配电静止同步补偿器（精选7篇）
配电静止同步补偿器 第1篇
配电静止同步补偿器 (Distribution Static Synchronous Compensator, D-STATCOM ) 作为一种重要的用户电力装置, 能通过直接控制交流侧输出电流有效解决电网电流畸变、电压不稳定及三相不平衡等多种电能质量问题[1,2,3,4], 在配电网电能质量控制领域受到越来越多的关注。
由于D-STATCOM自身系统严重非线性和所处配电网环境复杂恶劣, 要想提高补偿电流的跟踪速度及保持良好的鲁棒性, 控制策略的选择尤为关键。诸多学者对控制策略进行了大量的研究。参考文献[5]采用传统的PI控制策略 (近似线性控制理论) , 其参数难以整定且缺乏自适应性, 对D-STATCOM这样的非线性系统, 控制效果不太理想。参考文献[6]采用现代控制策略如变结构控制, 这种控制方法需要精确的数学模型, 而在实际中无法获得D-STATCOM的精确数学模型, 因此, 严重影响了现代控制策略的应用。参考文献[7-9]采用智能控制策略, 如模糊控制、人工神经网络控制、粒子群算法优化控制等, 模糊控制和人工神经网络控制等智能控制策略虽然具备了参数的自适应性, 但是在复杂环境中难以调整智能控制的相关参数, 而粒子群算法优化控制则容易陷入局部最优而影响控制性能。
上述控制策略都难以满足现代电网的控制要求, 本文在直接电流控制和简化FBD检测法 (由Fryz.S提出, Buchholz.F和Dpendbrock.M等人完善改进的检测方法) 数学模型基础上, 提出了一种采用混沌粒子群优化算法 (Chaos particle swam optimization, CPSO) 的模糊控制参数优化方法, 该优化方法不仅继承了粒子群算法计算简单、迭代迅速、实现相对容易的优点, 而且克服了容易陷入局部最优的缺陷, 优化效果非常突出。仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。
1 D-STATCOM数学模型
基于直接电流控制和简化FBD检测法的D-STATCOM数学模型如图1所示。
图中us为系统电压;Rs、Ls为系统电阻、电感;RL、LL分别为负载电阻、电感;R、L分别为补偿装置交流侧电阻、电感;直流侧电压整定为500V, Udc为直流电压实时采样值;ΔUdc为直流电压差值;ΔG为有功电导;usa为系统a相电压;ipa为基波有功电流;ila、ica分别为负载电流、补偿电流;icaref为补偿指令电流;i*caref为补偿电流调制电流。
D-STATCOM的补偿原理:检测出补偿对象所需的无功电流、三相不平衡负荷产生的基波负序电流、非线性负荷产生的谐波电流和基波零序电流的总和, 并及时产生与之相等、方向相反的补偿电流, 两者相互抵消, 使电网侧只传输基波有功电流。所以, 电流检测速度和精度对补偿性能的提高具有重要影响。简化FBD检测法数学描述如下所示。
式中:Kp、Ki为电压外环PI控制参数;Ts为采样周期。
该检测方法相较传统方法有较大的简化, 且检测精度几乎不受影响。同时本文采用了直接电流控制方法。直接电流控制就是直接控制交流侧输出的补偿电流, 使其准确、快速跟踪补偿指令电流icaref, 经负反馈得到调制电流i*caref, 调制电流i*caref经过三角波调制后产生PWM波, 控制主电路中的功率开关器件IGBT, 使D-STATCOM产生需要的补偿电流。
综上可得, 采用直接电流控制和简化FBD检测法的D-STATCOM系统不仅避免了传统检测方法的耦合问题, 而且极大简化了算法。
2模糊PI控制原理
由图1可知, 本文采用的是内外双PI控制, 参考文献[5]已经详细给出了传统PI控制的设计过程, 得到电流内环PI参数Kp=3, Ki=53, 电压外环PI参数Kp=1.36, Ki=13.6, 这里不再详述。由于D-STATCOM所处环境复杂多变及其本身极度非线性, 传统的固定参数PI控制无法满足实际需求, 需要提高其自适应性及鲁棒性, 为此引入模糊算法。
模糊PI控制原理如图2所示。首先利用Z-N整定法中稳定边界法得出控制器的初始参数K′p和Ki′, 然后模糊控制器通过模糊推理及模糊运算得到ΔKp和 ΔKi, 实现PI参数的初步调整。
模糊控制设计的关键在于隶属度函数参数和模糊控制规则表的设置。首先根据最大的变化范围确定输入e、Δe和输出 ΔKp、ΔKi的论域空间为[-6, -5, -4, 3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6];将输入、输出变量的语言值均分为7个语言值, 即{NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB}, 设NB、PB时为梯形隶属函数, 其余均为三角形隶属函数, 如图3 所示。以 ΔKp为例, 其初始控制规则见表1。由此得到初始的 ΔKp和 ΔKi, 由式 (5) 、式 (6) 可以获得原始的PI参数Kp和Ki。
参考文献[10]详细地介绍了智能模糊控制的设计过程, 控制分为电压外环控制和电流内环控制。控制的主要作用是消除补偿装置系统中的阻抗惯性环节, 并使补偿装置系统响应效果能够满足控制要求。但在实际中由于系统复杂且非线性, 建模时忽略了很多特殊情况, 难以获得精确的数学模型, 因此, 对控制的参数调整能力有很高的要求。而模糊控制中的隶属度函数参数和模糊控制规则表的设置简便粗糙, 控制效果较差, 很有必要在此基础上做进一步的研究。 图3 隶属度函数论域空间范围为[-6, 6], 幅值大小范围为[0, 1]。
3 混沌粒子群模糊PI控制器优化设计
为了提高模糊PI控制性能, 本文引入混沌粒子群算法优化模糊算法参数:隶属度函数参数和模糊控制规则表参数。 决定梯形隶属函数的参数为4个, 分别为左边变量S, 中心变量M1, M2, 右边变量B;决定三角形隶属函数的参数则为3个, 分别为左边变量S, 中心变量M, 右边变量B;2个输出量有249条控制规则, 98个未知参数, 则需要优化的参数有4 (4+35+4) +249=190个。
3.1 混沌粒子群算法
设D维搜索空间, 群体中的粒子总数为N, 第i个粒子在D维解空间中的位置为Xi= (xi1, xi2, , xid) ;其速度向量为Vi= (vi1, vi2, , vid) ;第i个粒子“飞行”历史中最优位置为φi= (φi1, φi2, , φid) ;令局部最优个体的位置为φg= (φg1, φg2, , φgd) 。各粒子的更新按照式 (7) 、式 (8) 进行:
式中:i=1, 2, , N;d=1, 2, , D;ω为惯性因子;c1 (c1≥0) 和c2 (c2≥0) 为学习因子;γ1d和γ2d为[0, 1]之间的随机数;vid∈[-vmax, vmax]。
在实际应用中, 当优化参数较多时, 收敛性降低, 并且容易陷入局部最优, 因此, 本文引入混沌思想提高算法的收敛速度和跳出局部最优陷阱, 采用Logistic方程构造混沌序列, 如式 (9) 所示。
式中:u为控制参量;Zm、Zm+1为m, m+1次混沌序列, m=0, 1, 2, 。
3.2 目标函数
在优化参数时, 需要用适应度函数FIT来评价系统的动态表现。本文采用系统电流中非有功部分作为适应度函数, 如式 (10) 所示。 当适应度函数FIT最小时, 表明补偿点得到了完全的补偿。用适应度函数FIT计算出的最小值所对应的位置为全局最优。
式中:k=a, b, c;isk为系统电流;θ 为功率因数角;v为系统基波电流与系统总电流的比值;θ1为系统基波电流与系统电压usk的夹角。
3.3 混沌粒子群算法优化步骤
(1) CPSO初始化。初始化种群规模、最大迭代次数、惯性因子以及学习因子等参数;随机产生一个m维的向量, 向量的每个分量数值在[0, 1]之间, m为参数优化的个数, 根据式 (9) 得到m个变量。
(2) 粒子群的适应度值计算。以式 (10) 作为粒子的适应度评价函数, 其误差值越小, 参数优化越好。
(3) 粒子的更新。依据式 (7) 、式 (8) 更新粒子的速度和位置。
(4) 最优位置的混沌优化。计算在原解空间对混沌变量经历的每一个可行解的适应度值, 保留性能最好的可行解, 并且用该解代替当前种群中任意粒子的位置。
(5) 条件判断。检查是否满足最大迭代次数, 若满足, 则停止;否则, 转到步骤2执行。
CPSO优化控制流程如图4所示。
以 ΔKP为例, 优化后的控制规则见表2, 隶属度函数如图5所示。
图5中隶属度函数论域空间范围为[-6, 6], 幅值范围为[0, 1]。
4 仿真与试验验证
为了验证优化模糊PI控制在突变负载情况下的控制效果, 本文利用了Matlab/Simulink仿真进行了验证试验, 并与传统PI控制、模糊PI控制进行对比分析。
仿真参数如下:电压为380V, 频率为50Hz;耦合降压变压器 (2∶1) 等效电阻为0.2Ω, 等效电感为2 mΗ;直流侧电容为6 800μF, 电压整定为500V;采样频率为6 400Ηz;电流内环参数Kp=3, Ki=53;电压外环参数Kp=1.36, Ki=13.6;感性负载为2 800var, 容性负载为2 800var。
