改進(jìn)的p-q檢測法及其在STATCOM中的應(yīng)用

常 偉， 史麗萍， 杜坤坤

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 徐州 221008)

改進(jìn)的p-q檢測法及其在STATCOM中的應(yīng)用

常 偉， 史麗萍， 杜坤坤

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 徐州 221008)

介紹并分析了一種適用于電網(wǎng)電壓不平衡、畸變情況的改進(jìn)p-q補(bǔ)償電流檢測法及其在靜止同步補(bǔ)償器STATCOM(static synchronous compensator)中的應(yīng)用。該檢測法基于正序檢波器的設(shè)計，正序檢波器能夠準(zhǔn)確檢測出正序基波電壓，避免了不平衡電壓、諧波電壓參與p、q運(yùn)算，從而能很好地檢測出需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至?。此外文中還給出了STATCOM的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(pulse width modulation)以及直接電流控制策略。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明了基于改進(jìn)p-q檢測法的STATCOM裝置能快速、準(zhǔn)確地對電網(wǎng)進(jìn)行電流綜合補(bǔ)償。

靜止同步補(bǔ)償器； 級聯(lián)H橋； 檢測方法； 瞬時無功理論

STATCOM作為柔性交流輸電技術(shù)FACTS(flexible AC transmission system)的主要裝置之一，與靜止無功補(bǔ)償器SVC(static var compensator)相比，具有調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍廣、體積小，且暫態(tài)無功能力不受電容器容量的大小和系統(tǒng)電壓高低的限制等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，它代表了現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的最新發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的采用變壓器多重化逆變器的STATCOM相比，鏈?zhǔn)絊TATCOM具有無需多重化變壓器、占地面積小、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)[3～5]。

本文以煤礦地面6 kV變電站為研究應(yīng)用背景，對6 kV級聯(lián)STATCOM裝置進(jìn)行了研制。首先介紹了基于正序檢波器的p-q補(bǔ)償電流檢測法，分析了其在鏈?zhǔn)絊TATCOM中的應(yīng)用，然后給出了STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)以及調(diào)制方式，提出一種直接電流控制策略，最后對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

1 基于正序檢波器的改進(jìn)p-q檢測法

由于傳統(tǒng)的p-q檢測法在電網(wǎng)電壓不平衡時的檢測存在著缺陷[1，6]，本文采用了基于正序檢波器的改進(jìn)p-q檢測法，其基本思想就是通過一個正序檢波器檢測出入口電壓中的正序電壓，從而避免了諧波電壓或不對稱電壓參加運(yùn)算，故這種方法能在電網(wǎng)電壓不平衡、畸變等條件下快速、準(zhǔn)確地檢測出需補(bǔ)償?shù)臒o功分量，其基本原理如圖1。

圖1中va、vb、vc為電網(wǎng)公共接點(diǎn)處三相電壓，iLa、iLb、iLc為負(fù)載側(cè)電流；p、q為檢測出待補(bǔ)償?shù)膶?shí)功率和虛功率分量(包括基波負(fù)序功率、正序基波無功功率及諧波功率)；iah、ibh、ich為轉(zhuǎn)換后待補(bǔ)償電流，即除去正序基波電流的其他電流分量。

圖1 基于正序檢波器的p-q檢測法

圖1中的正序檢波器是該檢測法的關(guān)鍵所在，其理論基礎(chǔ)是對偶p-q理論和串聯(lián)電壓補(bǔ)償設(shè)計思想，即瞬時無功功率理論的應(yīng)用拓展[7]，其基本原理如圖2所示。

圖2 基波正序檢波器

圖2中電壓va、vb、vc通過αβ坐標(biāo)變換后與輔助電流iα、iβ一起，被用來計算輔助功率p1、q1。設(shè)輔助電流iα、iβ只含基波正序電流分量，且幅值和相角并不重要，可簡化表示如下[7]：

(1)

