配电网静止同步补偿器的建模与仿真研究

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1、配电网静止同步补偿器的建模与仿真研究摘要：分析了配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）的电路结构，引入开关函数建立了基于三电平电压型逆变器的DSTATCOM动态模型。DSTATCOM的控制方法是本文的研究重点。文中确定了基于瞬时无功功率的理论检测方法，采用跟踪型PWM控制技术实现了电流直接控制。仿真结果表明DSTATCOM的控制方法能有效地实现无功动态补偿。关键词：DSTATCOM；开关函数；三电平逆变器；直接电流控制1引言无功补偿是保持电网高质量运行的主要手段之一。作为FACTS的核心装置之一，静止无功

2、补偿器STATCOM的研制和开发在国内外引起了高度重视。STATCOM基于电力电子逆变技术，采用了GTO、IGBT等大功率全控型器件，与传统的补偿装置相比，STATCOM具有体积小、低电压特性好、响应速度快等特点，可用于电力系统动态电压调节、增强系统稳定性、提高输配电系统的电能质量等。已成为静止无功补偿技术的主要发展方向之一，各国的电力工作者对此都非常重视。本文针对DSTATCOM广泛应用的三电平桥式电路结构,引入了开关函数，建立了动态数学模型。提出了一套三电平变流器电流跟踪与直流电压平衡控制方法。采用该控

3、制方法的仿真结果证明DSTATCOM响应迅速,工作稳定可靠,对系统电压波动具有很好的补偿效果。2DSTATCOM的主电路和数学模型图1三电平逆变器主电路表1二极管钳位式三电平逆变器开关状态与输出电压的关系A相状态Sa1Sa2Sa3Sa4输出电压0态0110-Udc/21态001102态1100Udc/2根据三电平逆变器输出对中点的电压与开关变量Sa、Sb、Sc的关系，可得其输出相电压为：（：直流侧电容电压）通常当电压是对称时，可直接假定开关函数s是连续正弦的，且忽略高次谐波对基波分量的影响。同步信号的初始相

4、角为零是作该假设的一个前提。（1）利用变换矩阵对式(1)做d-q变换图1所示的DSTATCOM满足如下关系：（2）式中，、、表示电源相电压；、、表示相电流；、、表示变换器相压；R、L分别表示电阻和电抗；表示直流电压；C表示电容器容量。这里利用变换矩阵对式(2)做d-q变换。设。为角频率，为初值，则有（3）结合三电平逆变器开关函数的概念，可得所以结合式（3）可以得到DSTATCOM在d-q坐标系下的动态模型如下：（4）式（4）即为DSTATCOM的动态数学模型。可以看出，DSTATCOM的动态模型主要包括4个

5、参数和2个控制量。主要参数为装置的等值电抗L，等值电阻R（代表损耗），DSTATCOM直流侧电容参数C以及系统基频角频率。控制量为Sd、Sq，改变Sd、Sq可以控制DSTATCOM产生电压的大小以及与系统电压的相角差角，从而控制DSTATCOM产生的无功功率的大小和性质[1]。3控制方法本文设计的DSTATCOM以直接控制作为控制方法研究的基础。DSTATCOM的电流控制包括无功电流和有功电流的控制。无功电流控制用于产生电压波动所需的无功电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。DSTATCOM的控制器通常由内环

6、控制器和外环控制器两部分组成。外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。3.1外环控制（1）无功参考值的确定是给定的无功参考电压，是逆变器输出端的电压幅值。将两者作比较，得到误差信号，经PI调节器后得到无功电流的参考值。通过控制补偿装置就可发出电压波动所需的无功功率，减少无功在系统中的流动，能够在很大程度上抑制电压跌落、电压波动。图2无功参考值的产生模块.（2）直流侧电容电压控制（有功参考值确

7、定）实际DSTATCOM主电路中的各个器件并非理想器件，都存在一定的电阻，当电流流过DSTATCOM时，将在电路中产生相应于能量损耗的电阻压降，此电压损耗将会导致直流电容上的电压降落。同时，动态补偿时补偿电流的时变性也会使直流电压产生大的波动，从而使补偿系统输出电压波形畸变，不能对有害电流进行补偿，而且使得主电路功率器件的容量不易准确确定。因此必须通过装置与交流系统的有功交换控制直流侧电容电压在其正常范围之内。采用PI控制方法确定装置应从系统吸收的有功电流参考值。检测出直流侧电容电压,将其与直流侧参考电压值

8、作比较，得出误差信号。此误差信号经PI调节器后得到有功电流的参考值，如图3所示。经过这样的控制，DSTATCOM就可以从电网吸取或注入一定的有功电流，从而维持直流侧电容电压的恒定。图3有功参考值的产生模块3.2内环控制图4电流直接控制（PI）内环控制是DSTATCOM装置的控制核心，由于配电网补偿装置一般容量较小，而对其响应速度有较高的要求，故目前多集中采用直接电流控制方法[5]。如针对电流直接采用PI控制，如图