对优化的模糊PI控制、模糊PI控制、传统PI控制3 种控制在3 种交替变化的负载 (0.5~1.5s是感性负载、1.5~2s是空载、2~2.5s是容性负载) 下进行仿真试验。仿真结果如图6图8所示。
从图6可看出, 在传统PI控制下, 电网系统电流幅值相位差最大, 除D-STATCOM系统所需的有功电流外, 还有不小的无功电流, 表明系统得不到完全的补偿, 而且直流电压在每类负载中都有一段明显的震荡, 系统阻尼系数偏小, 稳态误差较大, 在负载变化时, 控制变量会有起伏, 需要一段调整时间。
从图7可看出, 采用模糊PI控制时, 电网系统电流明显减小, 但感性负载时调整时间较长, 有一定的稳态误差, 感性负载突变为空载时没有影响, 但是空载突变为容性负载时有明显的起伏。
从图8可看出, 采用优化的模糊PI控制时, 电网系统电流最小, 说明补偿电流快速、准确地跟踪了指令电流, 很好地补偿了系统, 在任何负载下都能迅速平稳地达到整定值, 具有很好的静态、动态响应, 并且无论负载如何突变, 都不受影响, 体现了良好的鲁棒性及很好的调整能力。
5 结语
基于混沌粒子群算法的模糊控制参数优化设计方法通过优化模糊PI控制, 可快速调整模糊算法隶属度函数、模糊控制规则表, 使PI参数达到最优。由于D-STATCOM所处配电环境复杂多变, 参数瞬息万变, 因此, 把基于混沌粒子群算法优化模糊PI控制运用在D-STATCOM中, 可以使系统鲁棒性增强, 并实时快速精准补偿配电系统。通过试验分析和比较可以看出, 传统PI控制器由于参数固定缺乏自适应性, 补偿效果较差而且负载变化时控制效果会变差甚至会使系统不稳定。模糊PI控制方法控制效果较前者有明显的提高, 但是由于模糊参数难以调整到最优, 造成控制效果不稳定。而混沌粒子群优化模糊控制器则能抵抗负载干扰, 维持直流侧电压在给定值, 具有较好的适应能力, 鲁棒性较强。另外, 指令电流跟踪的速度快、精度高, 控制效果要比前两种好得多。由此可以看出, 基于混沌粒子群算法优化模糊控制的优越性以及将其运用到D-STATCOM控制中的有效性。
参考文献
[1]袁佳歆, 陈柏超, 万黎, 等.利用配电网静止无功补偿器改善配电网电能质量的方法[J].电网技术, 2004, 28 (19) :81-84.
[2]李旷, 刘进军, 魏标, 等.静止无功发生器补偿电网电压不平衡的控制及其优化方法[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (5) :58-63.
[3]WANG P, JENKINS N, BOLLEN M.Experimental investigation of voltage sag mitigation by an advanced static VA compensator[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, 13 (4) :1461-1467.
[4]BLAZIC B, PAPIC I.Improved D-StatCom control for operation with unbalanced currents and voltages[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21 (1) :225-233.
[5]SUN J, CZARKOWSKI D, ZABAR Z.Voltage flicker mitigation using PWM-based distribution STATCOM[C]//IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, 2002:616-621.
[6]MARGALIOT M, LANGHOLZ G.Fuzzy lyapunovbased approach to the design of fuzzy controllers[J].Fuzzy Sets and Systems, 1999, 106 (1) :49-59.
[7]MAK L O, NI Y X, SHEN C M.STATCOM with fuzzy controllers for interconnected power systems[J].Electric Power Systems Research, 2000, 55 (2) :87-95.
[8]MOHADDES M, GOLE A M, MCLAREN P G.A neural network controlled optimal pulse-width modulated STATCOM[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14 (2) :481-488.
[9]SINGH B, SOLANKI J, VERMA V.Neural network based control of reduced rating DSTATCOM[C]//INDICON, 2005 Annual IEEE, 2005:516-520.
配电静止同步补偿器 第2篇
静止同步补偿器(STATCOM)在我国是比较先进的无功补偿领域的代表,它也是柔性交流输电系统(FACTS)和柔性交流配电系统(FACDS)中的重要控制设备,我国在2010年即开始正式在输电系统中引入这种技术(东莞),以实现区域电网的电能质量控制的优化。STATCOM技术自问世以来得到了飞速的发展,其具有可控性强、控制精度高、快速灵活等特点,可实时控制补偿电流的幅值和极性,实现真正意义上的先进控制理论的应用,为实现柔性配电和智能配电,应用于配电系统的静止同步补偿器也将成为今后研究的重点[1,2,3]。
1 配电网现状分析
现代配电网的概念已经有了进一步的扩充,除了传统的基本概念外,它还增加了微网和柔性配电(DFACTS)的概念。“微网”是指接有分布电源的配电子系统,是一个预先设计好的供电孤岛,可在与主网脱离后正常地独立运行。微网一般均采用了先进的测控技术、保护技术、电力电子技术,可以灵活地与大电网连接、断开,可在主网停电时维持其中所有或部分重要用电设备的供电,而柔性配电技术是FACTS技术在配电网的延伸。DFACTS设备同样也包括静止无功补偿器(SVC)、STATCOM、有源电力滤波器(APF)、动态不间断电源(DUPS)、动态电压恢复器(DVR)、固态断路器(SSCB)、固态负荷转移开关(SSTS)等。首先,应用SSCB、SSTS可以加快故障切除与负荷转移切换时间,提高自愈速度。而利用DUPS与DVR可以补偿配电网故障重合闸、故障隔离操作引起的短时供电中断,保证重要敏感负荷供电不受影响。智能配电网自愈的主要支撑技术是柔性配电DFACTS技术,且DFACFS在提高配电网自愈功能方面具有重要的作用。此外,应用STATCOM可以消除电压骤降、谐波、电压波动的影响,同时还能有效提高电能质量[4,5,6]。
2 STATCOM的结构及其控制
目前,在STATCOM的控制中主要还是应用电压源型换流器,与大电容并联的电压端子能够对功率半导体提供自动保护的功能,它能平抑传输线路上的电压瞬变。STATCOM在配电系统中的应用不仅可满足增加功率潮流的,同时还可保证当电力系统出现意外故障和暂态扰动时,稳定电力系统运行的特定参数。在配电系统中的体现有两方面:(1)直接电压支撑。这种控制策略主要考虑在重载条件下,应能增加线路传输的容量和维持足够的线路电压,并能防止电压出现不稳定现象。(2)改善稳态和暂态稳定性。这种控制策略应能在系统振荡出现第一次波动时有足够的稳定裕量,并能阻尼功率振荡。
STATCOM结构及输出波形如图1所示。
图1 b)为采用电压源型换流器的STATCOM等效结构,与图1 a)相比,它实际上是用电压型逆变器替代了同步调相机。在逆变器的工作条件下,直流电压Udc是通过对电容Cs的充电来保证的。与同步调相机的控制原理相似,通过改变变流器输出电压的幅值,就可以控制变流器与交流系统之间的无功交换,这与同步旋转电机的无功控制方式是相通的。根据这一原理,当变流器输出电压增加到超过交流系统电压的幅值时,电流经过线路连接电抗由变流器流向交流系统,变流器给交流系统提供无功(容性)功率;反之,如果变流器输出电压的幅值小于交流系统的电压幅值,那么无功电流就从交流系统流向变流器,变流器吸收无功(感性)功率。如果变流器输出的电压与交流系统电压相等,则两者之间不存在无功功率的交换。图1 c)为采用电压源变流器所构成的48脉冲STATCOM的输出电压及电流波形。虽然输出电压波形与理想正弦波有一定偏差,但由于连接电感的存在,使其输出电压及电流波形非常接近理想正弦波。一般而言,变流器的脉冲数越多,其输出波形越接近理想正弦波。
