姜建國， 滕 達(dá)， 林 川

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 大慶 163318； 2.中國石油天然氣運(yùn)輸公司東北燃?xì)膺\(yùn)輸分公司， 大慶 163412)

級聯(lián)H橋型靜止同步補(bǔ)償器控制方法仿真分析①

姜建國1， 滕 達(dá)1， 林 川2

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 大慶 163318； 2.中國石油天然氣運(yùn)輸公司東北燃?xì)膺\(yùn)輸分公司， 大慶 163412)

無功功率的傳輸對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性會產(chǎn)生不利的影響，傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求。為提高無功補(bǔ)償性能，在分析級聯(lián)H橋型靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)的工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用跟蹤型脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的電流直接控制方法，研究了級聯(lián)H橋型STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的無功補(bǔ)償作用。通過MATLAB仿真軟件分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性和級聯(lián)H橋型STATCOM的無功補(bǔ)償性能。

級聯(lián)H橋； 靜止同步補(bǔ)償器； 電流直接控制； 仿真

STATCOM是基于瞬時(shí)無功功率的概念及補(bǔ)償原理[1]，采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)，門極可關(guān)斷晶閘管GTO(gate-turn-off thyristor)等全控型開關(guān)器件組成自換相逆變器,再運(yùn)用小容量儲能元件，構(gòu)成無功補(bǔ)償裝置，是動態(tài)無功補(bǔ)償裝置發(fā)展的重要方向[2]。作為一種新型功率電子變換結(jié)構(gòu)，多電平逆變器近年來被廣泛應(yīng)用于高電壓、大功率場合[3]。

由級聯(lián)H橋多電平逆變器CH-BMI (cascade H-bridge multi-level inverter)構(gòu)成的STATCOM主電路[4]，可提高STATCOM的功率。它由幾個(gè)電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓，由于輸出電壓電平數(shù)的增加，能有效地減少諧波，可根據(jù)不同的電壓等級靈活的調(diào)整串聯(lián)單元個(gè)數(shù)，經(jīng)過冗余設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的容錯(cuò)性增強(qiáng)。它是STATCOM主電路研究的熱點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的主要趨勢。STATCOM的控制策略按被控物理量不同可分為電流間接控制和電流直接控制[5]?，F(xiàn)在主要應(yīng)用于級聯(lián)H橋的控制方法如Q-δ法和V-δ法[6]都屬于電流間接控制法。但電流間接控制同直接控制相比，存在著控制精度較低、電流響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。

本文研究了面向負(fù)載的三相H橋級聯(lián)型逆變器作為主電路拓?fù)涞腟TATCOM的無功補(bǔ)償情況，并為提高無功補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)性能，采用跟蹤型PWM控制技術(shù)的電流直接控制方法，并用MATLAB7.0軟件進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

1 級聯(lián)H橋型STATCOM工作原理

1.1 基本原理

STATCOM最基本的電路結(jié)構(gòu)是三相橋式電壓型或電流型變流電路，實(shí)際中主要應(yīng)用的是電壓型[7]。在面向負(fù)載的靜止同步補(bǔ)償器中，因其電壓等級比較低，STATCOM可不必通過變壓器而是通過小電抗與系統(tǒng)直接相連[8]，圖1為STATCOM的電路基本構(gòu)造，圖2為其單相等效電路。

圖1 H橋級聯(lián)STATCOM的電路基本構(gòu)造

圖2 STATCOM的單相等效電路

圖中，Us為系統(tǒng)母線電壓，Ug為STATCOM交流側(cè)輸出電壓，R表示連接電抗器電阻和STATCOM損耗中與電流有關(guān)的等值電阻，X為連接電抗器的電抗，在理想情況下，R=0，則連接電抗器等值阻抗為jX。如圖2，由基爾霍夫電壓電流定律得

Us-Ug=jIX

(1)

(2)

其單相視在功率為

(3)

則STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出的無功功率為

(4)

當(dāng)系統(tǒng)電壓大于裝置電壓即Us>Ug時(shí)，此時(shí)電抗器相當(dāng)于電感，STATCOM向系統(tǒng)吸收無功功率；當(dāng)系統(tǒng)電壓小于裝置電壓即Us

1.2 級聯(lián)H橋型STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)

本文所研究的級聯(lián)H橋型STATCOM為A、B、C三相對稱結(jié)構(gòu)多電平逆變器。在這里僅以A相為例來進(jìn)行分析。

級聯(lián)H橋型STATCOM的A相主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，取級聯(lián)單元數(shù)N=6。每個(gè)功率單元主要由以下幾個(gè)部分組成:符號Si1、Si2、Si3、Si4分別為各單元的左橋臂上、下和右橋臂上、下的IGBT開關(guān)器件，其中i=1，…，6。開關(guān)Si1、Si2、Si3、Si4，各自反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，ui為各單元交流側(cè)的輸出電壓，Udc為各單元的直流側(cè)電壓，在實(shí)際應(yīng)用中常由濾波電容C作為儲能元件提供。在各單元的逆變橋交流側(cè)輸出端，上下每兩個(gè)IGBT開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)橋臂，左右兩個(gè)橋臂并聯(lián)。