式中，ωt為電網(wǎng)電壓基波頻率。

2 大功率鏈?zhǔn)絊TATCOM

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的STATCOM采用級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)，又稱鏈?zhǔn)絊TATCOM，它的主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，H橋?yàn)閮呻娖饺珮蚰孀冸娐贰?/p>

圖3中參與級聯(lián)疊加的N個H橋單元，必須采用彼此獨(dú)立、沒有直接電連接的直流電源(直流電容)。這N個H橋單元均能進(jìn)行相同的脈寬調(diào)制PWM(pulse width modulation)控制，輸出的電壓為各個H橋單元輸出電壓的疊加。鏈?zhǔn)絊TATCOM的串聯(lián)疊加結(jié)構(gòu)就是通過提高輸出電壓來擴(kuò)容，通過增加輸出電壓的電平數(shù)來改善輸出電壓波形，減少對電網(wǎng)的諧波污染[8]。按照設(shè)計要求，裝置的額定容量為3 Mvar，每相采用8級H橋單元串聯(lián)，其中1級為冗余運(yùn)行單元，三相星型連接，每相通過連接電抗器直接并入6 kV電網(wǎng)的公共接點(diǎn)，電抗器取值為0.2 (pu)。圖3的每個H橋單元中，開關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)(型號為FF450R17ME4，規(guī)格為1700V/450A)，直流側(cè)電容容量為3000 μF(6個500 μF薄膜電容并聯(lián)組成的電容器組)。

圖3 鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路結(jié)構(gòu)

正常工作時，裝置每相8級H橋投入運(yùn)行，三相總的直流電容電壓為5.6 kV，H橋功率單元降額運(yùn)行[9，10]；當(dāng)某相中的某個H橋單元故障時，通過該H橋單元交流輸出端的旁路裝置(反并聯(lián)晶閘管)將其旁路，同時調(diào)高其他7級H橋的電容電壓以維持該相總的直流電壓5.6 kV不變。此后，該相非故障H橋單元自動運(yùn)行在額定容量上，而其他非故障相正常運(yùn)行，不受影響。

2.2 調(diào)制技術(shù)

在大功率變流器應(yīng)用領(lǐng)域，開關(guān)器件所允許的開關(guān)頻率很低，而在傳統(tǒng)的調(diào)制方式下，較好的輸出電壓波形質(zhì)量一般要求較高的開關(guān)頻率。載波移相正弦脈寬調(diào)制調(diào)制方式CPS-SPWM(carrier phase shifted-sinusoidal pulse width modulation)能夠解決這一矛盾，它能在較低的開關(guān)頻率的條件下實(shí)現(xiàn)較高的輸出電壓波形質(zhì)量[11]。本文采用單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制技術(shù)來控制8級H橋單元的通斷，其基本原理為：每一相中的8個H橋單元采用共同的調(diào)制波，各H橋單元的三角載波頻率為500 Hz，且初始相角依次相差180°/8(一級故障時，故障相其余7級H橋載波頻率提高8/7倍，初始相角依次相差180°/7[10]，而其他非故障相保持不變)每個H橋采用單極倍頻的調(diào)制方式；將各H橋單元輸出疊加，就能得到電平數(shù)為17的級聯(lián)H橋總的輸出電壓，此時輸出電壓的等效開關(guān)頻率將提高2×8倍即16倍。

2.3 直接電流控制方法

STATCOM電流控制方法可以分為間接電流控制和直接電流控制[1]。間接控制通過控制輸出電壓基波的幅值和相位來間接地控制輸出電流；直接控制就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對電流波形的瞬時值進(jìn)行反饋控制。

采用直接電流控制方法后，STATOCM響應(yīng)速度和控制精度將比間接法有很大的提高，且適合鏈?zhǔn)絊TATCOM的分相控制。由于直接控制法要求較高開關(guān)頻率，對于大功率STATCOM來說損耗很大。本文采用級聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和上述的調(diào)制方式，可將等效開關(guān)頻率提高16倍，文中每個H橋單元的開關(guān)頻率為500 Hz，每相8級H橋的等效開關(guān)頻率為8 kHz，滿足電流直接控制的頻率要求。電流直接控制框圖如圖4所示。