如图2 a)所示,内部控制器应能按照外部提供的无功参考电流IQ r e f和有功参考电流IPref输入信号来计算应输出的电压幅值和相角,并产生一组协调的适当波形,形成门极触发模式。这个触发模式既决定了对应的输出电压,同时也决定了每个开关的导通和关断周期。这些适当波形之间应具有一个确定的相位关系,而触发模式是由变流器的脉冲数、形成输出电压波形所采取的方法以及三个输出端子之间的相位关系(通常为120°)来决定的[7]。图2 b)为纯无功补偿的简单内部控制框图,该框图中采用了基于直流电容电压控制的间接控制策略。内部控制器的输入为交流系统的母线电压U、变流器输出电流Ic o m和IQ r e f。U通过锁相环引入,它能提供同步信号角θ。在控制器内部,首先将变流器的Ic o m分解为有功和无功分量,然后将无功电流分量的幅值Ic o m Q与IQ r e f进行比较,所得到的偏差经适当放大后就能得到偏移角α,这个角度也就是变流器输出电压和交流系统电压之间的相位偏移,它也可用于储能电容的充放电控制,使直流电压达到所需要的数值。然后偏移角α与同步信号角θ相加,得到角α+θ,这个角度包含了变流器所希望的同步信号,同时也满足无功电流参考输入信号的要求。这个α+θ就是门极触发模式的逻辑输入量,它可以是数字查表法的基数,然后再根据查得的数据就能得到变流器各功率开关触发控制的逻辑信号。
变流器输出的电压幅值和相角是由内部参数决定的,这些参数能控制变流器输出或输入的无功电流,能控制变流器与系统之间交换的有功和无功功率。如变流器与系统之间只有无功功率的交换,此时的变流器严格按静止无功补偿器的方式运行,则内部控制器的参考输入就是所要求的无功电流。内部控制器根据这一参考输入信号会建立相应的直流电容电压,这个电压与所要输出的交流输出电压的幅值成正比,经相关运算后变流器就输出对应交流电压幅值和相角的触发脉冲。正是因为这个比例关系,在方波输出时,变流器只要控制电容电压就能够间接控制无功输出电流,同时也能自动满足相角控制的要求[8]。当输出PWM调制波时,则应通过相角控制,即通过控制α、θ使电容电压为恒定值,然后再通过内部电压控制机理,就能直接控制无功输出电流。这两种基本的电压输出的控制方法,即两种无功控制方法如图3和图4所示。其中,图3为假想的两电平变流器,采用“间接”控制方式电容两端电压Udc随着偏移角同步信号角α±Δα改变而改变,进而改变逆变器输出电压的幅值;图4为三电平变流器,采用“直接”控制。如果变流器带有储能环节,那么内部控制就可接收有功参考输入电流,并通过调节输出电压的相角,使变流器输出该参考信号所要求的有功电流分量。
基于静止无功补偿器的变流器可以看成是一个同步受控电压源,它能够输出或吸收无功电流,它的最大值由变流器的额定容量来确定。值得注意的是,当系统电压远低于它的正常值时,STATCOM仍能够维持它的最大无功输出电流不变[9]。
在图4中的三电平变流器还具有内部电压控制的能力,而图4 b)为其内部的简化控制框图。其中,母线电压用U表示,变流器输出电流为Icom,直流参考输入电压为Udc。在运行过程中,变流器会消耗一定的有功功率,因此变流器必须从交流系统吸收这个有功功率,以弥补自身的内部损耗。直流参考电压则能确定该有功功率的大小。
图5为电压型无功补偿器在恒定直流电压下采用内部电压幅值和相角控制无功输出的“间接”电压控制,此处变流器的输出电流被分解为无功和有功两个电流分量。无功电流分量与由补偿要求所确定的外部无功参考输入电流进行比较;有功电流分量则与内部有功参考输入电流进行比较,而这个有功参考输入电流值则是从直流电压控制环得到的。这些比较后的偏差信号通过适当放大后就转换成变流器所要求的输出电压幅值和相角,从而输出合适的门极驱动信号,并通过锁相环电路得到的同步信号保持合适的相位关系。当变流器具有外部直流能量补充时,也可使用这种内部控制模式,此时就相当于控制一个静止同步发生器。在这种情况下,内部有功参考电流应与外部提供的有功参考电流相加,外部有功参考电流也应是希望与交流系统的有功功率(正的或负的)交换要求相对应的。这个合成的外部和内部有功电流参考信号既包含了希望与系统交换的有功功率,也包含了变流器自身的损耗,该合成信号与无功电流的偏差信号一起决定了变流器输出电压的幅值和相角,因而也决定了与交流系统交换的有功功率和无功功率。
另外,由电压源型换流器构成的无功补偿器,可看成是一个同步电压源。它可以根据外部参考输入的要求从交流系统输入无功电流,且电流的大小与交流系统的电压无关。该电流还能在相同容性和感性最大无功电流值之间变化。这种无功补偿器的U-I运行区域仅由变流器最高电压和最大电流额定值确定,也就是说,STATCOM属于电压型无功补偿器,这主要是因它的无功输出电流不受电压的影响,理论上讲,即使是STATCOM的交流端电压为零仍能输出额定补偿电流,图6说明这种无功补偿器的工作区域。应注意,即使当系统电压降低到0.2 p.u.时,STATCOM的变流器仍可从交流系统吸收必需的有功功率以补充自身的运行损耗。实际上,如果系统电压太低,则会导致电力电子器件工作电压的严重降低而使它的导通电流减少。
3 STATCOM的损耗与谐波
在STATCOM工作中,主要的损耗和谐波主要来自于变流器模块,除了电子开关损耗外,还包括吸收电路(由du/dt和di/dt吸收电路产生)、变压器、线路杂散电感、控制器、信号传递中的耦合接口,以及冷却系统等损耗[10]。这些损耗主要取决于变流器所使用的功率半导体器件的特性和它们在每个基本周期中必须执行的动作次数。为了说明问题方便起见,图7给出了48脉冲变流器的损耗计算曲线。
在该变流器中,最大总损耗大约占到补偿容量的1%,由于开关频率较低,变流器的损耗仅为总损耗的1/3(电力电子器件+吸收电路),则其它2/3为传导损耗。其中,总损耗为多脉冲装置的8个6脉冲的两电平变流器损耗、耦合电压器损耗,以及组合变流器输出电压的磁性接口损耗之和[11],而变流器的磁耦合损耗为耦合变压器损耗和磁耦合接口的损耗之和。变压器损耗在高电压应用中是不可避免的,一般也无法降低,但磁耦合接口损耗则与变流器的整体结构和所采用的运行模式有关,有一定的改善余地。
总的来讲,从目前的技术发展水平来看,基于变流器控制的无功补偿器的实际运行损耗以及它的无功输出与损耗之间的特性等指标,与常规的晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容的损耗没有太大的区别,只是开关损耗略高一些。当然,电力电子器件的特性还在不断完善中,更为先进的GTO和其它电子半导体现在正处于发展之中,新型的多脉冲、PWM和其它波形产生(如多电平)技术的有效结合,将使变流器电磁耦合结构的复杂性与总体损耗得到进一步的降低。
由于损耗的原因,STATCOM中的变流器并没有采用通常逆变器中常用的SPWM调制技术,仍采用仅抑制低次谐波的优化方波调制技术,有时也称之为优化PWM调制技术。电压源型换流器输出的三相交流电压一般是由直流侧的储能电容来维持的[12]。迄今为止,在实际电力传输中所使用的变流器几乎都是由常用的基本部件所组成,即由单相H桥臂、三相两电平6脉冲桥臂,或三相三电平12脉冲桥臂所组成。根据不同多重化的结构还可形成24脉冲的逆变器,变流器产生的谐波与脉冲数有关。考虑到不是人为造成偶次谐波电压,因而变流器的脉冲数一般为偶数(异步PWM调制除外)。若假设变流器的脉冲数为n,则根据傅里叶级数的表达式知,由多重化结构形成的变流器所产生的谐波频率fh和幅值Uh分别为:
其中,f1为基波频率;U1为基波电压幅值;m为自然正整实数,即为1,2,…,m。当m=1时所对应的谐波幅值最大,变流器的谐波抑制主要应针对此时的谐波。
显然,脉冲数越多,谐波的频率越高,幅值也越小,越容易滤波,但由此会产生较高的费用,增加变流器结构的复杂性。因此,合理选择变流器的脉冲数应该充分考虑补偿容量、系统可靠性和经济性等相关指标的要求。
4 未来发展与研究方向
STATCOM在早期的发展中,广泛应用于电力系统中的输电网络,并在其中取得巨大的成功,其对电力系统的发展和社会的进步具有重要的意义。STATCOM的价值逐渐被行业人士所发现,1988年,STATCOM被成功应用于风力发电的电能质量优化,这也是STATCOM首次成功运用于配电系统并取得优异的表现。针对目前我国配电系统智能配电及电网自愈的要求,及国家电网十三五规划中提到大力发展配电网电能质量建设。基于配电网STATCOM的应用,其主要体现有两大方面:(1)直接电压支撑。这种控制策略主要考虑在重载条件下,应能增加线路传输的容量和维持足够的线路电压,并能防止电压出现不稳定现象。(2)改善稳态和暂态稳定性。这种控制策略应能在系统振荡出现第一次波动时有足够的稳定裕量,并能阻尼功率振荡。
STATCOM归根结底就是以电力电子开关器件为基本的电力电子系统,其核心部分就是由电力电子器件所组成的变换器模块。上面提到STATCOM未来的发展方向,而研究其核心变换器部分则为主要研究方向。随着STATCOM的应用和发展,研究其变换器的结构及其控制算法具有重要意义。可以预计,在未来15年内,基于配电系统的STATCOM定将成为配电网提高电能质量的重要成员。
参考文献
[1]粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京:中国电力出版社,2006.
