大城市電網鏈式STATCOM關鍵技術研究

趙 理，金黎明，葉衛華，陳 濤，趙 波，朱俊星

（1. 重慶市電力公司，重慶 400014；2. 中國電力科學研究院，北京 100192）

大城市電網鏈式STATCOM關鍵技術研究

趙 理1，金黎明1，葉衛華2，陳 濤1，趙 波2，朱俊星2

（1. 重慶市電力公司，重慶 400014；2. 中國電力科學研究院，北京 100192）

文章介紹了鏈式STATCOM的拓撲結構，在此基礎上建立了數學模型。直流側電容電壓平衡控制是鏈式STATCOM的一個關鍵技術問題，針對此問題，采用了一種分級協調控制策略，通過改變H橋單元的輸出電壓和電流的夾角從而調整吸收/釋放的有功功率，最終控制直流側電容電壓平衡。最后，搭建了仿真模型，仿真結果驗證了控制策略的正確性和可行性。

靜止同步補償器（STATCOM）；鏈式結構；直流側電容電壓；分級協調

1 引言

靜止同步補償器（static synchronous compensator，STATCOM）可以有效改善系統電壓水平，提高系統功率因數，降低諧波含量，是電力系統重要的新型一次設備[1,2]。目前已投入運行的高壓大容量STATCOM主要分為兩種結構：多重化結構和鏈式結構[3,4]。鏈式結構的STATCOM相對于多重化結構的STATCOM，具有無需多重化接入變壓器、占地面積小、效率高、可實現分相控制和冗余運行等優點，因此近年來得到了廣泛研究和應用。

對于鏈式結構的STATCOM，由于其各級聯H橋具有獨立的電容，在裝置運行時，如果沒有附加控制措施，電容電壓會產生不平衡問題，因此必須進行電容電壓平衡控制以保證裝置安全、穩定的運行。ALSTOM公司在研究75Mvar鏈式STATCOM時，由于電容電壓不平衡問題，設備的投運時間推遲了一年[5]。電容電壓平衡控制可分為兩大類：逆變橋自身能量平衡控制和逆變橋之間能量交換控制[6,7]。逆變橋自身能量平衡控制是通過調節逆變橋自身參數達到平衡電容電壓目標的一類控制方法，主要包括角度偏差控制法、脈沖循環換位法、并聯電阻法和調制比控制法。逆變橋之間能量交換控制是指各級聯H橋的獨立電容通過附加的外部電路進行有功功率交換，從而實現電容電壓的平衡控制。

本文介紹了鏈式STATCOM的拓撲結構，在此基礎上建立了數學模型，詳細分析了分級協調控制策略，最后進行了仿真研究。

2 系統拓撲結構

鏈式STATCOM主電路拓撲結構如圖1所示。STATCOM通過連接電抗并聯接入系統母線側，每一相由N個結構完全相同的單相橋式電壓源逆變器（鏈節）串聯而成，N個鏈節串聯組成一個換流鏈，N個鏈節輸出電壓經過調制可得到2×N+1級的階梯電壓波形，三相逆變器聯結成三角形結構。RC為裝置啟動電阻，安裝于三角換流鏈角內。

圖1 鏈式STATCOM主電路拓撲結構

3 系統數學模型

在建立鏈式STATCOM數學模型的時候，將串聯單相橋組成的逆變器用理想電壓源等效，其損耗用電阻等效，得到如圖2所示的等效模型。R1和L1為三角形外的等效阻抗，R2和L2為三角形內的等效阻抗，eab、ebc、eca為逆變器輸出電壓，va、vb、vc為電網電壓。

根據等效模型，列寫回路方程：

圖2 鏈式STATCOM的等效模型

為了研究方便，將三相系統轉換到同步旋轉坐標系下，選取正交同步旋轉坐標的d軸和電網電壓矢量重合，這樣電網電壓的q軸分量為零。經過這種同步旋轉變換后，式（1）變為：

式中：R=3R1+R2，L=3L1+L2。根據功率守恒的原則，得到如下功率方程：

式中：Rp表示直流母線電容的漏電阻和逆變橋的并聯型損耗；vdc_ab、vdc_bc、vdc_ca代表逆變橋各單相橋電容電壓。

將式（3）中三個等式相加，得到反映直流分量動態特性的方程（vdc為每相逆變器各橋電容電壓之和的直流分量）：

綜合式（2）和式（4）可得包括直流電壓動態的三維狀態方程：

4 直流母線電壓平衡控制

直流電壓不平衡的主要原因在于觸發信號的延時和各個H橋中損耗的不同，解決直流側電容電壓平衡問題的主要思路就是研究如何補償各逆變單元的能量損耗，以及如何使得觸發信號更加準確。

裝置采用三級直流電壓控制[8]：第一級是全局直流電壓控制，使三相換流鏈所有鏈節直流電壓平均值等于參考值；第二級是換流鏈平均直流電壓控制，使每相換流鏈平均直流電壓等于全局直流電壓；第三級是鏈節直流電壓控制，使每個鏈節直流電壓等于換流鏈平均直流電壓。