各逆變橋單元串聯(lián)構(gòu)成裝置一相，UA為裝置A相總的輸出電壓，裝置三相的每一相的輸出電壓負(fù)端呈星型連接在一起，正端引出與系統(tǒng)側(cè)相連。

圖3 級聯(lián)H橋型STATCOM 的A相主電路結(jié)構(gòu)

為防止各單元發(fā)生直流側(cè)短路，同一橋臂上下兩個(gè)IGBT開關(guān)器件不能同時(shí)導(dǎo)通。所以要求在各單元的IGBT觸發(fā)信號中，Si1與Si2觸發(fā)信號相反，Si3與Si4觸發(fā)信號相反，表1顯示了Si1～Si4的開關(guān)狀態(tài)與各H橋逆變單元輸出端電壓ui之間的關(guān)系，其中1表示開關(guān)導(dǎo)通，0表示開關(guān)關(guān)斷。E為各單元的直流側(cè)電壓，Udc=E，各個(gè)單元均可獲得E、0、-E的三電平輸出。各單元串聯(lián)后可形成階梯電平輸出。逆變器根據(jù)控制指令改變輸出電壓大小，再經(jīng)過連接電感的作用，可向電網(wǎng)注入容性或感性電流,從而可以抵消電網(wǎng)中的無功電流。

表1 各單元輸出與IGBT開關(guān)狀態(tài)之間關(guān)系

2 級聯(lián)H橋STATCOM的電流直接控制策略

STATCOM從控制策略上講，根據(jù)是否直接控制其輸出電流來分，可分為電流間接控制和電流直接控制兩大類。為提高無功補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)性能，這里選擇電流直接控制方法[9]，采用電流跟蹤型PWM技術(shù)對電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制。其中PWM控制信號是采用三角波比較方式獲得。工作原理如圖4所示。

圖4 采用PWM技術(shù)電流直接控制方法STATCOM

其中，IQref為所需補(bǔ)償?shù)臒o功電流參考值，反向后即為STATCOM交流側(cè)應(yīng)吸收的無功電流(即指令電流交軸分量)。將電容電壓參考值和它的

瞬時(shí)值相比較再經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)，就可得到STATCOM應(yīng)吸收的有功電流(即指令電流直軸分量)。通過閉環(huán)反饋可以對STATCOM的交流側(cè)電流進(jìn)行控制。STATCOM交流側(cè)產(chǎn)生的三相瞬時(shí)電流ia、ib、ic，經(jīng)濾波和檢測電路之后，可將其瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換到dqO坐標(biāo)系，分別得到直軸分量Id和交軸分量Iq。Id和Iq是直流分量，分別為三相瞬時(shí)有功電流和無功電流，Id和Iq分別與指令電流的直軸分量和交軸分量相比較之后進(jìn)行比例積分，可得STATCOM交流側(cè)電壓直軸分量ud和交軸分量uq，再將ud與uq反變換為三相交流量當(dāng)作調(diào)制信號送入到PWM電路，經(jīng)過三角載波信號調(diào)制以后，PWM電路輸出觸發(fā)脈沖序列。

當(dāng)負(fù)荷為線性阻抗時(shí)，PWM產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖輸入到級聯(lián)H橋STATCOM三相的每一相上的各個(gè)單元，依次觸發(fā)各個(gè)單元上的開關(guān)器件。在每一相上，觸發(fā)脈沖到達(dá)各單元前，又經(jīng)過一系列的延遲環(huán)節(jié)，各單元接收到的觸發(fā)信號依次相差延遲的時(shí)間tdelay，則可在STATCOM的輸出端產(chǎn)生一系列逼近正弦的階梯波電壓，在STATCOM交流側(cè)可得我們需要的補(bǔ)償電流。本設(shè)計(jì)中取延遲時(shí)間tdelay=0.001 s，三角載波頻率取2 500 Hz。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文的仿真軟件采用美國Mathworks公司的MATLAB7.0軟件。采用物理建模法,利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件包搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。

由于在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的負(fù)載大多數(shù)為感性負(fù)載，本次仿真采用感性負(fù)載。運(yùn)用本文所研究的級聯(lián)H橋型STATCOM對感性負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。并以系統(tǒng)側(cè)A相和STATCOM交流側(cè)A相為例進(jìn)行分析。仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)相電壓有效值為6 kV，系統(tǒng)阻抗中電阻Rs=0.001 Ω；負(fù)荷側(cè)感性功率P=10 MW，QL=20 Mvar；級聯(lián)H橋各逆變單元直流側(cè)電源電壓Udc=1 500 V，STATCOM的連結(jié)阻抗R=1.5 Ω，L=9 mH。