[2]程汉湘,刘建,尹项根,等.单桥路SVG无功补偿控制系统研究[J].电力自动化设备,2004,24(2):5-8.
[3]许军山,张超武,曾贤虎.静止同步补偿器原理与应用研究[J].移动电源与车辆,2007(2):40-43.
[4]肖华根.智能配电网静止无功同步补偿器研究[D].长沙:长沙理工大学,2011.
[5]李天友,徐丙垠.智能配电网自愈功能与评价指标[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):105-108.
[6]杨洋.STATCOM在低压配电系统中应用的研究[D].保定:华北电力大学,2008.
[7]熊卿.配电变压器一体化静止无功补偿器(DTSTATCOM)关键技术研究[D].武汉:华中科技大学,2011.
[8]程汉湘,聂一雄.柔性交流输电系统[M].2版.北京:机械工业出版社,2013.
[9]毛彦辉,夏明超,李晓亮,等.负载不平衡下D-STATCOM控制策略的仿真研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(24):132-139.
[10]程汉湘.配电系统STATCOM的动态性能及其控制策略研究[D].武汉:华中科技大学,2004.
[11]毛彦辉.配电网静止同步补偿器补偿电网不平衡的控制策略研究[D].北京:北京交通大学,2014.
配电静止同步补偿器 第3篇
关键词：静止同步补偿器,电压波动与闪变,冲击性负荷,MATLAB
0 引言
随着整流器、变频装置、电弧炉等非线性、冲击性负荷在配电网中的应用,给配电网的无功功率平衡带来了挑战,进而恶化了电能质量。致使配电网的节点电压、电流发生不同程度的畸变,母线电压波动与闪变,三相电压出现不平衡,电网公共节点谐波超标。
在配电网中应用的无功补偿装置种类很多,如最早的调相机、机械式投切电容器,后来的晶闸管控制投切电感、电容器、SVC和STATCOM。由于调相机是旋转设备,其响应速度慢,静止电容器靠机械投切、且投切次数受限制,故它们都不能快速响应冲击性负荷带来的快速无功功率波动。然而近年来发展起来的SVC和STATCOM由于采用了先进的电力电子技术,其快速调节性能是传统无功补偿装置无法比拟的,因此得到了广泛应用。
由于SVC采用相控方式,通过改变流过装置的电流有效值来间接改变装置的阻抗,达到动态补偿目的,但其自身会产生大量谐波。STATCOM采用全控型电力电子器件构成,调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器的容量及安装面积大为降低,抑制电压波动与闪变的性能是同容量SVC的2～3倍,代表未来动态无功补偿装置的发展方向[1]。
1 STATCOM的原理及控制策略
1.1 原理及dq0系统下数学模型
STATCOM主要有电压型和电流型,本文以电压型为例说明(见图1)。
将三相电路简化为单相电路,由KVL电压定律可以得出其数学描述为:
应用Park变换得:
在dq0旋转坐标系中,取d轴和系统电压矢量重合,则有:
将式(3)代入式(2)得dq0状态空间描述:
由于主要关注装置的无功功率特性,故从以上数学描述得出了补偿器吸收和发出无功功率的数学表达式为:
由式(5)可以得出,当δ>0时,Q>0,装置吸收无功功率;反之,装置发出无功功率。由此得出STATCOM的控制思路为:控制δ的大小和方向即可控制补偿器发出或吸收无功功率的大小和性质。
1.2 双环解耦直接电流控制策略
STATCOM是一种动态补偿装置,它对无功电流的实时监测提出了很高要求,无功电流检测的快速性、准确性和灵活性直接影响STATCOM的跟踪补偿性能。而传统的无功功率理论是基于周期的平均无功功率理论的,无法满足如电弧炉此类无功变化剧烈的负荷无功监测需求,因而采用实时性更强的瞬时无功功率理论来监测瞬时变化的无功功率。本文采用双环解耦直接电流控制策略,系统的快速性、稳定性好,控制精确[2,3,4,5]。
从式(2)和式(4)均可以看出id和iq不能相互解耦,为了使补偿器的有功和无功能够相互独立控制,实现和解耦,须使式(2)中状态矩阵为对角矩阵,为此引入变量p1和p2,使得式(2)变为:
对比式(2)和式(6)可得:
可以将p1和p2视为控制变量,通过PI调节器得到。综上可以得到补偿器的双环解耦直接电流控制方程式:
由此方程得到补偿器的控制框图(见图2)。
2 STATCOM提高电能质量仿真分析
本文构建1个如图3所示的35 kV/10 kV/380 V电压等级的配电系统[6]。采用配电网典型接线方式即单回路树干式网络接线,用可编程电源加阻抗模拟上级35 kV电网,容量为100 MW,通过变压器35 kV/10kV降压至10 kV网络,在10 kV母线上设有静止同步补偿器(容量为3 Mvar)和P=18 MW、Q=-2.5 Mvar的容性负载。然后再通过10 kV/400 V配电变压器降压到用户端网络,在10 kV母线上通过配电变压器接有各种典型负荷(如固定有功负荷、冲击负荷、变动负荷),针对这些典型负荷接入后对配电网造成不同程度的电能质量问题进行仿真[7],并就STATCOM接入前后电能质量改善状况进行对比分析[8]。
2.1 电网电压波动仿真
仿真中通过设置可编程电源幅值参数来模拟35 kV电网母线电压发生波动时,对电网各母线造成的影响,其值在0.2 s时变为额定值的1.06倍,0.3 s时变为额定值的0.94倍,0.4 s时再恢复到额定值。为使仿真更具针对性,此时10 kV网络只带一个固定负载,P=1 MW,其余负荷类型不接入电网,其相应之路的断路器断开。仿真波形见图4。
从图4中可以看出,离35 kV较近的母线B1电压波动较大,而设置有STATCOM的母线B3电压只有较小波动,当电网电压波动时,STATCOM能够及时发出或吸收无功,且在发出无功和吸收无功之间切换迅速,无较大冲击。显著提高了B3母线的电能质量。
2.2 冲击负荷接入仿真
设某一节点的有功无功发生变化,则。其中,Un为节点额定电压,Sk为节点三相短路容量,由于R/X一般较小,且冲击性负荷功率因数很低,无功变化较大,可简化为。由此可得出:无功波动较大负荷引起的电压波动[9,10]与无功成正比,与短路容量成反比;冲击负荷的突然接入会对母线电压造成突然扰动,无功需求突然增加,传统的无功补偿装置无法迅速发出无功来维持母线电压稳定;而STATCOM响应迅速,能够有效补偿冲击无功需求,从而维持母线电压稳定。仿真中,设置0.2 s时刻突然接入S=6106+j2106的负荷,持续0.02 s,仿真波形见图5。
从仿真波形看出,当冲击负荷突然接入时,STATCOM快速响应,发出无功功率,母线B3的电压保持在0.95 p.u.,保持了电能质量达标,不至于因母线电压过低而影响其他负荷工作。
2.3 动态负荷仿真
仿真中利用可控电流源构建了1个频率为10 Hz的动态负荷模型,投入时间为0.1 s至0.4 s,波形见图6。
可以看出,STATCOM未投入时,B3母线电压波动幅度达到4%,且电流也出现10 Hz振荡,补偿器投入后,STATCOM快速发出和吸收无功电流,使得B3母线电压波动幅度降到0.7%,可见,STATCOM可以有效抑制电压波动与闪变。
2.4 改善电网功率因数
设置有功负荷500 kW,在0.1 s接入1个300 kvar感性无功负荷,然后对接入和不接入补偿器进行对比,仿真波形见图7。
补偿前功率因数0.86,补偿后功率因数接近0.94,可见显著提高了功率因数,提高了母线电能质量水平。
