含有DSTATCOM裝置的農電網電壓穩定性研究

周碧英+陰國富

摘要：在農業配電網中加裝DSTATCOM裝置是提高系統電壓穩定性的有效方式。在分析DSTATCOM工作原理的基礎上，推導了其數學模型，提出了一種利用2個PI控制器分別控制DSTATCOM直流側電壓和公共連接點交流電壓的補償控制策略。在農電網電源電壓波動和負載低頻波動的典型不正常工況條件下進行了仿真測試。結果表明，所提方法對系統和負載的電壓閃變和波動抑制效果明顯，有效提高了農業配電網的供電電壓質量。

關鍵詞：DSTATCOM；電壓穩定性；農電網

中圖分類號： S24；TM712文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0226-04

收稿日期：2017-03-07

基金項目：渭南師范學院教改研究項目（編號：JG201631、JG201527）；渭南師范學院科研計劃（編號：16YKS013、16YKP007）。

作者簡介：周碧英（1978—），女，陜西大荔人，碩士，副教授，主要從事計算機仿真技術。E-mail：biyingzhou@126.com。在現代社會中，電能已經成為農業現代化的基礎性能源。農電網主要由農村電力線路和農村變電所組成，相比城市供電具有用戶分散、輸電距離遠和用電負荷密度小的特點，系統運行方式受季節和氣候的影響明顯，其電壓質量較難達到標準[1-2]。隨著農業電氣化進程的加速，大量農業用電設備的投入運行，用戶對電能質量的要求越來越嚴格。而農電網中電壓發生波動的概率很高[3-4]，如線路的分合閘操作、大功率灌溉電動機啟動及調速、排澇負荷等特種沖擊重載負載投入或退出電網、雷擊傳輸線和線路故障等因素都會引發農電網局部電壓發生波動。嚴重的電壓波動會對電壓敏感設備造成不良影響，甚至損毀用電設備，造成一些不必要的損失。

提高農電網的安全運行水平和電能質量，除了電網自身結構要合理以外，還必須具有先進的調節控制手段[5-7]。由于傳統機械式投切電容器補償的動作緩慢，且又受到操作頻率上限制約，因此對電力系統暫態穩定難以起到有效的控制作用。隨著電力電子技術的發展及應用，形成了以變流器為核心的新型控制設備，對電壓、線路阻抗和功率角等影響潮流分布的參數均可按系統要求進行快速準確的調節。STATCOM是柔性交流輸電系統（flexible AC transmission system，FACTS）中的重要裝置之一[8]，具有調節速度快、范圍寬、連續性好的優點。在農業配電網中，將中小容量的STATCOM安裝在特殊負荷附近，采用合理的控制策略就能有效改善電壓質量，對提高功率因數、抑制電壓凹陷和閃變波動有著重要作用。

1DSTATCOM工作原理概述

STATCOM主電路一般采用電壓型逆變器和直流側電容構成，在配電網中將中小容量的STATCOM安裝在某些特殊負荷附近，可以顯著地改變負荷與公用電網連接處的電能質量。這種用于配電網的STATCOM一般被稱為DSTATCOM。其主電路及控制方式與PWM整流器類似，只是無功功率不再為0，而是根據指令產生所需無功功率。

圖1為DSTATCOM工作原理圖，在補償點設置系統電壓和電流測量單元來獲取無功功率參量，根據輸入值與整定值的比較由控制器發出指令來控制DSTATCOM主電路開關器件的通斷。當輸入值與整定值存在偏差，則DSTATCOM發出超前或滯后無功電流進行補償，否則不交換無功功率。DSTATCOM的輸出經耦合變壓器與脈沖變壓器進行阻抗匹配和電氣隔離后接入電網。

2三電平DSTATCOM數學模型

采用三電平逆變器結構不僅使系統對功率器件耐壓等級的要求有所降低，而且使得逆變器輸出波形的諧波含量大為減少，在以靜止同步補償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術和以中高壓變頻為代表的大電機拖動、風力發電等領域應用較多。圖2為三電平DSTATCOM主電路。

