基于单相曲折变压器多重化结构的IGBT型STATCOM 接入系统控制策略的研究

基于单相曲折变压器多重化结构的IGBT型STATCOM 接入系统控制策略的研究1

周荔丹，姚钢，陈陈

上海交通大学电气工程系，上海（200030）

摘 要：由于电压波动会对敏感用户产生较大影响，现在电压波动越来越受到大家的关注。本文对基于单相曲折变压器多重化结构的IGBT型STATCOM 接入系统控制策略进行了研究，试图缓解因为电压波动对用户的影响。 关键词：无功补偿，STATCOM，恒电压控制。

1．引言

在电力系统中，随着大城市和负荷中心用电密度的增加以及超高压远距离输电线的采用，电力系统的稳定问题日益突出；此外，随着电力电子技术的发展及工业应用领域的扩大，工业电弧炉、轧钢机、大型半导体变流装置等冲击性负荷设备日益增加，这些负荷的无功功率变化剧烈，造成系统电压波动。因此，提高系统稳定性和抑制电压波动已成为电力系统的主要问题。具有快速响应功能的无功补偿器可以起到提高系统稳定性、抑制系统振荡和动态过电压等作用，因此，容量大、响应速度快、调节连续灵活、经济性好、维护方便的无功补偿设备的研制与开发对电力系统的发展具有重要意义。

目前使用的无功补偿设备有同步调相机、固定容量电容器、开关控制的并联电抗器和静止无功补偿装置如SVC、STATCOM等。由于同步调相机是旋转设备，且动态调节响应慢，目前很少使用；固定容量电容器和开关控制的并联电抗器自身投切时对系统的冲击较大，响应速度慢，不能连续调节；静止无功补偿装置SVC在电力系统中应用很广泛，但它对电网污染严重，需要并联滤波环节，且输出无功功率受系统电压影响较大；而静止式动态无功补偿装置STATCOM响应速度快，通过简单的多重化后，电压畸变率低于5%，不需要附加的滤波环节，受系统电压影响较小，且随着电力电子器件技术的发展，STATCOM的造价亦呈下降趋势。基于上述分析可以看出STATCOM取代SVC作为新世纪输配电系统动态无功补偿的主要形式，是FACTS技术和电力电子技术发展的必然趋势。

本文对STATCOM的控制策略进行了仿真研究，并研制了一台±10kVar的模拟装置，控制策略应用到模拟装置后取得了很好的结果。

2．主电路结构

STATCOM的主电路的核心是电压型逆变器。±10kVar STATCOM 采用如图1所示的基于单相变压器多重化结构的三相逆变器，采用12个单相逆变全桥移相迭加输出方案，这些单相全桥逆变单元共用一个由大容量电解电容构成的直流侧电源，其输出交流侧与12个单相中频隔离变压器的原边相接，单相曲折隔离变压器的副边通过一定的曲折连接方式与系统以并联方式并网。为了达到降低STATCOM输出电压谐波含量，每一相（A、B、C）的四个变压器分别滞后一个固定的移相角α，以达到移相迭加的目的，考虑到这种结构STATCOM降低谐波含量的目的，移相角α取为15°。逆变器的直流侧电压最高为450V（无功满额输出），正常工作电压为330V。 1

.本课题得到2003年高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20030248043）的资助。

-1-

http://www.paper.edu.cn

三相STATCOM逆变器的各相输出端分别连接一个高频滤波电抗器，再与系统相连。在曲折变压器多重串联连接结构中采用三角形接法，这样有效的避免了当系统不对称时，STATCOM输出电压中含有零序分量的现象，这样简化了当STATCOM在系统不对称情况下，STATCOM控制策略的复杂性。

VIiIVSA00B00C00C150C300C450A150A300B150B300A450B450Vdc

图1 ±10kVar STATCOM主电路结构图

3．STATCOM装置的恒电压控制策略

STATCOM接入系统的控制目标主要有以下两方面[3]： A．调节和维持系统电压

由于负荷的变动和电网其它因素的影响，系统电压会发生一定的波动，由于STATCOM装置的自动控制和快速响应功能，因而在一定范围内能够实现对系统电压波动的调节和电压水平的维持。这要求STATCOM装置具有充足的无功备用和灵敏的调节能力。

B．抑制系统暂态电压变化，提供电压支撑

在系统发生线路故障的情况下，或者系统负荷发生突然变动（突加负荷或突减负荷）的情况下，系统电压有可能发生大幅度而且快速的变化，有可能出现负荷低压释放等现象，引起电能质量下降，甚至发生系统的暂态电压不稳定问题。这要求STATCOM装置需要发挥自动而且快速响应的功能，为系统提供无功补偿，支撑系统电压，防止更严重的系统事故发生。

在输电系统投运STATCOM的根本目的是利用STATCOM维持或调节电压的能力，以提高系统的传输能力。安装STATCOM后，若STATCOM接于线路电气中点，且容量足够大，以至于可以维持接入点电压恒定，那么系统的静稳态极限将有所提高[4]。

由于装置最大的作用在于提供动态无功以支撑系统电压水平，因而装置的控制信号采用最直接有效的控制量——接入点电压，使得STATCOM正常运行时能保持接入点电压为额定值。为了提高STATCOM的响应速度，我们对恒电压控制策略进行了研究。

由于STATCOM的快速响应特性，其时间常数比工频周期短得多，传统的基于周期信号的有效值定义在STATCOM的控制中已经不再适用。为了达到快速控制的目的，必须采用瞬时有效值和瞬时无功功率来进行控制。