3 结论
本文通过详细推导STATCOM的数学描述及其控制方程,给出了STATCOM原理和整体接线控制框图,又基于MTALAB构建了35 kV配电网,设置各种负荷和扰动条件并进行仿真分析,得出如下结论:
(1) STATCOM具有快速调节电网无功的能力,对抑制由电网电压波动引起的母线电压波动有显著效果,有利于提高电压稳定性。
(2)设置了冲击性和随机性负荷接入电网并进行仿真分析,得出STATCOM可以快速跟踪补偿此类负荷接入时引起的局部无功功率快速波动,抑制电网母线电压降落,提高电网功率因数,改善电网电能质量。
(3)本文应用的双环解耦控制策略中采用的是PI调节,控制整定参数较少,控制性能一般都能达到实际要求,但还可以采用非线性控制方法、自适应控制方法等来获得更加优异的控制性能。
(4)本文对STATCOM改善主要电能质量问题进行了仿真分析,但配电网电能质量涉及面广,还包含谐波、过电压、三相不平衡等方面,需要进一步研究。
参考文献
[1]姜齐荣,谢小荣,陈建业.电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]郭锐,刘国海.静止同步补偿器数学模型及其无功电流控制研究[J].电力自动化设备,2006,26(1):21-24.
[3]欧剑波.配电静止同步补偿器关键技术研究和装置的研制[D].长沙:湖南大学,2008.
[4]丛呈祥.直接电流控制的静止同步补偿器研究[D].济南:山东大学,2008.
[5]薄志刚.基于直接电流控制的STATCOM控制器研究[D].西安:西安理工大学,2008.
[6]段大鹏,江秀臣.用于不平衡负荷的D-STATCOM数学建模与系统仿真[J].高电压技术,2008,34(8):1704-1709.
[7]弓晋霞.STATCOM应用于配电系统的仿真研究[D].天津:天津理工大学,2006.
[8]袁佳歆,陈柏超,万黎,等.利用配电网静止无功补偿器改善配电网电能质量的方法[J].电网技术,2004,28(19):81- 84.
[9]英雨.静止无功发生器STATCOM在电力系统稳定中应用的仿真研究[D].北京:清华大学,2000.
配电静止同步补偿器 第4篇
随着电力电子装置的大量应用,各种非线性负荷引起的谐波污染和功率因数的降低严重恶化了供电质量,对配电网的安全和经济运行造成了不利影响。与传统补偿装置相比,配电静止同步补偿器[1,2,3](D-STATCOM)具有调节能力强、损耗低、运行范围宽等优点,成为电能质量控制领域研究的热点。
补偿指令电流的检测[4]是决定D-STATCOM补偿性能的关键技术之一。已有大量文献对补偿指令电流的检测方法进行研究,如小波变换法[5]、快速傅立叶变换法[6]、自适应检测法[7]等。其中基于瞬时无功功率理论的ip-iq法[8,9,10]实现简单、计算量少、有较好的实时性,是目前应用很广的一种补偿指令电流检测方法,但当三相电网电压不对称和畸变时,传统ip-ia法中锁相环电路检测到的相位并非电网基波正序电压的相位,使提取的基波正序有功电流存在误差,导致无法获得准确的谐波和无功补偿指令电流[11]。
本文阐述了ip-iq检测法的基本原理,并进行了误差分析,进而提出一种改进型ip-iq检测法。仿真和实验结果表明,改进后的ip-iq法可准确获得补偿指令电流,检测结果不受三相电网电压不对称和畸变的影响,证明了所提方法的有效性。
1 传统ip-iq检测法误差分析
传统ip-iq检测法原理如图1所示。该方法利用锁相环(PLL)电路提取反映a相电压ua相位信息的正余弦信号,之后通过坐标变换计算出基波正序有功电流,与三相负荷电流相减获得补偿指令电流。
为不失一般性,将三相不对称、畸变电压和电流表示为:
式中:U、I为三相电压和电流的有效值;n为非负整数;ω为电网的基波角频率;φ为初相角;下标+、-、0分别代表正序、负序和零序分量;γ=2π/3;u0=Un0sin(nωt+φun0);i0=In0 sin (nωt+φin0)。
图1中变换矩阵C32、C23分别为:
当三相电压不对称且畸变时,锁相环提取的ua的相位是由正序、负序和零序分量共同作用的结果,导致实际检测到的a相电压相位不是正序电压的相位,假设a相电压与a相基波正序电压的相位差为△θ,则矩阵C实际为:
三相电流经过2次坐标变换后得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq,由于D-STATCOM需要对无功和谐波进行全补偿,所以只需对ip进行处理。将ip通过低通滤波器(LPF)得到其直流分量iq。
将直流分量和0反变换后得到三相基波正序有功电流iap1+,ibp1+,icp1+:
由式(6)可见,相位差△θ的存在使检测出的基波正序有功电流的幅值和相位都与理论值存在误差。由于补偿指令电流是由负载电流与基波正序有功电流相减得到,所以,当三相电压不对称且畸变时,传统ip-iq法检测出的补偿指令电流存在较大误差。
2 改进型ip-iq检测法
本文提出一种改进型ip-iq检测法,用基波正序电压提取模块代替传统ip-iq检测法中的电压检测电路,利用任意初相角的正余弦值对线电压uab、ubc进行坐标变换,再通过LPF分离出基波正序信息,最后利用三角函数的特性,将之前的任意初相角的正余弦值去除,得到基波正序电压分量,其原理如图2所示。
首先,利用任意初相角的正余弦值形成矩阵Cw、Cffi:
式中:θ为任意值。
利用矩阵Cθ1将系统线电压uab、ubc变换为up、uq,随后经过LPF提取其直流分量■:
将经矩阵Cθ2变换得到a相基波正序电压ual+:
得到a相基波正序电压后可利用锁相环和正余弦产生电路,为系统提供与a相基波正序电压同相位的正余弦信号。
3 仿真验证
利用Matlab/SIMULINK搭建D-STATCOM仿真模型,在三相电网电压不对称且畸变的情况下,对传统ip-iq法和改进型ip-iq法进行对比分析。仿真参数为:负载为三相桥式整流负载;三相不对称且畸变电压为有效值220 V的基波正序电压中加入一定量的基波负序电压,5次和7次谐波电压;LPF类型为巴特沃斯型,阶数为2,截止频率为30 Hz。D-STATCOM与系统连接图如图3所示。
图4为三相不对称且畸变电网电压,图5为补偿前三相电流波形,其中含有大量谐波和无功分量。为便于分析,以a相为例进行说明。图6为按照传统ip-iq法的仿真结果,图7为按照改进型ip-iq法的仿真结果。图6(a)中实线为a相理论指令电流波形,虚线为传统ip-iq法检测出的a相补偿指令电流。由图6、图7可以看出,传统ip-iq法检测出的补偿指令电流无论是幅值还是相位都与理论值有较大误差;而图7(a)按照改进型ip-iq法检测出的补偿指令电流与理论值完全重合。图6(b)为按照传统ip-iq法补偿后的a相电流波形,其频谱如图6(c)所示,图7 (b)为按照改进型ip-iq法补偿后的a相电流波形,其频谱如图7(c)所示。由图6、图7可以看出,按照传统ip-iq法补偿后电流波形畸变较大,谐波畸变率(THD)为3.90%,各次谐波分量较大,而按照改进型ip-iq法补偿后电流波形光滑,谐波畸变率仅为1.76%,各次谐波分量较小。
通过仿真分析可知,在三相电压不对称且畸变的情况下,传统ip-iq法检测出的补偿指令电流在幅值和相位上均存在较大误差,D-STATCOM的补偿性能较差;而改进型ip-iq法可以准确检测出补偿指令电流,D-STATCOM的补偿性能良好。仿真结果与理论分析一致。
4 实验