為了便于推導，假設主電路開關器件為理想元件，且三相平衡。這樣可以只取A相進行分析，B、C兩相與A相也具有類似結果。根據主電路，先寫出交流STATCOM側的A相電壓關系的時域微分方程組：

LAdi（t）Adt=U（t）mA-U（t）sA-rAi（t）A。（1）

式中，LA、rA分別A相負載折算電感、電阻；U（t）mA、U（t）sA分別為A相負載電壓、開關電壓瞬時值；i（t）A為A相負載電流瞬時值。

用SPA、SNA、SOA分別表示A相的3種開關狀態，則電壓關系用開關函數可表示為

U（t）sA=s（t）PA[U（t）dcU+U（t）O]+s（t）NA[U（t）O-U（t）dcL]+s（t）OAU（t）O。（2）

式中，U（t）dcU、U（t）dcL分別為直流側電容CU和CL電壓瞬時值；U（t）O為輸出電壓瞬時值。

開關函數滿足：

SPA+SNA+SOA=1。（3）

根據假設的條件，系統中各相的折算電感和電阻也分別相同，中點三相電流、電壓之和均為0。由以上條件可以得出：

U（t）O=-13U（t）dcU∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL∑j=A，B，Cs（t）Nj。（4）

DSTATCOM的A相數學模型為

U（t）sA=s（t）PAU（t）dcU-s（t）NAU（t）dcL-U（t）duC3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj；（5）

LAdi（t）Adt=-rAi（t）A+U（t）mA-s（t）PAU（t）dcU+sNAU（t）dcL+U（t）dcU3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj。（6）

同理可以得B、C相數學模型。

3DSTATCOM控制策略endprint

采用DSTATCOM補償無功可以有效提高功率因數、克服三相不平衡，消除電壓閃變和電壓波動帶來的不良影響。DSTATCOM的控制是通過調節逆變器直流側電容電壓來實現的，利用DSTATCOM與系統連接點的電壓和電流的同步信號采集來進行對比生成控制信號，將輸出控制信號提供給變流器來控制開關器件通斷，發出無功補償電流。

圖3為農電網DSTATCOM控制策略的框圖。在DSTATCOM的控制中主要存在電壓和電流信號的測量、直流母線端電壓控制、參考補償電流的提取和開關器件脈沖信號生成等關鍵問題。圖3中使用2個比例積分（PI）控制器來分別控制DSTATCOM的直流母線電壓和公共連接點的交流電壓。DSTATCOM的補償電流超前或滯后電壓90°，補償電流會產生電壓降，而線電壓幅度始終保持在其參考值。當負載是電感性時，DSTATCOM工作過程類似電容器補償。配合無功電流控制，DSTATCOM的控制功能包括了諧波濾除、負載平衡和中性線電流補償。圖3含有2個PI控制器，利用電流同相分量校正負載的功率因數，通過同步參考幀正交分量調節公共連接點處的系統電壓。PI控制器的輸出通過直流母線電壓測量，作為電源參考電流的正交分量。將輸入電流利用Clarke變換完成從三相靜止坐標系（abc）到兩相旋轉坐標系（dq0） 的轉化，利用鎖相環（PLL）獲得正序和負序的同步參考信號，在通過低通濾波器（low-pass filter，LPF）時，同時加法比較同相電源參考電流和正交電源參考電流獲得瞬時參考電流。當在電路中產生參考電源電流時，再經過坐標反變換遲滯電流控制器控制電源電流和瞬時參考電流，由電流矢量PWM控制器產生DSTATCOM變流器開關器件的脈沖。控制器的功能是控制在期望的參考電流值附近的DSTATCOM電流，而滯環控制器為DSTATCOM的變流器開關器件生成觸發控制脈沖。DSTATCOM根據控制發出的補償電流經濾波器濾除諧波后送入系統，完成補償過程。