圖4中，STATCOM控制系統(tǒng)共需檢測3種三相交流信號，分別是電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的電壓、電流信號，STATCOM裝置交流側(cè)輸出電流，其中電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的電壓、電流信號用來檢測負(fù)載側(cè)需要補(bǔ)償?shù)臒o功、負(fù)序和諧波分量?；谡驒z波器的改進(jìn)p-q檢測法能夠?qū)崟r地、準(zhǔn)確地檢測出補(bǔ)償電流的參考值iaref、ibref、icref，這些值與裝置的交流側(cè)的輸出電流進(jìn)行實(shí)時比較，構(gòu)成了電流的直接閉環(huán)控制，比較差值通過PI調(diào)節(jié)器就能夠得到調(diào)制波信號。可以看出圖4中的三相控制系統(tǒng)是彼此獨(dú)立的，能進(jìn)行分相控制，控制結(jié)構(gòu)簡單。

圖4 直接電流控制方法

由于每個H橋單元是獨(dú)立的，所以鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)中必須要對H橋單元的直流側(cè)電容進(jìn)行平衡控制，本文采用分層控制，即上層對每相H橋單元總的電壓Vdc(三相的平均值)進(jìn)行PI控制，使其維持在給定值Vref，如圖4所示。下層采用基于有功電壓矢量疊加的平衡控制原理，對每個H橋單元的調(diào)制波進(jìn)行修正[12]，即可達(dá)到電容電壓平衡的控制目的。

3 系統(tǒng)仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真平臺對上述系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓有效值/頻率為6000 V/50 Hz，連接電抗器感值/等效電阻為5.4 mH/0.15 Ω、裝置容量3 Mvar、單相級聯(lián)H橋單元數(shù)為8級(如圖3所示)、每個H橋單元的開關(guān)頻率為500 Hz。

圖5為鏈?zhǔn)絊TATCOM并網(wǎng)前采用單極倍頻CPS-SPWM輸出相電壓波形，輸出相電壓電平數(shù)為17，已經(jīng)十分接近于正弦波。諧波次數(shù)主要分布在160次左右，且THD含量在2%以內(nèi)，此時的等效開關(guān)頻率為8 kHz，與2.2節(jié)的分析相一致。

為了接近實(shí)際情況，負(fù)載補(bǔ)償仿真時，電網(wǎng)電壓中加入了少量的5次、7次諧波和少量的負(fù)分量，波形如圖6(a)所示(標(biāo)幺值表示，電壓基準(zhǔn)值為相電壓峰值，電流基準(zhǔn)值為600 A)。負(fù)載側(cè)投入2 Mvar的感性無功、有功功率為2 MW，此時電網(wǎng)公共接點(diǎn)處的電流也含有大量的無功、諧波分量，如圖6(b)所示。

圖5 輸出相電壓波形圖

圖6(c)為補(bǔ)償后的三相系統(tǒng)電流，電網(wǎng)公共接點(diǎn)處的功率因數(shù)從補(bǔ)償前的0.7提高到0.98以上，且電流波形的總諧波失真THD(total harmonic distorti-on)lt;3%，由此可見本文設(shè)計的基于正序檢波器大功率鏈?zhǔn)絊TATCOM在電網(wǎng)電壓畸變、不平衡時，能夠?qū)ω?fù)載側(cè)進(jìn)行無功與諧波綜合補(bǔ)償，取得了不錯的補(bǔ)償效果。

(a) 電網(wǎng)電壓

(b) 補(bǔ)償前電網(wǎng)公共接點(diǎn)電流

(c) 補(bǔ)償后的電網(wǎng)公共接點(diǎn)電流

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置在經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)室測試后，于2011年6月份在山東棗礦集團(tuán)蔣莊煤礦地面6 kV變電站投入運(yùn)行。裝置并網(wǎng)后進(jìn)行了各項(xiàng)性能測試，各種指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