根据提出的改进型ip-iq检测法,研制了一台基于数字处理器(DSP)的D-STATCOM实验样机。实验参数:三相电网电压ua=170 V,ub=90 V,uc=220 V,负载为三相桥式整流阻感性负载,功率为7 kVA,滤波电抗L=5 mH,直流电容C=5 000μF,主控DSP芯片为TI公司的TMS320F2812,采样频率为12.8 kHz,开关元件采用绝缘栅双极晶体管(IGBT),电流跟踪控制采用滞环比较方式[12,13],上环宽度0.025 A,下环宽度0.015 A,采用Tek公司TDS2014数字存储示波器捕获实验波形。
图8(a)为不对称且畸变的三相电网电压波形。图8(b)为补偿前三相电流,畸变很大,含有大量谐波和无功分量。D-STATCOM补偿后效果如图8 (c)所示,图8(c)中补偿后的a相电流近似为正弦波,相较于补偿前有了很大程度的补偿,而且与a相基波正序电压具有相同的相位。实验结果表明,样机采用的改进型ip-iq检测法是正确、可行的,能较好地对电网谐波和无功进行补偿。
5 结论
静止同步补偿器偏磁控制方法 第5篇
1 系统结构及其逆变器拓扑结构
±500 k Var STATCOM装置主要包括硬件和软件两大部分, 其系统硬件结构如图1所示。由图可见, 该系统主要由2个三级逆变器桥 (TLI1, TLI2) 上下电容器组、1个三相三绕组分裂变压器、控制器和保护及辅助单元组成。硬件部分除了完成能量变换外, 还兼具保护等功能。±500 k Var STATCOM的调节控制功能主要是由软件实现的, 并可依据不同的现场要求来选取软件模块。这种双逆变桥通过分裂变压器连接到系统的结构更有助于改善STATCOM输出电压及电流的总谐波失真 (THD) 值, 例如5, 7, 17, 19次等6n±1 (n=1, 3, 5…) 次谐波可以通过分裂变压器消除, 而不影响基波的值。
其中, 三级逆变器 (TLI1, TLI2) 的拓扑结构如图2所示, 图中三级逆变器的每一相都有4个自换向的元件 (如A相的V11, V12, V13, V14) , 2个钳位二极管D11, D12和4个反并二极管D1, D2, D3, D4。这种三级逆变器与常规的两级逆变器相比, 具有输出谐波小和可以提高STATCOM电压等级的优点。
由图可以看出, 这种三级逆变器的拓扑结构连接到上下2个电容器上, 为了保证逆变器输出电压上下半波完全对称, 上下2个电容器电压必须相等, 否则, 会使STATCOM输出电压中含有较大的二次谐波;同时, 上下电容电压严重不对称, 还将使元件上承受的反压增大, 危及元件的安全运行。
2 偏磁产生的原因及影响
偏磁是变压器的一种非正常工作状态, 是指在变压器励磁电流中产生了直流分量。换流变压器在交变输电系统中, 处于交流电与直流电相互变换的核心位置, 是交变输电的关键设备。由于直流输电系统与交流输电系统具有不同的特点和运行方式, 因此某些直流输电系统所独有特点会在换流变压器励磁电流中引入直流电流分量。
前面提到, 为了保证逆变器输出电压上下半波完全对称, 上下2个电容器电压必须相等。然而在实际运行中, 由于种种原因, 上下电容电压并不平衡, 其原因如下:上下电容电容器组容值不完全相同;与电容起并联的放电电阻阻值不等;三级逆变器中各开关元件及其吸收电路参数的分散性;控制电路中同步信号正负半波的不对称等。
上下电容电压的不平衡将使STATCOM输出电压上下半波不对称, 从而引起STATCOM输出变压器发生偏磁或直流磁化。变压器磁化将会使变压器易于饱和, 在有偏磁的一侧, 电流会迅速增大, 而另一侧由于饱和导致该侧电流波形剧烈畸变, 使STATCOM输出电压和电流中含有大量的谐波, 最终导致STATCOM停止运行。为此, 必须对上下电容电压进行控制, 抑制偏磁的产生。
3 偏磁控制策略及程序实现
3.1 控制方法
以单相为例, 如图3 (a) 所示, 一般脉冲发生器输出的脉宽调制 (PWM) 波上下半波是对称的, 不含偶次谐波。为了产生偶次谐波, 可以通过控制PWM波的上、下半波朝相向 (如图3 (b) ) 或相反 (如图3 (c) ) 方向移动, 即可产生偶次谐波, 而所产生的偶次谐波的大小与移动量Δδ有关。当δ+Δδ>δ时, 即PWM波的上、半波朝相向方向移动, 可以使上电容电压UC1减小, 下电容电压UC2增大, 反之, 当δ-Δδ<δ时, 可以使上电容电压UC1增大, 下电容电压UC2减小。
3.2 程序实现
±500 k Var STATCOM的控制器是以数字信号处理器 (DSP) 和可编程现场门阵列 (FPGA) 为核心的智能控制器。其中, DSP负责完成各种运算及监控等功能, 由FPGA及相关部件来构成脉冲发生器。因此, 在偏磁控制的实现中, 主要由DSP来完成上下电容电压检测, PID调节计算以及控制输出到FPGA, 并由FPGA根据相应的同步信号来产生PWM波形。
由于PWM每相正半波根据该相同步信号正的过零点产生, 负半波则由负的过零点产生。因此DSP必需实时检测同步信号的状态, 把实时计算的结果送给FPGA。偏磁控制过程是一个闭环控制的过程, 其程序流程如图4所示。
图中, 当UC2大于UC1时, PID计算求得的结果Δδ为负值, 当同步信号为正的过零点时, δ (n) =δ (n-1) +Δδ小于δ (n-1) 当同步信号为负的过零点时, δ (n) =δ (n-1) -Δδ大于δ (n-1) , 结果使控制波形朝相反的方向移动, 使UC1增大, UC2减小, 这种调节过程直到上下电容电压平衡时达到稳态。
反之, 当UC2小于UC1时, PID计算求得的结果Δδ为正值, 当同步信号为正的过零点时, δ (n) =δ (n-1) +Δδ大于δ (n-1) , 当同步信号为负的过零点时, δ (n) =δ (n-1) -Δδ小于δ (n-1) , 结果使控制波形朝相向方向移动, 使UC1减小, UC2增大, 上下电容电压趋于平衡。
4 仿真分析
在PSCAD中搭建与现场运行相一致的仿真模型, 验证所设计的控制策略的可行性。系统的线电压有效值为1000 V, 直流侧电容上电容为1950μF, 下电容为2000μF, 系统容量为500 k Var。其对应的仿真波形如图5所示。
由图5 (a) 可见, 0.75 s之前偏磁控制模块没有投入, 此时电容电压超出上电容电压100 V左右;0.75 s时投入偏磁控制模块, 此时上下电容电压几乎相等。图5 (b) 所示, STATCOM输出电压波形严重不对称, 图5 (c) 为STATCOM输出电流, 可见电流中含有较大的二次谐波。0.75 s时投入偏磁控制模块后, STATCOM输出电压波形良好, 且输出电流中几乎没有二次谐波。
由此可见, 文中所提出的偏磁控制方法, 可有效地维持直流侧上下电容电压的平衡及抑制输出电流中的二次谐波, 从而对STATCOM的安全稳定运行有着重要的实际意义。
5 结束语
STATCOM作为无功补偿系统中的一种重要补偿类型, 在目前的无功产品中应用最为广泛。分析了偏磁的原因、产生的影响和由此可能给STATCOM带来的后果, 提出了一种有效控制偏磁的方法及其软件实现。在±500 k Var STATCOM上进行了测试, 结果证明该方法能够抑制偏磁的产生, 减小了二次谐波, 提高输出电压电流的质量, 保证STATCOM可靠运行。
参考文献
[1]艾芊, 杨曦, 贺兴.提高电网输电能力技术概述与展望[J].中国电机工程学报, 2013, 33 (28) :34-40.