仿真算法采用ode23tb(stiff/TR-BDF2)，仿真開始時(shí)刻為0時(shí)刻，仿真終止時(shí)間為0.02 s。所建立的仿真模型如圖5所示。

圖5 MATLAB/SIMULINK建立的仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

在上述設(shè)定下，仿真波形如圖6～圖8所示。

圖6 補(bǔ)償前系統(tǒng)側(cè)A相電壓和電流

圖7 STATCOM的 A相輸出電壓與電流波形

圖8 補(bǔ)償系統(tǒng)側(cè)A相電壓與電流波形

圖6所示為未投入STATCOM裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)側(cè)A相的電壓Usa與電流Isa波形。從圖中可以看出，由于負(fù)載呈感性，需要系統(tǒng)提供感性的無功功率，使得系統(tǒng)A相電流Isa滯后于系統(tǒng)A相電壓Usa，系統(tǒng)存在感性電流。

圖7所示為投入STATCOM裝置時(shí)，STATCOM交流側(cè)A相輸出的電壓Uga與電流Iga波形。從圖中可以看出，STATCOM的輸出端相電壓Uga逼近正弦波，大約經(jīng)過一個(gè)周波之后，STATCOM輸出超前于A相電壓的無功電流， STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率，補(bǔ)償了負(fù)載所需要的感性無功功率。

圖8所示為投入STATCOM補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)的A相電壓Usa與電流Isa波形，由圖中可見，大約經(jīng)過一個(gè)周波之后，系統(tǒng)側(cè)電壓與電流變?yōu)橥辔唬瑢φ請D6可見，系統(tǒng)電流幅值有所減少，系統(tǒng)電流變?yōu)榧冇泄﹄娏鳌?/p>

由圖6～圖8可見，投入STATCOM后滿足了穩(wěn)態(tài)的無功補(bǔ)償要求。下面研究STATCOM的動態(tài)無功補(bǔ)償要求。在同STATCOM相連的連接電抗器與系統(tǒng)之間接入三相斷路器，并設(shè)動作時(shí)間為0.04 s，其他的仿真參數(shù)設(shè)置不變，仿真波形如圖9所示。

圖9 斷路器t=0.04 s動作時(shí)系統(tǒng)A相電壓和電流

圖9為斷路器在0.04 s動作前后系統(tǒng)側(cè)A相的電壓Usa與電流Isa波形圖。由圖可見，在0.04 s時(shí)刻之前，由于負(fù)載呈感性，系統(tǒng)A相電流Isa滯后于系統(tǒng)A相電壓Usa，系統(tǒng)向負(fù)載提供感性無功。0.04 s之后，由于斷路器動作STATCOM接入系統(tǒng)，負(fù)載所需無功由STATCOM提供，系統(tǒng)電壓與電流變?yōu)橥辔?，系統(tǒng)電流幅值有所減小。所研究的STATCOM裝置投入運(yùn)行后滿足動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)語

本文分析了級聯(lián)H橋型STATCOM的工作原理和主電路結(jié)構(gòu)，提出了適用于所研究STATCOM裝置的電流直接控制方法，并用MATLAB7.0軟件仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用電流直接控制方法的級聯(lián)H橋型STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的無功補(bǔ)償能力，初步取得了良好的補(bǔ)償效果。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電力半導(dǎo)體開關(guān)器件頻率的增加，電流直接控制必將更廣泛地應(yīng)用到STATCOM的控制器設(shè)計(jì)中。

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SimulationAnalysisofControlMethodinCascadeH-BridgeStaticSynchronousCompensator

JIANG Jian-guo1， TENG Da1， LIN Chuan2

(1.School of Electrical Engineering & Information, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Northeast Gas Transportation Branch, CNPC Transportation Company Limited, Daqing 163318, China)

The transmission of reactive power has negative impacts on stability and security of power system,and traditional reactive power compensation technologies are difficult to meet system requirements.In order to improve the performance of reactive power compensation,the principle and topology of H-Bridge STATCOM were studied.The direct current control method of tracking PWM was used to study the steady state and dynamic state reactive power compensation performance of cascade H-bridge STATCOM.MATLAB simulation results prove the validity of the control method and the performance of cascade H-bridge STATCOM for reactive power compensation.

cascade H-bridge inverter； static synchronous compensator； direct current control； simulation

2010-09-28

2010-10-27

TM464

A

1003-8930(2011)01-0098-05

姜建國(1966-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。Email:jjgnepu@163.com 滕 達(dá)(1983-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。Email:tengdaky@163.com 林 川(1965-)，男，本科，主要從事相關(guān)專業(yè)的技術(shù)研究與管理工作。Email:linchuan007@sina.com