實(shí)際電網(wǎng)電壓波形中含有少量低次諧波、負(fù)序分量，波形如圖7(a)所示(圖7波形數(shù)據(jù)來自裝置的監(jiān)測系統(tǒng))；圖7(b)為裝置補(bǔ)償前電網(wǎng)公共接點(diǎn)的電流波形，波形含有大量的無功功率、20次內(nèi)的低次諧波和微量的高次諧波；裝置投入運(yùn)行后電網(wǎng)公共接點(diǎn)處的無功功率得到了很好的補(bǔ)償，功率因數(shù)在0.98以上，如圖8所示，低次諧波也得到了很好的抑制，如表1所示。

圖9為裝置運(yùn)行時的輸出b相相電壓vcb和相電流icb波形；圖9中，上圖為裝置啟動到正常工作時相電壓與相電流的變化波形，下圖為上圖中正常工作階段的局部放大波形。圖8和表1的數(shù)據(jù)來自電能質(zhì)量分析儀。

(a) 電網(wǎng)電壓實(shí)際波形

(b) 補(bǔ)償前電網(wǎng)公共接點(diǎn)實(shí)際電流波形

(c) 補(bǔ)償后電網(wǎng)公共接點(diǎn)實(shí)際電流波形

圖8 功率因數(shù)變化曲線

表1 補(bǔ)償前后b相電流低次諧波對比

圖9 裝置工作輸出波形

5 結(jié)語

針對煤礦地面6 kV變電站，本文提出基于正序檢波器的大功率STATCOM設(shè)計方案。設(shè)計了基于正序檢波器的p-q檢測法，能準(zhǔn)確、實(shí)時地檢測出補(bǔ)償信號，且適用于電網(wǎng)電壓不平衡、畸變的惡劣情況；H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，使STATCOM省去了耦合變壓器的設(shè)計，通過連接電抗器直接并入電網(wǎng)，降低了系統(tǒng)設(shè)計成本，減少了占地面積；CPS-SPWM調(diào)制方式能提高裝置的等效開關(guān)頻率、輸出電壓波形質(zhì)量；采用直接電流控制方式能夠快速、準(zhǔn)確地對電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償；仿真結(jié)果表明該STATCOM裝置能夠在電網(wǎng)不平衡、畸變的情況下，對電網(wǎng)公共接點(diǎn)進(jìn)行有效的補(bǔ)償，并且實(shí)現(xiàn)無功與諧波綜合補(bǔ)償，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

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常 偉(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o功補(bǔ)償與諧波抑制、大功率變流技術(shù)。Email:nthacw@126.com

史麗萍(1964-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊旱V機(jī)電設(shè)備及其自動化、無功補(bǔ)償與諧波抑制等。Email:shiliping98@126.com

杜坤坤(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o功補(bǔ)償與諧波抑制、大功率變流技術(shù)。Email:dukuncumt@163.com

Improvedp-qDetectionMethodandItsApplicationtoinSTATCOM

CHANG Wei， SHI Li-ping， DU Kun-kun

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining amp;Technology, Xuzhou 221008, China)

The improvedp-qdetection method of compensation current which is suitable for unbalanced grid voltage and distortion and its application in STATCOM is presented. This detection method based on positive sequence detector which can accurately detect the fundamental positive sequence voltage, it also can avoid the unbalanced voltage participate in thep-qoperation, so the compensation current component can be accurately detected. In addition, the main circuit topology structure of STATCOM, the pulse width modulation and direct current control strategy are also showed in this paper. Finally, the STATCOM device based on improvedp-qdetection method can quickly and accurately compensate current for the grid, which is verified by the analysis of simulation experiment.

static synchronous compensator(STATCOM)； cascaded H-bridge； detection method； instantaneous reactive-power theory

TM761； TM464

A

1003-8930(2012)06-0095-05

2011-08-22；

2011-10-09