STATCOM的直接功率控制技术研究(图文)

随着全控型电力电子器件GTO，IGBT的发展，一种新型的无功补偿装置—静止无功发生(STATCOM)器发展起来。1976年，美国学者L Gyugyi在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无功补偿的各种方案。它的原理和控制方法与SVC有很大不同。论文格式。它是将自换相桥式电路通过电阻和电抗器(包括变压器的漏抗与电路中其他电抗)，或者直接并联在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
　　上世纪90年代初，Tokuo Ohnishi提出了一种将瞬时有功功率、无功功率用于PWM变换器闭环控制系统中的控制策略，随后ToshihikoNoguchi等学者进行了研究并取得了进展[1]。由于电压型STATCOM直接功率控制(DPC)系统具有更高的功率因数、低的THD、算法及系统结构简单等优点，得到国内外学者的关注和研究。本文通过Simulink环境下的仿真模型进行了静态补偿效果和动态响应效果仿真，证明了这种控制策略的可行性。
　　1 电压定向直接功率控制
　　现行的国外直接功率控制策略一般分为基于电压定向控制(VOC)的DPC控制[2][3][4]与基于虚拟磁链定向控制(VF)的DPC，本文所讨论的是VO-DPC。
　　VO-DPC系统采用电压外环、功率内环结构。电压外环起到快速跟踪给定电压的作用。瞬时功率根据检测到的电压ua，ub，uc和电流ia，ib，ic进行计算，得到瞬时有功和无功功率的估算值p、q及三相电压ua，ub，uc在静止αβ坐标中的uα，uβ。p、q与有功功率的给定值pref、无功功率的给定值qref比较后送入功率滞环比较器，输出反映估算功率偏离给定功率的开关信号Sp，Sq，由电压外环设定，qref设定为0，实现单位功率因数。uα，，uβ送入扇形选择器，输出为电源电压矢量 所处扇区的信号θn。根据，Sp，Sq，θn在开关表中选择所需的Sa，Sb，Sc，去驱动主电路。
　　为实现对功率的实时控制和调节，不能采用常规的平均功率计算法，应采用瞬时功率计算。三相电压型STATCOM瞬时功率按式(1)计算。
　　 （1）
　　瞬时功率检测信号与功率给定值送入定环宽的滞环比较单元，输出相应的比较状态值Sp、Sq。Sp和Sq只有两种状态，即1和0，Sp=1表示期望开关动作能使瞬时有功功率p增加，Sp=0表示期望开关动作能使p减小。Sq=1表示期望开关动作能使瞬时无功功率q增加，Sq=0表示期望能使q减少。把得到的Sp、Sq与扇区选择信号θn一起送
　　
　　图1 三相VSR DPC系统框图
　　入开关表，进而确定DPC系统所需的开关状态，即Sa、Sb、Sc的取值。Sp、Sq按下列规则确定[5]
　　 （2）
　　 (3)
　　式中Hp、Hq为有功和无功功率滞环比较器的环宽。由于采用了滞环控制，因此造成了VSR开关频率不固定，本文按给定值的5%选取，Hp、Hq决定了功率控制精度，亦决定了STATCOM的开关频率。
　　1）电压空间矢量扇区划分
　　为实现三相VSR电压空间矢量位置的选择，需将三相电压ua，ub，uc变换成uα，uβ，由uα，uβ确定电源电压矢量u的幅角θ，θ=arctan(uβ/uα)，根据θ确定u的位置。将电压空间矢量划分为12个扇区，如图2所示。θn由式(4)确定。例如θ=arctan(uβ/uα)=-30°-0°，说明电压空间矢量u在θ1扇区内。
　　 (4)
　　
　　图2 DPC系统电压空间矢量划分
　　2）开关表实现[6][7]
　　表1 直接功率控制开关表
　　
　　Sa、Sb、Sc的取值决定于所需的ur，ur为离散值U1U2…U7其值由Sa、Sb、Sc及Udc决定，其模值为：
　　 (5)对STATCOM的拓扑结构，应用KVL，得：
　　 　　 (6)
　　若忽略交流侧电阻，可得电压矢量方程为：
　　 (7)
　　进而可得：
　　 (8)
　　2 STATCOM的仿真分析
　　2.1静态补偿效果输入交流电压有效值：ea=eb=ec=220V，系统的负载为阻感负载，电阻R=8欧，电感L=22mH，STATCOM的交流侧输入电感L=4mH，直流侧电压为800V，直流侧电容C=1100uF。论文格式。仿真波形如下：
　　
　　(a)补偿前的电网电压电流 (b)补偿后的电网电压电流
　　图3 补偿前后的电网电压电流
　　
　　(a)直流侧电压和补偿后的(b)直流侧电压的放大波形
　　图4直流侧电压和补偿后的电网电压电流和直流侧电压的放大波形
　　图3为补偿前后的电网电压电流。图4为直流侧电压的情况，可看出直接侧电压超调很小且调节时间很短，这对于STATCOM的补偿效果是关键的。
　　2.2动态响应效果仿真参数同上，但在0.08s-0.16s系统的负载变为电阻R=8欧，电感L=44mH。以此来观察在负载突增突减时控制系统的响应情况。仿真波形如下：
　　
　　(a)补偿前的电网电压电流(b)补偿后的电网电压电流
　　图5 补偿前后的电网电压电流
　　
　　(a)直流侧电压(b)直流侧电压的放大波形
　　图6直流侧电压
　　
　　(a) 有功功率的跟踪效果(b) 无功功率的跟踪效果
　　图7 有功功率和无功功率的跟踪效果
　　图5为补偿前后的电网电压电流，说明直接功率控制系统的动态响应效果很好。图6显示为直流侧电压的情况，图6(b)可以看出负载的突变基本对于直流侧电压没有影响。图7所示的为有功功率和无功功率的跟踪效果，负载突变时有功和无功功率的给定也会发生突变，但跟踪效果并未受影响。
　　仿真从静态和动态两个角度对系统的补偿性能和鲁棒性进行了验证，仿真中的无功补偿效果及功率环的跟踪效果说明系统具有良好的控制性能。
　　3 总结
　　本文通过对VO-DPC系统动静态的仿真，验证了系统良好的动态性能，另外由于功率环只对瞬时有功和无功功率的标量位进行动态比较，具有高功率因数，低谐波等优点。因此，直接功率控制是STATCOM较为完善的控制策略，值得进一步研究。