出的系統(tǒng)補(bǔ)償后功率因數(shù)曲線的也證明了這一點(diǎn)。因變流器直流側(cè)電容需要進(jìn)行充電，所以在起始階段功率因數(shù)發(fā)生振蕩，完成電容充電后振蕩很快消失(在0.06秒附近)，之后STATCOM進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作區(qū)，功率因數(shù)接近于1。

4 結(jié)語

本文對(duì)電流間接控制策略進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了基于電流間接控制方法的STATCOM的系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建立模型的正確性和有效性。電流間接控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟，但與電流直接控制方法相比，間接控制方法存在控制精度較低，電流響應(yīng)速度較慢。應(yīng)針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)做進(jìn)一步研究，根據(jù)不同場(chǎng)合合理選擇。

作者：羅映紅 張鵬 周碧英 李俊賢 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)