4仿真結果及分析

按照圖3所示的補償控制方法在Matlab/Simulink中搭建如圖4所示的DSTATCOM仿真模型。系統電源參數如下：配電網電壓25 kV，母線B1與B2之間為21 km用“π”形等值電路模擬的配電線，母線B2帶有3 MW、0.2 Mvar的負載，母線B2與B3之間為2 km用電感電路模擬的配電線，母線B3后接25 kV/600 V降壓變壓器，接1個1 MW固定負載和1個可變負載，容量為±3 Mvar的DSTATCOM接在母線B3附近，為了加快仿真速度，系統采用離散化處理。

4.1DSTATCOM在電源電壓波動時對母線電壓的穩定作用

農電網電力系統實際運行中， 當電源電壓由于某種原因

產生波動而偏離額定值，必然會引起各母線電壓發生變化，進而影響各種用電器的正常工作，嚴重時甚至會危及電力系統的運行。為了模擬這種工況，驗證DSTATCOM的動態性能和抑制電壓波動及閃變的能力，設置電源輸出電壓在0.1 s時刻上升到額定值的1.1倍，在0.2 s時刻下降到額定值的0.9倍，在0.3 s時刻上升到額定值的1.05倍，在0.4 s時刻恢復到額定值。

為便于計算和對結果分析比較，圖5中各母線電壓、電流、有功功率和無功功率均取用標幺值（PU）。圖5為母線B1與B3電壓波形比較，可以看出由于母線B1電壓距離電源較近，其電壓跟隨電源電壓變化，幅值變化較大。因為母線B3附近安裝有DSTATCOM可以抑制電壓的波動及閃變，母線B3的電壓變化幅值遠小于母線B1，如在電壓波動最為劇烈的 0.1 s 時刻，母線B1幅值達到了額定電壓的114%，而母線B3幅值僅為額定電壓的103%，保證了電壓在5%以內波動，提高了電壓穩定性。可以看出母線B3電壓在DSTATCOM的作用下，基本維持在額定電壓附近。

圖6為DSTATCOM有功功率變化，圖7為DSTATCOM的無功功率變化，可以看出有功功率基本維持不變，只是在無功功率突變時略有波動，表明系統具有良好的解耦控制性能。圖8為DSTATCOM的電流波形，可以看出當母線B3電壓產生波動后，DSTATCOM迅速作出反應發出或吸收相應的無功電流，維持了系統電壓穩定，系統具有很好的動態性能。

4.2DSTATCOM對負載低頻波動的抑制作用

農電網中大量應用交流調速系統，在運行在低頻區域時，其性能不夠理想，主要表現在低頻啟動時啟動轉矩小，造成系統啟動困難甚至無法啟動。變頻器產生的非線性高次諧波，

會引起電動機轉距脈動及嚴重發熱，造成運行噪聲加大。低頻穩態運行時，受電網電壓波動或系統負載的變化及變頻器輸出電壓波形畸變的影響，將引起電動機的抖動。因此必須采取相應的措施，使系統的低頻運行特性能得以改善。

為了模擬這種工況，設置系統在0.15 s開始、負載參數

頻率為5 Hz的低頻波動。圖9為無DSTATCOM時母線B3電壓，可以看出負載波動引起母線B3電壓產生同樣的波動，電壓波動達到了±4%。圖10為系統投入DSTATCOM后母線B3電壓，可以看出電壓波動得到了明顯的抑制，只有 ±0.7%。

5結語

針對農業配電網電壓穩定性差、受負載影響波動大的問題，結合開關函數法建立了三電平DSTATCOM詳細時域數學模型，提出了利用DSTATCOM與系統連接點的電壓和電流的同步信號采集來進行對比生成控制信號的控制策略。結果表明，所提方法對電源電壓和負載引起的波動能夠快速有效地進行補償，具有結構簡單、易于實現的優點，有效地改善了農業配電網的電壓質量。

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