1140V DSTATCOM的控制系统研究

1140V DSTATCOM的数学模型Modeling OF DSTATCOM in 1140V of LowV oltage摘要:随着煤矿机械化程度的提高，采煤机械设备功率大幅度增加，供电距离不断加长，这些都使系统中的无功缺损加大，导致井下供电质量下降。

因此，对煤矿井下进行无功补偿至关重要。

本文主要对1140V电压等级下DSTATCOM控制系统进行设计，建立了静止同步补偿器在不同坐标系下的数学模型。

运用MATLAB/Simulink仿真工具建立了DSTATCOM的仿真模型，仿真了在恒定感性负载、变化的感性负载，以及在恒定容性负载和负载由感性到容性变化的情况。

仿真结果表明，本文设计的数学模型在恒定负载下具有良好的补偿效果，并且在负载性质发生变化以及突加负载和突甩负载情况下具有较快的动态响应速度和良好的跟踪能力。

验证了本文所述模型的正确性和有效性。

关键词：配电网静止同步补偿器；MATLAB仿真；Abstract:With the rapid development of modern coal mine, the mechanization degree rises fast, the power of mining machinery equipment greatly increases, and the distance is extended from the power supply , which resulting in the deterioration of power supply quality and reactive defects. Therefore, the reactive compensation is essential for the coal mine.The thesis creates the simulation model of DSTATCOM using MATLAB / Simulink simulation tool .It simulates the situations in constant inductive load, inductive load changes, the constant capacitive load and the load changeing from the inductive to capacitive. Simulation results show that the control system of DSTATCOM has good compensation effect in constant load, and has excellent transient stability in changeing load and sudden adding or sudden rejecting load . Control method described in this article demonstrate the correctness and The simulation results prove the correctness and effectivenes of the control strategy.Keywords: Distribution Static Synchronous Compensator；MATLAB simulation1引言随着现代化矿井快速发展，井下机械化程度不断提升，采煤机械设备功率大幅度提高及供电距离不断加长，我国煤矿井下工作面供电电压等级也相应地逐步提高，1140V电压等级已成为我国煤矿井下的主要供电电压等级之一。

井下1140V电压等级下所带的用电设备大多是感性负荷，如采煤机、绞车、皮带机等，各种感性负荷与电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，无功功率对电网的影响主要有以下几个方面：(1)功率因数降低，设备容量利用少。

(2)增大线路和变压器的电压降，对于冲击性的无功功率负载来说，还可能使电压产生剧烈波动，严重降低供电质量，造成电机启动困难或频繁烧毁,特别是在大功率电动机使用上表现尤为明显。

(3)增加设备的容量。

(4)设备及线路损耗增加。

由此可以看出，大量无功功率的存在，会造成井下供电质量恶化，同时无功损耗带来电能浪费严重。

煤矿井下使用无功补偿装置，其作用主要表现在以下几个方面[1]：(1)提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；(2)稳定受电端及电网的电压。

(3)抑制谐波，净化电网；(4)减少电气事故率，延长设备使用寿命。

经过无功补偿后，系统电流下降，所有电气设备承受实际电流减少，减少了因电流大造成各类电气事故的几率。

然而，现阶段对煤矿井下动态无功补偿装置的研究很少，对井下配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）装置的研究还处于初始阶段。

目前，煤矿井下投入使用的无功补偿装置大多是TCR或TSC,长期以来，这些功率补偿装置在现场应用中存在可靠性低，响应速度慢的缺点，且不能很好地实现无功双向动态补偿的要求。