在三相对称的情况下，瞬时有效值和瞬时无功功率[1]分别定义为

-2-

http://www.paper.edu.cn

2ua2+ub+uc2U= （1）

3Qt=

1[(ub−uc)ia+(uc−ua)ib+(ua−ub)ic] （2） 3这样，可以随时通过电压和电流的瞬时值计算电压瞬时有效值和瞬时无功功率。

STATCOM接入系统的示意图如图2所示。图中，Us是系统电压，Xs为线路电抗器，也是负荷供电电压，X为STATCOM接入系统电抗器，UI为Up为STATCOM接入点电压，STATCOM输出电压。

图2 STATCOM的系统接入图

负荷供电电压的变化主要决定于负荷的有功和无功功率。若采用如图2所示的并联型无功补偿装置STATCOM，即可通过补偿负荷无功功率而调节负荷端电压变化ΔＶ。STATCOM当Up由于某种原因（例接入系统的目的就是为了保持STATCOM接入点电压Up为额定值。

接入STATCOM补偿后，接入点电压回到正常值。如负载无功的变化）产生电压变化ΔU时，此时，补偿器发出的无功功率应为

ΔQ=

3UsΔU

（3） Xs

由式（3）可以看出，电压差额ΔU与对应的无功功率缺额ΔQ是成正比的。因此，可以使用简单实用的PI控制得到Qref，而无功功率的跟踪控制可采用姜齐荣等提出的逆系统PI控制[2]，其控制框图如图3所示。

图3 恒电压控制框图

-3-

http://www.paper.edu.cn

图4 t=1.5s时刻突加负载时接入点电压的瞬时变化和长期变化仿真波形

图5 t=1.5s时刻突减负载时接入点电压的瞬时变化和长期变化仿真波形

从图3可以看出，控制结构使用了串级控制，即双闭环控制，控制结构比较复杂；使用了2个PI控制器，控制器参数的调节比较困难。而且在控制中用到了瞬时无功功率作为反馈量，但是瞬时无功功率的计算误差比较大，主要由检测、采样环节产生，使得控制精度不能保证。采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC仿真，可得控制效果如图4和图5所示。

为简化控制并达到更好的控制效果，需要对上述方法进行改进。

公式（3）表明电压差ΔU与所需要的无功功率ΔQ是正比的。此外由文献[2]可知，无功功率与系统电压和STATCOM输出电压的相位差δ成正比，所以，电压差与δ也成正比关系。通过上述分析，可以得出STATCOM输出电压的控制可采用简单实用的PI控制。控制框图如图6所示。采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC仿真，可得控制效果如图7和8所示。

图6 恒电压控制改进方法框图

图7 t=1.5s时刻突加负载时接入点电压的瞬时变化和长期变化

-4-

http://www.paper.edu.cn

图8 t=1.5s时刻突减负载时接入点电压的瞬时变化和长期变化

从图7和图8可以看出，负载突变时，接入点电压发生的突变幅度小于前面提到的常规方法，而且采用改进方法后对额定电压380V的跟踪效果明显优于前者。

此外，为了提高装置的稳定性，在实际控制中我们采用了增量式PI控制来代替普通PI控制。

4．实验结果

我们设计和实现的模拟装置采用图1所示原理接线，接入系统时采用图2所示结构。控制器的DSP采用TMS320C5402，脉冲发生器采用FPGA。

采用逆系统PI控制的控制策略进行控制时，得到的实验波形如图9所示。

图9 采用逆系统PI控制时的无功响应和电流响应

图10为采用恒电压PI控制时，针对突变负荷的无功响应和电流响应，从图中可以看出，响应速度仍然较慢，大约600ms之后达到稳定值（100ms/div）。

图10 采用恒电压PI控制时的无功响应和电流响应

-5-

http://www.paper.edu.cn

从实验结果来看，STATCOM恒电压控制策略发挥了其电压控制的作用，当系统突增3kW有功功率负荷和2kVar无功功率负荷时，动态模拟试验系统电压由额定电压（380V）迅速降至360V，STATCOM检测到系统电压降落后，迅速调节其输出无功功率的大小，以弥补动态模拟系统的无功缺额，并最终达到控制动态模拟系统电压稳定在额定值的控制目标。

通过该实验的暂态过程，STATCOM在恒电压控制模式下的动态响应时间大致为600ms。

5．结论

本文对基于单相曲折变压器多重化结构的IGBT型STATCOM 接入系统控制策略进行了研究，仿真和实验结果表明，本文提出的控制策略对提高系统响应速度有一定作用，还可在此基础上对算法进一步改进。

参考文献

1． 王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社，1999

2． 姜齐荣，王强，韩英铎，等. 新型静止无功发生器(ASVG)装置的建模及控制. 清华大学学报(自然科学版)，1997，37（7）：21-25 3． 朱永强，崔文进，胡东辰，等. ±50Mvar 静止补偿器接入系统运行策略仿真研究. 电力系统自动化，2004，28（21）：77-80 4． 粟春，姜齐荣，马晓军，等. ±10kVar静止同步补偿器的动模实验研究. 电力系统自动化，1999，23（6）：50-53

The Control Strategy of Connecting to System Research of STATCOM Based on IGBT Technique with Single Phase

Zigzag Transformers

Zhou Lidan, Yao Gang, Chen Chen

Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, China (200030)

Abstract

Since it is harmful to sensitive customs, Voltage Fluctuation has been the focus of power system. This paper is about the control strategy of connecting to system research of STATCOM based on IGBT technique with single phase zigzag transformers, and tries to do some work to alleviate the effects of Voltage Fluctuation.

Keywords: Reactive power compensation, STATCOM, Voltage control.

-6-