[2]黄柳强, 郭剑波, 卜广全, 等.FACTS协调控制研究进展及展望[J].电力系统保护与控制, 2012, 40 (5) :138-147.
[3]NOROOZIAN M, ANGQUIST L, GHANDHARI M, et al.Improving Power System Dynamics by Series-connected FACTS Devices[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12 (4) :1635-1641.
[4]GIBBARD M J, VOWLES D J, POURBEIK P.Interactions Between and Effectiveness of Power System Stabilizers and FAC TS Device Stabilizers in Multimachine Systems[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2000, 152:748-755.
[5]WANG H F.Interactions and Multivariable Design of STATCOM Control[J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2003, 25 (5) :387-394.
[6]何瑞文, 蔡泽祥.基于电力系统稳定分析与控制的FACTS技术评述[J].继电器, 2004, 32 (6) :70-75.
[7]蒯狄正, 刘成民, 万达.直流偏磁对变压器影响的研究[J].江苏电机工程, 2004, 23 (3) :1-5.
静止同步补偿器控制系统的仿真研究 第6篇
随着电力电子装置的应用日益广泛, 电力系统中的非线性负载越来越多, 这样就需要向电力系统提供大量的无功功率。显然, 这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的, 通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率, 这就是我们所说的无功功率补偿。其作用主要有:提高供电系统及负载的功率因数, 降低设备容量, 减少功率损耗;稳定受电端及电网的电压, 提高供电质量[1]。
新型静止同步补偿器STATCOM (Static Synchronous Compensator) 被称为“静止调相机”, 是现代柔性交流输电系统 (FACTS) 的核心部分, 由于采用了可关断晶体管 (GTO) 、绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 等大功率全控型器件, 其较传统的无功补偿装置有响应速度更快、电压闪变抑制能力更强、运行范围更宽、占地面积小的优点。因此, STATCOM是最具前途的一种补偿方式, 并且已经开始推广。
1 STATCOM的工作原理
STATCOM的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上, 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值, 或者直接控制交流侧电流, 就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 实现动态无功补偿的目的[1,2]。
如图1所示, STATCOM按其直流侧储能元件的不同, 可以分为电压型和电流型两种。对于电压型桥式电路, 还需再串联上连接电抗器才能并入电网;对于电流型桥式电路, 还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。实际上, 由于运行效率的原因, 迄今投入使用的STATCOM大都采用电压型桥式电路, 因此STATCOM往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。
2 控制策略
STATCOM的控制系统通常由内环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。控制框图如图2所示。
从控制方式上来说, 可以分为电流的直接控制和间接控制两种方法[3]。所谓电流间接控制就是将STATCOM当作交流电源来看待, 通过对交流侧输出电压基波的相位和幅值进行控制, 来间接控制STATCOM的交流侧电流, 具体实施时有两种方案可供选择。一种方法是仅控制δ角, 即控制先进静止无功发生器 (ASVG) 交流侧输出电压相对于系统电压的相角差, 这种方法的主要优点是控制电路比较简单, 但是由于装置交流侧输出电压的幅值的调节依赖于直流电容电压的变化, 所以动态相应速度较慢。也可以配合控制δ角和θ角, 即控制δ角的同时, 配合控制开关器件的导通角, 从而调节STATCOM交流侧输出电压的幅值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定, 对装置的运行有利, 而且动态性能更好;但它存在控制复杂的缺点, 因为δ角和θ角需要密切配合, 而且这种配合关系还随着主电路的参数而改变。在间接控制方法中为了提高控制精度和响应速度, 通常还要引入电流反馈控制;为维持直流电压恒定, 往往还需要引入直流电压的反馈控制。所谓电流直接控制, 就是采用跟踪型的PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制, 具体有三种方式:一是采用滞缓比较方式, 二是采用三角波比较方式或空间电压矢量方式, 三是应用瞬时无功功率理论、dq0变换进行电流的直接控制方式。采用PWM技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统中的无功电流和全部有害电流。与间接方法相比较, 电流的直接控制法有系统具有快速的瞬态响应、系统稳定性较高、可抑制负序引起的不良影响等优点。
3 实验方法与结果分析
由上文的分析可知, 直接电流控制方式较间接电流控制方式更具优越性, 故本实验采用直接电流控制方式。
参考文献[4]指出, 采用双闭环SVPWM控制方式与SPWM控制方式相比, 直流侧电压利用率较高, 将电压利用率提高了15.47%。其次, 双闭环SVPWM控制可以使补偿电流较为准确地跟踪指令电流, 抑制负载谐波电流, 是一种较为有效的电流跟踪控制方案。因此本实验采用双闭环SVPWM控制方式设计控制系统。
双闭环SVPWM控制方式控制系统的控制框图如图3所示。
为了验证控制系统的有效性, 利用MATLAB软件建立相关的实验模型进行仿真。参数设置如下:三相电源10 k V、50 Hz;负载为阻感性负载;变压器变比为10 k V/600 V, 容量为500 k VA;逆变器直流侧电容18 m F;直流侧电压为1 000 V;交流侧滤波电感为1 m H, 滤波电容为1 00μF。参考文献[5]指出, 在滤波电容上串联一个小电阻可以有效地抑制STATCOM装置与电网发生谐振, 本模型中串联电阻取0.5Ω。
如图4所示, 为了便于比较, 本图将电流缩小了100倍, 将电压进行了归一化 (Per Unit-Pu) 处理。图a) 、b) 分别为补偿前和补偿后A相电压和电流的相位比较波形, 经比较可以很直观地看出补偿后电流电压的相位基本一致, 电流幅值亦明显减小。如图5所示, 图a) 、b) 分别为补偿前后的功率因数, 补偿前的功率因数在0.2以下, 而在0.12 s后, 补偿后的功率因数基本在0.95以上, 取得了良好的补偿效果。从图6可以看出, 直流侧电压平稳, 超调量也比较小。
4 结语
通过对STATCOM的基本原理进行简要分析, 详细比较了两种控制方式的优缺点。经比较分析, 本文选择了较优的控制方式基于SVPWM调制方式dq轴下的瞬时控制, 并利用MATLAB建立了STATCOM主电路及其控制系统的仿真模型, 通过对仿真实验结果的分析, 验证了本文提出的控制方式的有效性。实验结果显示:补偿后电流幅值明显减小, 直流侧电压平稳、超调量小, 功率因数提高到0.95以上。可见, 此控制方法切实有效。
摘要：比较了静止同步补偿器 (STATCOM) 的两种控制方式的优缺点, 设计了一种基于空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 方法的控制系统。该方法运用瞬时无功理论, 通过锁相环和低通滤波器检测负载电流中无功电流的大小, 利用d-q坐标变换实现有功电流和无功电流的解耦控制。仿真结果表明补偿后电流幅值明显减小, 直流侧电压平稳, 功率因数提高到0.95以上。
关键词：静止同步补偿器,无功补偿,空间矢量脉宽调制
参考文献
[1]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[2]徐益民, 刘岫岭, 姜志成.STATCOM原理及控制方法研究[J].煤矿机械, 2006, 27 (8) :56.
[3]王德昌.模块化有源无功补偿器的研究[D].成都:西南交通大学, 2004.