4.1 全局直流電壓控制

全局直流電壓控制框圖如圖3所示。所有鏈節直流電壓的平均值Udc_ave與給定直流電壓U*dc相比較，所得誤差信號經PI控制器調節產生有功參考電流i*d。

圖3 全局直流電壓控制框圖

4.2 換流鏈直流電壓控制

換流鏈直流電壓控制框圖如圖4所示，其在換流鏈的參考電壓指令上疊加一個與該參考電壓反相的補償電壓指令，進一步影響換流鏈從電網吸收的有功功率，最終實現換流鏈平均直流電壓控制。三相換流鏈平均直流電壓Udc_ave_a、Udc_ave_b、Udc_ave_c與全局平均直流電壓Udc_ave相比較，所得誤差信號經調節器KP1產生每相換流鏈的有功參考電流i*d_a、i*d_b、i*d_c，此值與輸出電流中的有功電流id的誤差經過調節器KP2，再與相應的相位相乘，得到每相換流鏈的補償電壓uc_a、uc_b、uc_c。

4.3 鏈節直流電壓控制

圖5是每相第i個鏈節的直流電壓控制框圖，其在鏈節參考電壓指令上疊加一個與無功電流同相或者反相的補償電壓指令，調節該鏈節從電網吸收的有功功率，最終實現鏈節直流電壓控制。每相的每個鏈節直流電壓Udc_ave_i與該相換流鏈的平均直流電壓Udc_ave_a、Udc_ave_b、Udc_ave_c相比較，所得誤差通過調節器KP3，其輸出與該相無功電流同相或者反相的正弦信號相乘，得到該鏈節的直流電壓調節信號。容性模式時sign符號為正，感性模式時sign符號為負。

圖4 換流鏈直流電壓控制框圖

圖5 每相第i個鏈節的直流電壓控制框圖

5 仿真驗證

為了驗證直流電壓控制策略的可行性和有效性，搭建了仿真模型，樣機主要參數如表1所示。

表1 樣機主要參數

直流電壓控制策略仿真波形如圖6所示，Vdc_ave為所有鏈節直流電壓的平均值；Vdca_ave、Vdcb_ave、Vdcc_ave為三相換流鏈直流電壓的平均值；Vdca1、Vdcb1、Vdcc1為三相第1個鏈節的直流電壓。

由圖6中可以看出，鏈節直流電壓控制策略在13s時啟動，一段時間后各鏈節直流電壓達到平衡，16s時裝置滿載工作，此時直流母線電壓依舊能保持平衡。

圖7為滿載無功動態過程中瞬時無功功率的變化曲線，可以看出，系統動態響應速度快，同時具有良好的穩定性和跟蹤性能。

圖6 直流電壓控制策略仿真波形

圖7 瞬時無功功率的變化曲線

6 結論

本文介紹了鏈式STATCOM的拓撲結構，在此基礎上建立了數學模型；采用分級協調控制策略解決直流側電容電壓不平衡問題，仿真結果驗證了控制策略的正確性和可行性。

[1] 國家電網公司建設運行部，中國電力科學研究院組編. 靈活交流輸電技術在國家骨干電網中的工程應用[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[2] N G Hingorani. High power electronics and flexible AC transmission system[J]. IEEE Power Engineering Review，l988，3-4.

[3] Al-Hadidi,H.K.,Menzies,R.W..Investigation of a cascade multilevel inverter as an STATCOM[J]. Power Engineering Society General Meeting. 2003, 1∶ 193-198.

[4] 沈斐，王婭嵐，劉文華，等. 大容量STATCOM主電路結構的分析和比較[J]. 電力系統自動化，2003，27（8）：59-65.

[5] 耿俊成. 鏈式靜止同步補償器數學模型和控制策略研究[D]. 北京∶ 清華大學電機工程學院與應用電子技術系，2003.

[6] 劉文華，宋強，滕樂天，等. 基于鏈式逆變器的50MVA靜止同步補償器的直流電壓平衡控制[J]. 中國電機工程學報，2004，24（4）：145-150.

[7] Shosuke Mori, Katsuhiko Matsuno, Taizo Hasegawa, et al. Development of a large static VAR generator using self-comrnutated inverters for improving power system Stability[J]. IEEE Trans on Power System, 1993, 8(1)∶371-377.

[8] 趙瑞斌，邱宇峰，荊平. 一種級聯STATCOM的直流側電壓控制方法[J]. 電力電子，2009，4：18-22.

Research on the Key Technologies of Cascaded STATCOM in Large City Power

ZHAO Li1, JIN Li-ming1, YE Wei-hua2, CHEN Tao1, ZHAO Bo2, ZHU Jun-xing2
（1.Chongqing Power Company,Chongqing400014,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing100192,China）

The topology of the cascaded STATCOM is presented, and the mathematical model is built based on the topology. Unbalance of dc-capacitor-voltage is a key technical problem of cascaded STATCOM. To solve this problem, a multi-level cooperation control strategy is used. Dc-capacitor-voltage could remain constantly, when changing the angle between H-bridge voltage and current to adjust the active power absorbed or discharged by it. The simulation results have proved the correctness and the feasibility of the control strategy.

static synchronous compensator (STATCOM); cascaded structure; dc-capacitor-voltage; multilevel cooperation

TM762

A

1681-1070（2011）12-0021-04

2011-10-16

趙 理（1972—），女，高級工程師，主要從事電力系統運行等方面工作；

金黎明（1982—），男，工程師，主要從事電力系統運行等方面工作；

趙 波（1977—），男，高級工程師，主要從事電力系統和電力電子技術研究和開發工作。