基于雙閉環控制方法的靜止同步補償器性能改進與仿真

任鳳娟

摘要：本文介紹了配電網中安裝的靜止同步補償器D-STATCOM，給出了D-STATCOM的結構圖。然后研究了雙閉環控制策略，分析了三相VSR的數學模型、控制策略。最后，對時變電源和變負載調制進行了仿真，仿真結果表明基于雙閉環控制的PWM整流器具有良好的動態和穩態性能，動態響應快，諧波含量低，抗干擾性能好。

Abstract： In this paper， we introduce the Static Synchronous Compensator， which installed in distribution network is generally called D-STATCOM， and we have the structure chart of D-STATCOM. Then the control strategy were studied in the double Closed-Loop， we analyse the mathematical model of three-phase VSR， the control strategy. At last， we did the simulation of time-varying power source and of modulation of the variable load. The simulation results show that the PWM rectifier based on the double closed-loop control has good dynamic and steady state performance， fast dynamic response， low harmonic contents and satisfactory anti-disturbance performance.

關鍵詞：靜止同步補償器;PWM整流器拓撲;控制策略;仿真

Key words： Static Synchronous Compensator;PWM rectifier topology;control strategy;simulation

中圖分類號：TM714.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0229-04

0? 引言

靜止同步補償器又稱靜止同步電容器，是柔性交流輸電系統中的核心裝置和核心技術之一，代表著無功補償的發展方向。靜止同步補償器安裝在幾種特殊負載（如電弧爐和地鐵，它們是浪涌和換向負載）周圍，可以顯著改善負載和電網連接處的電能質量和暫態穩定性。安裝在配電網中的靜止同步補償器通常稱為配電網靜止同步補償器，簡稱D-SATCOM。

靜止同步補償器（D-STATCOM）結構圖如圖1所示，主電路是由兩個絕緣柵雙極型晶體管和二極管組成的電壓型PWM整流器。雙整流器的配置產生比單橋少的諧波，能夠減少濾波，改進動態響應。該控制器的控制原理與具有限幅PI控制器的雙閉環控制-直流環節電壓控制回路和具有前饋PI控制器的電流控制回路相似。

1? 雙閉環控制策略

1.1 三相VSR的數學模型

三相電壓PWM整流器拓撲如圖2所示，假設三相系統沒有中性點連接。

其中：ea，eb，ec—三相電壓;ia，ib，ic—線電流;ua，ub，uc—整流器輸入電壓;udc—直流總線電壓;R—線路電阻;L—線路電感;C—濾波電容器;iL—負載電流。

三相電壓型PWM整流器在靜止a-b-c坐標系中的數學模型可以表示為：

靜止a-b-c坐標系下的整流器模型簡單直觀，但由于輸入信號的正弦性，傳統的PI控制器不能保證零穩態誤差。從電壓定向控制（VOC）的角度進行派克（Park）變換，同步旋轉d-q坐標系下的整流器模型可以給出

其中，sd、sq是同步旋轉d-q坐標系下的切換函數。

1.2 控制策略

方程2表明，系統（id，iq）的d，q軸輸出電流不僅受網絡電壓（ed，eq）的影響，而且受耦合電壓（ωLiq，-ωLid）和整流器輸入電壓（即整流器控制電壓ud，uq）的影響。因此，如果控制系統能夠包含這些干擾分量，它可以消除這些影響。將（2）方程中的前兩個方程的右部分分別替換為u*d和u*q。

從等式（3）中，我們發現id、iq是解耦的，并且它們是等價的系統。

通過坐標變換，將三相靜止坐標系中的基本正弦變量變換為同步旋轉d-q坐標系下的直流分量。從內模理論的角度出發，采用傳統的PI控制器可以保證零穩態誤差，其原因在于同步旋轉d-q坐標系下的參考電流是恒定的直流信號，在S域中，積分部分包含階躍信號1/s。同步旋轉d-q坐標系下內電流環和外電壓環的解耦控制圖如圖3所示。電流反饋ωLiq、-ωLid和網絡電壓前饋ud、uq引入到控制系統中。

2? 仿真

D-STATCOM仿真模型如圖4和5所示。D-STATCOM由25kV/1.25kV耦合變壓器、兩個IGBT/二極管橋組成的電壓源PWM整流器、LC阻尼濾波器、10000uF電容器和控制器組成。該控制器由抗混疊濾波器、核心控制模塊和PWM脈沖發生器組成，核心控制模塊與前面提到的雙閉環非常相似。

2.1 時變電源的仿真

在此模擬過程中，可變負載將保持恒定，并且觀察D-STATCOM對源電壓階躍變化的動態響應。時變電源的時間-幅度對序列被設置為{（0，1），（0.2，1.06），（0.3，0.94），（0.4，1）}。仿真結果如圖6所示。

從圖6可知，隨著電源的變化，B1母線的電壓變化較大，而B3母線的電壓由于D-STATCOM的作用而穩定地保持在額定電壓附近。

在圖7中示出了D-STATCOM的a、q軸電流iq和無功功率的電壓波形和電流波形。在正常情況下，整流器電流近似為零。當電源電壓高于額定電壓時，ia為感應電流，無功電流iq為負，無功功率Q為正，即D-STATCOM吸收無功功率。當電源電壓低于額定電壓時，ia為電容電流，無功電流iq為正，無功功率Q為負，即D-STATCOM提供無功功率。約0.3秒時，反作用力功率Q的流動方向反轉，而電流相位迅速變化且平穩。線電流具有良好的正弦性能。無功電流Iq快速、準確地跟蹤Iqref。

圖8和圖7結合說明只有當無功功率Q間斷時，直流電壓的變化規律與有功功率P的波形相一致，即用雙閉環控制策略達到解耦。

2.2 變載調制的仿真

在此測試期間，可編程電壓源的電壓將保持恒定，并啟用可變負載的調制。調制間隔為0.15-1秒，調制頻率為5Hz。首先，在沒有D-STATCOM的情況下進行仿真，圖9顯示母線3三相電流和電壓的振動頻率為5Hz。電壓波動范圍±4%。

3? 結論

研究了三相電壓型PWM整流器同步旋轉d-q坐標系下由內環電流環和外環電壓環組成的雙閉環控制策略。仿真結果表明：

①該系統采用雙閉環控制策略，可以很好地解耦。

②在雙閉環控制策略下，無論電源電壓或負載何時波動，母線電壓都能夠根據需要吸收或產生無功功率，通過D-STATCOM保持穩定。

③仿真結果表明，基于雙閉環控制的PWM整流器具有良好的動態和穩態性能，動態響應快，諧波含量低，抗干擾性能好。

④三相電壓型PWM整流器具有四象限運行和雙向功率流的能力，可廣泛應用于無功補償、有源電力濾波器、交-直流電力、交流電機驅動等工業領域。

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