鏈式靜止同步補償器直流電容電壓平衡控制方法

唐琪

摘 要：直流側電容電壓平衡是鏈式靜止同步補償器（static synchronous compensator，簡稱STATCOM）能夠正常運行的前提，針對鏈式STATCOM直流側電容電壓不平衡問題，建立了鏈式STATCOM數學模型，通過解耦實現有功和無功的分離，結合軟件控制與硬件控制的優點，在分層構架的基礎上，提出一種電容均衡能量的方法實現直流側電容電壓平衡，上層通過解耦控制實現鏈式STATCOM整體有功、無功控制，下層通過電容作為中間單元來控制直流側電容電壓大小。仿真結果表明，該控制方法可以有效地解決鏈式STATCOM直流側電壓不平衡問題，具有較高的工程實用價值。

關鍵詞：鏈式STATCOM；直流電壓平衡；分層控制；電容均衡能量

1 前言

鏈式結構靜止同步補償器（static synchronous compensator，簡稱STATCOM）具有無需多重化接入變壓器、可實現分相控制、占地面積小、便于模塊化設計和冗余運行等優點[1-6]，近年來在國內外得到了廣泛的研究與應用。然而鏈式STATCOM各H橋模塊直流側相互獨立，其直流側電容電壓難以平衡，直流側電容電壓平衡是STATCOM裝置安全可靠運行需要解決的關鍵問題[7-10]。

本文在分層構架的基礎上，提出一種電容均衡能量的方法實現直流側電容電壓平衡，上層通過解耦控制實現鏈式STATCOM整體有功、無功控制，下層通過電容作為中間單元來控制直流側電容電壓大小，結合了軟硬件控制方法的優點，具有控制方法簡單，響應速度快且便于系統擴展等優點。

2 鏈式STATCOM數學模型

鏈式STATCOM系統整體結構如圖1所示。usa、usb、usc為系統電壓，等效電阻為R，連接電抗為L，uca、ucb、ucc為鏈式STATCOM輸出電壓，ica、icb、icc為補償電流，鏈式STATCOM每相鏈接由N個H橋逆變器構成。

由圖1，根據KVL可以得到鏈式STATCOM電壓表達式

對式（1）進行解耦變換可得

式（2）中：KP和KI分別為比例系數和積分系數。

3 電容均衡能量的直流側電壓控制方法

3.1 系統整體有功與無功功率控制

鏈式STATCOM整體有功與無功功率控制如圖2所示。根據式（2），通過前饋解耦控制實現STATCOM系統有功與無功功率的分離，進而實現對鏈接整體有功與無功功率的控制。

為了達到各H橋功率模塊的直流側電容電壓平均值等于其參考值電壓的目的，通過 PI 調節器，構造電壓均值控制方程為

式（3）中， 為鏈節額定電壓， 為直流側電容電壓平均值。調節有功電流指令，可以改變系統吸收的有功功率，系統吸收有功功率來給直流側電容充電。其控制框圖如圖 3所示。

3.2 電容均衡能量控制

通過上層解耦控制可以調節系統總的有功功率，在總的有功功率足夠的情況下，由于鏈式STATCOM三相鏈接各H橋模塊間的參數不一致，會有模塊過充電與過放電的情況出現，如果在各H橋模塊之間未采用平衡控制，會導致各模塊之間直流電壓不平衡，嚴重時甚至造成系統無法正常工作。

圖4給出了電容均衡能量控制框圖。CJ1…CJ（N-1）為n-1個均壓電容，P1…PN為單刀雙擲開關。模塊之間以均壓電容作為中間單元平衡各直流側電容電壓，運用能量轉移的思想，將直流側電容電壓高的能量轉移到電壓偏低的電容，來實現直流側電容均壓。當驅動脈沖上升沿到來時，單刀雙擲開關P1…PN合向上端，CJ1…CJ（N-1）與C1…C（N-1）構成n-1個閉合回路，當驅動脈沖下降沿到來時，P1…PN合向下端，CJ1…CJ（N-1）與C2…CN構成n-1個回路，經過開關的反復切換，均壓電容與直流側電容會達到電壓平衡，各均壓電容將兩兩之間的直流側電容連接起來，從而實現各直流側模塊的電壓平衡。其中單刀雙擲開關由MOSFET構成。

4 仿真

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了圖1中鏈式STATCOM系統仿真模型。仿真參數：us=400V，電網頻率fs=50HZ，鏈節直流側電容Cdc=3000μF，并網電感L=5mH，鏈節直流側電壓udc=110V，級聯模塊數N=3。

分別在只控制總的有功功率與加入電容均衡能量的控制方法下作對比。圖5為僅對總的有功功率進行控制，各H橋模塊之間未加入平衡控制時STATCOM直流側電容電壓波形。可以看出，只控制總的有功功率時直流側電容電壓不平衡較為明顯，從100V到120V不等，最大電壓達到20V左右，仿真結果表明，由于鏈式STATCOM三相鏈接各H橋模塊間的參數不一致，會導致直流側電容電壓不平衡，只控制總的有功功率不能實現各模塊直流電壓平衡。

圖6為加入電容均衡能量控制后STATCOM直流側電容電壓波形，可以看出，加入電容均衡能量控制后，其直流側電容電壓基本保持一致，穩定在110V左右，且波動小，仿真表明該控制方法可以有效地穩定鏈式STATCOM直流側電容電壓，達到很好的控制效果。

5 結論

本文針對鏈式STATCOM直流側電容電壓平衡問題，在分層構架的基礎上，提出一種電容均衡能量的方法實現直流側電容電壓平衡，上層通過解耦控制實現鏈式STATCOM整體有功、無功控制，下層通過電容作為中間單元來控制直流側電容電壓大小，結合了軟硬件控制方法的有點，具有控制方法簡單，響應速度快且便于系統擴展等優點。仿真結果表明：該方法可以有效地解決直流側電容電壓平衡問題，具有很高的工程實用價值。

參考文獻

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（作者單位：中國葛洲壩集團機械船舶有限公司）