而DSTATCOM因其响应速度快，能对系统无功功率进行双向动态补偿，而成为现代静止无功补偿技术研究的热点。

2 DSTATCOM数学建模2.1 概述(Introduction)煤矿井下供电系统的生产负荷，一般都处于供电网络的最末端，其用电设备大部分都是由1140V低压系统供电。

因此，用电负荷变化较大，功率因数只有0.6-0.7 ,有时甚至更低。

井下各用电设备长期在功率因数较低的情况下运行,电网的线路损耗所造成能源浪费极大。

随着煤矿机械化程度的提高，采煤机、运输机的装机功率都达1000kW 以上。

而且，由于工作面走向增加，导致供电距离加长，这些，都使系统中的无功损失加大。

同时，因设备容量大、供电距离远、设备起动力矩降低的问题也无法解决。

因此，提高功率因数，选用最佳的无功补偿是至关重要的。

以某矿综采工作面变电站低压侧连接设备为例,变压器容量630 kVA,二次侧额定电压1140V ，负载参数见表1。

表1 负载参数表 负载数量 设备容量/kW 功率因数 皮带机1台 75*2 0.65 绞车1台 180 0.65 备用 —— —— ——(1)胶带机、绞车同时运行时，设备容量为330kW ，线路电流1()257i A A =；(2)当只有皮带机运行时，设备容量为150 kW ，线路电流1()117i B A =； 将DSTATCOM 装置安装在煤矿井下低压侧1140V 的供电系统如图1所示：无功补偿装置安装在低压馈电开关的输出端（或井下皮带运输机或其它用电设备的开关的前级）。

630K V A 图1 DSTATCOM 安装位置Figure 1 Installationsite of DSTA TCOM2.2 DSTATCOM 数学模型(Mathematical Modeling of DSTATCOM )研究模型前，在不影响准确性的前提下，通常作以下假设：（1）电网电动势为三相对称的纯正弦波电动势；（2）A ，B ，C 三相电路参数对称，且系统中的电感、电容等都是线性的，不考虑饱和。

(3) 将系统中的其它有功和无功损耗(例如功率器件的发热等)全都折合叠加到阻抗支路上。

（4）为简化一般数学描述，可忽略开关函数描述模型中的高频分量，即只考虑其中的基波分量。

2.2.1 三相静止坐标系中的数学模型DSTATCOM 其等效电路图如图2。

其中，sa sb sc e e e 、、分别为电网侧三相电压，ca cb cc i i i 、、为DSTATCOM 向电网提供的三相补偿电流。

aN bN cN U U U 、、分别为逆变器输出的三相电压，L 为交流侧滤波电感，R 为连接电感等效电阻和功率开关管损耗等效电阻的和。

N O图2 DSTATCOM 的等效电路Figure 2 Equivalent model of DSTA TCOM采用开关函数法研究DSTATCOM 的数学模型，其逆变器的拓扑结构如图3所示：dc U 1a K 2a K 2b K 1c K 1b K 2c K ac b+_图3 逆变器拓扑结构图Figure3 Topology structure of inverter首先定义单极性二值逻辑开关函数：1 k k S ⎧=⎨⎩上桥臂导通，下桥臂关断（=a,b,c ）0 上桥臂关断，下桥臂导通(2-1) 根据基尔霍夫电压定律，a 相回路方程为：0()ca ca sa aN N di L Ri e U U dt+=-+ (2-2) 当上桥臂a1K 导通而下桥臂a2K 关断时， 1 a aN dc S U U ==且。

当上桥臂a1K 关断而下桥臂a2K 导通时，0 U 0a aN S ==且。

由于aN dc a U U S =，式2-2可改写成 0()ca ca sa dc a N di LRi e U S U dt+=-+ (2-3)同理，可以得到b 相和c 相的回路方程： 0()cb cb sb dc b N di L Ri e U S U dt+=-+ (2-4) 0()cc cc sc dc c N di L Ri e U S U dt+=-+ (2-5) 对于一个三相对称系统，有：0sa sb sc e e e ++= (2-6)0ca cb cc i i i ++= (2-7) 联立式(2-3)到式(2-7)，可以得到： 0,,3dcN k k a b c U U S ==-∑ (2-8)直流侧电流dc i 可以描述为： dc dc ca a cb b cc c dU i C i S i S i S dt==++ (2-9) 联立以上各式，可得DSTATCOM 在三相静止坐标系下的开关函数模型：,,,,,,100()3000100()0003000100()000030a k k a b c ca ca sa b k cb cb sb k a b c cc cc sc c k dc dc k a b c a b c RS S i i L e R S S i i L e d i i L e dt R S S U U C S S S ===⎡⎤---⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑∑∑ (2-10) 主要参数为装置的等值电感L ，等值电阻R （代表损耗），DSTATCOM 直流侧电容参数C 及其电压dc U 。

控制量为a b c S S S 、、，改变a b c S S S 、、就可以控制DSTATCOM 产生电流的大小和方向，从而控制DSTATCOM 产生的无功功率的大小和性质。