配电网静止同步补偿器控制方法的设计与仿真 何柄廷

配电网静止同步补偿器控制方法的设计与仿真何柄廷
发表时间：2018-04-18T11:39:47.963Z 来源：《电力设备》2017年第31期作者：何柄廷
[导读] 摘要：随着科技的发展和工业自动化水平的提高，配电网中各种非线性、冲击性和不平衡负荷增加，电压、电流波形畸变，造成电压波动、闪变和三相不平衡；同时新的电压敏感型设备大量出现，对电能质量提出了更高要求。

（国家电网四川省电力公司天府新区供电公司四川成都 610213）
摘要：随着科技的发展和工业自动化水平的提高，配电网中各种非线性、冲击性和不平衡负荷增加，电压、电流波形畸变，造成电压波动、闪变和三相不平衡；同时新的电压敏感型设备大量出现，对电能质量提出了更高要求。

相比于其他的补偿设备，配网静止同步补偿器（D-STATCOM）通过自换相的桥式变流器来吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿，综合地解决上述电能质量问题。

本文主要研究了配电网的静止同步补偿器（D-STATCOM），重点介绍了其工作原理和控制方法，并在MATLAB的Simulink中以含有D-STATCOM的10/0.4kV的配电系统为例，验证其动态响应情况，仿真结果表明文中提出的D-STATCOM的控制方法能有效地实现动态无功补偿。

关键词：静止同步补偿器；dq坐标；动态数学模型；无功电流检测；空间矢量PWM
引言
进入21世纪后，随着科技的发展，人们生活中出现了各种以前未有的负荷，例如电弧炉、整流器、变频调速装置等。

配电网中各种非线性、冲击性和不平衡负荷增加，网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡；同时新的电压敏感型设备大量出现，对电能质量提出更高要求，故需要改善电能质量的控制设备[1]。

配网静止同步补偿器（DSTATCOM）通过自换相的桥式变流器来吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿，综合地解决上述电能质量问题。

其具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，具有较强的现实意义。

1 STATCOM动态数学模型
对DSTATCOM可建立数学模型进行分析研究。

STATCOM的三相等效电路图通过简化后得到图2-5。

图中Vdc表示电容侧电压值，Idc 为直流侧电流，VSI表示电压型变流器[3]，C为补偿器直流侧电容值，、、分别表示系统电压三相瞬时电动势，Va、Vb、Vc分别代表逆变器输出的三相电压值，ia、ib、ic为三相瞬时电流值，L为连接电感，R为连接电感和变流器总损耗的等效值。

2.3空间矢量PWM及其在STATCOM中的应用
在各种正弦脉宽调制技术中，空间电压矢量PWM（或称SVPWM）越来越优化，很容易的限制逆变器输出电流的谐波分量，而且优点众多，比如控制简单，电压利用率高，易于数字化实现，已经完全可以取代SPWM[6]。

运用SVPWM对 DSTATCOM进行控制，能够快速较好的提高补偿性能。

3 D-STATCOM的系统仿真
本节将结合前面所述的DSTATCOM的主电路结构以及所选取的控制策略，以10/0.4kV的配电系统为例，利用MATLAB软件的Simulink 进行系统仿真，验证其效果。

在三相坐标系中，系统各参数如下：
D-STATCOM的额定容量基值，其值为30Kvar；配电网系统侧线电压基值，其值为400V；相电压基值，计算得231V；电流基值，经
计算得43.3A；阻抗基值，经计算得5.333。

本文采用了MATLAB软件自带的元件库进行组合建模，分别采用了Simulink仿真模块中Simpower System工具箱建立STATCOM仿真模型。

仿真模型主要包括六部分：主电路模块、PLL及电量转换模块、无功电流检测模块、内环电流控制模块、外环电压控制模块、SVPWM 信号产生模块（SVPWM Generator）以及测量显示模块。

图3-1 主电路仿真结构图
本仿真以STATCOM对阻感性负载的补偿能力和无功负荷的跟踪能力为例，验证其对系统功率因数的提高和电压的稳定效果。

软件仿真的条件如下：（1）0.05s之前，负载为阻感性，容量为，DSTATCOM没有启动开始工作；（2）0.05s时刻，STATCOM并入系统工作，开始动态补偿，试验仿真波形如图3-2所示。

之前，负载呈阻感性，系统电流滞后于系统电压，在0.05s时刻DSTATCOM并入电网，发出超前于系统电压的无功电流，负载所缺少的无功电流得到补偿，当STATCOM装置投入运行后，负载所需要的无功电流供由STATCOM装置而非系统提供，此时STATCOM装置充当了并联电容补偿器的角色。

经历一个多周期后，系统电流和系统电压的相位开始同步，系统电流发生变化，成为纯有功电流，而且系统电压幅值稳定。

3-2（b）为STATCOM交流侧输出的电压电流图，当系统稳定后，可以看出电压电流的相位相差接近90度，补偿系统所缺无功。

3-2（c）图为STATCOM输出的有功与无功变化趋势，稳定后系统输出大量无功，有功很少，用于装置的损耗。

3-2（d）为直流侧电容电压变化趋势，说明电压控制单元对系统电网电压有稳定性良好。

结论
对本文所设计方案进行系统级仿真，通过两种不同工况，即阻感性、冲击性负载对STATCOM的作用进行验证。

结果表明DSTATCOM 能有效实现无功补偿的目的，具有快速良好的动态补偿特性。

本文所研究的DSTATCOM，相比于其他补偿装置性能更优良，动态响应更迅速，能连续吸收无功，产生的噪声小，谐波分布少[7]。

所以，在配电系统推广应用DSTATCOM装置有很大运用前景，很好的保证电能质量。

参考文献：
[1] 王兆安，刘进军，杨君.谐波抑制和无功补偿.北京机械工业出版社，1998
[2] 陆安定.功率因数与无功补偿[M].上海：上海科学普及出版社，2004
[3] N.G.Hingorani，L.Gyugyi，2000，“Understanding FACTS：Concepts and technology of flexible AC transmission systems”，John Wiley & sons
[4] 任不德，刘发友，周胜军.动态无功补偿技术的应用现状，电网技术，2004，28（23）：81 ~83
[5] 徐政.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置.北京：机械工业出版社，2005
[6] 张刘春，韩如成，无功补偿装置的现状和发展趋势[[J].太原重型机械学院学报，2004，25（1）：30~33
[7] 孟燕妮.配电网静止同步补偿器控制器的研究[D].西安：西安理工大学，2005：26~29.。