[4]袁洪, 余胜, 李俊.双闭环SVPWM控制的并联型有源电力滤波器仿真研究[J].电工电气, 2009 (4) :10-25.
配电静止同步补偿器 第7篇
潜油电泵机组是一种非常重要的机械采油设备, 在大庆油田约有电泵井1 500口, 占机械采油井总数的5%, 产液量占总产液量的20%~30%。潜油电泵机组具有排量范围大、采油速度快、检泵周期长、自动化控制程度高、操作简便等优点, 但同时也是油田主要的能耗设备之一。机组配套的潜油电机一般为三相鼠笼型异步感应电机, 实际使用中功率因数大多在0.7~0.75之间, 功率因数偏低, 无功功率消耗大。为了降低电泵机组消耗的无功功率, 提高潜油电泵系统的功率因数, 降低线损, 达到节能的目的, 对潜油电泵机组进行末端无功补偿是一种很实用的方式, 因此对潜油电泵机组的无功补偿方法进行研究是很有必要的。
目前应用于潜油电泵机组末端无功补偿的方式主要是晶闸管投切容器 (Thyristor switched container, TSC) 型。这种无功补偿方式是将大容量的无功补偿电容器组安放于电泵机组的地面控制柜中, 通过检测机组的无功电流或功率因数由中心控制器控制电容器组的投切, 晶闸管起到交流开关的作用, 由于TSC需要多组补偿电容器, 设备的体积较大, 并且需要选择在晶闸管两端电压为零的时刻对电容器组进行投切控制, 主电路的硬件结构和控制算法都较为复杂, 限制了这种无功补偿方式的推广应用。而静止同步补偿器 (STATCOM) , 采用自换相变流的桥式逆变电路进行动态的无功功率补偿, 所用电容元件小, 它既能发出无功功率, 又能吸收无功功率, 比TSC的调节速度更快、运行范围更宽, 装置体积相对较小, 综合考虑系统的复杂性和经济性, 这种无功补偿方式更适用于潜油电泵机组, 是潜油电泵机组无功补偿技术的重要发展方向。
1 静止同步补偿器进行无功补偿的基本原理
静止同步补偿器基本工作原理是将采用绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 、门极可关断晶闸管 (GTO) 等全控开关器件组成的逆变电路并联在电网上。直流侧电容器用以维持直流电压, 连接电抗器用来滤除高次谐波, 逆变电路可视为电压源型逆变器 (VSI) , 静止同步补偿器基本结构如图1所示。
当考虑到连接电抗器和逆变器自身的损耗时, 将总损耗看作连接电抗器的等值电阻R, 其工作相量图如图2所示。其中为系统母线相电压, 为静止同步补偿器交流侧相电压基波分量, R为连接电抗器的等值电阻, X为连接电抗器的电抗, δ角为系统电压与变流器电压的相角差。改变δ与幅值的大小, 就可以控制输出电流的大小与相位, 从而控制STATCOM向电网发出容性无功或是感性无功。
对于潜油电泵机组, 连接电抗器和逆变器自身的损耗值非常小, 可近似认为R=0, 连接电抗器等值阻抗为j X, 则相位相同, 相位差δ=0。通过控制装置交流侧相电压的大小就可连续发出容性无功或是感性无功, 也可直接控制交流侧电流。根据基尔霍夫电压电流定律可推得STATCOM向电网输出无功功率的公式为:Q=Im (S) = (VSTATCOM-VS) VS/X (1)
当Q>0时STATCOM向系统发出容性无功功率, Q<0时STATCOM向系统发出感性无功功率。
2 基于前馈补偿PI的改进型电流直接控制算法
根据装置的交流侧是否对输出电流直接进行控制, 可将基本的控制策略分为电流间接控制和电流直接控制两大类。由于潜油电机的功率一般在几十到几百千瓦, 所需STATCOM容量不是很大, 故更适用于电流直接控制算法, 采用正弦脉宽调制技术对电流波形瞬时值进行反馈控制。普通的电流直接控制算法采用内外环反馈PI控制, 这种算法的抗干扰能力一般, PI参数不能自适应调整。为进一步提高无功补偿的动态性能, 本文根据前馈控制的思想, 改进了电流直接控制算法, 引入前馈控制环节, 对电流内环的PI参数设计了前馈补偿, 以提高STATCOM对无功电流的跟踪性能。图3所示为前馈PI控制结构, 图4所示为基于前馈补偿PI改进型电流直接控制算法原理图。
其中, IQref为所需补偿的无功电流参考值, IPref为装置所需有功电流参考值, 双环结构中内环为电流控制环, 外环为直流侧电压控制环。Id和Iq为静止同步补偿器交流侧输出三相瞬时电流ia、ib、ic的直轴分量与交轴分量, ud和uq为静止同步补偿的交流侧电压直轴与交轴分量。
外环经直流侧电压比较和PI调节后产生IPref, 由于电压控制外环响应速度远低于电流环响应速度, 所以对外环采用常规PI控制策略。IQref取反后得到-IQref, 将Id和Iq分别与IPref和IQref进行比较后进行PI参数调节器的前馈补偿得到ud和uq。经dq-abc坐标变换为三相交流调制信号送入到脉宽调制 (PWM) 电路, 经比较三角载波信号后得到触发脉冲。
3 仿真验证
为验证本文所提出的控制算法的正确性, 利用的MATLAB软件, 搭建了前馈PI改进型电流直接控制算法的仿真模型, 得到了前馈补偿PI的正弦跟踪和前馈补偿PI的正弦跟踪误差的波形图, 分别如图5和图6所示。
由图5和图6可见, 通过前馈补偿, 可以更好地调节PI参数, 从而保证STATCOM的无功跟踪性能。
由于潜油电机为感性负载, 为验证本文所研究的STATCOM对负载无功的补偿能力, 通过MATLAB/SIMULINK软件包搭建系统模型进行仿真, 以电网侧A相为例进行分析。仿真算例所选潜油电机额定功率为40 k W, 额定电压810 V, 额定电流45 A, 取STATCOM直流侧电压Udc=1100 V, 连结阻抗R=1.2Ω, L=7.5 m H。仿真时间0.2 s, 仿真结果如图7和图8所示。
图7所示为未投入STATCOM进行无功补偿时, 电网侧A相的电压电流波形。由图可见, A相电流滞后于A相电压, 电网存在感性无功电流。图8所示为经STATCOM补偿后电网侧A相输出的电压与电流波形, 可见大约经过1个周波 (0.02 s) 之后, 电网侧电压与电流变为同相位, STATCOM投入后对潜油电机的感性无功进行了动态的补偿。
4 结语
本文提出了一种基于前馈补偿PI的改进型电流直接控制算法, 该算法适用于对潜油电泵机组进行无功补偿的静止同步补偿器 (STATCOM) 的控制, 经仿真表明, 采用该算法可以很好地实现对潜油电泵机组的动态无功补偿。该控制算法易于硬件实现, 研究结果为进一步研制高性能的潜油电泵机组静止同步补偿装置提供了有效的参考依据。
参考文献
[1]滕达.柔性交流输电技术在风电系统中的仿真研究[D].大庆:东北石油大学, 2011.
[2]程浩忠, 吴浩.电力系统无功与电压稳定性[M].北京:中国电力出版社, 2004.
[3]YANG Xingwu, JIANG Jianguo, LIU Shichao.A Novel Design Approach of DC Voltage Balancing Controller for Cascaded HBridgeConverter-Based STATCOM[C]//IEEE 6~ (th) International Power Electronicsand Motion Control ConferenceECCE Asia Conference Digests, 2009:1960-1965.
[4]YE Yang, KAZERANI M, QUINTANA V H.Modeling, Control and Implementation of Three-Phase PWM Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics.2003, 18 (3) :857-864.
[5]许胜, 赵剑锋, 唐国庆.级联H桥型静止同步补偿器触发脉冲的快速生成方法[J].中国电机工程学报, 2010, 30 (12) :43-49.
[6]FREITAS W, MORELATO A, XU W, et al.Impacts of AC generators and DSTATCOM devices on the dynamic performance of distribution system[J].IEEE Trans.on Power Delivery, 2005, 20 (2) :1493-1501.
[7]郭锐, 刘国海.静止同步补偿器数学模型及其无功电流控制研究[J].电力自动化设备, 2006, 26 (1) :21-24.
