焦廣旭，段成群，鄭牡丹

(山西電力公司晉城供電分公司，山西 晉城 048000)

1 引言

隨著電力負(fù)荷的種類(lèi)越來(lái)越多，大量非線性負(fù)荷和大功率單相負(fù)荷的涌現(xiàn)使得電網(wǎng)中，特別是低壓配電網(wǎng)的諧波問(wèn)題、三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題以及無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量，對(duì)電網(wǎng)和其他電力用戶造成損害［1-3］。

另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力能源的質(zhì)量要求越來(lái)越高，電能質(zhì)量對(duì)社會(huì)的影響也越來(lái)越大，由于電能質(zhì)量問(wèn)題造成的電力用戶產(chǎn)品不合格的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)的諧波、無(wú)功和不對(duì)稱(chēng)電流的有效補(bǔ)償是電力系統(tǒng)面臨的重大課題。

傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法大多數(shù)只能對(duì)單一問(wèn)題進(jìn)行處理，而對(duì)解決其它問(wèn)題可能還會(huì)起副作用。如使用并聯(lián)電容器可以調(diào)整功率因數(shù)，但會(huì)引起諧波放大;用無(wú)源濾波器可以消除某次設(shè)定的諧波，但又容易與電網(wǎng)發(fā)生諧振;解決三相不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題只能是在設(shè)計(jì)階段盡量合理的分配三相負(fù)荷，而對(duì)實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷變化引起的三相不對(duì)稱(chēng)則沒(méi)有合適的解決方法。因此，研發(fā)新型的補(bǔ)償設(shè)備，綜合補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波、無(wú)功和不對(duì)稱(chēng)電流對(duì)供電部門(mén)和電力用戶都具有積極的作用和意義。

近年來(lái)，隨著電力用戶對(duì)供電質(zhì)量要求的提高，作為“用戶電力”技術(shù)之一的配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM(Distribution Static Compensator)受到人們的關(guān)注。D-STATCOM在抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功和平衡三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷方面的優(yōu)良性能，使其成為綜合提高電能質(zhì)量的不可或缺的重要裝置［4-6］。

為了保障人身和用電設(shè)備的安全，我國(guó)的低壓配電網(wǎng)(380/220V)采用中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式。為了補(bǔ)償零序電流，D-STATCOM裝置必須具有零序電流回路。本文主要研究三相四橋臂并聯(lián)型D-STATCOM裝置的性能，利用MATLAB仿真工具搭建仿真模型，驗(yàn)證D-STATCOM裝置補(bǔ)償?shù)蛪号潆娋€路的無(wú)功、諧波和不對(duì)稱(chēng)電流的原理與功能。

2 D-STATCOM的控制系統(tǒng)

D-STATCOM的控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流形成電路和各橋臂控制信號(hào)產(chǎn)生電路。

D-STATCOM裝置是一種綜合補(bǔ)償線路諧波、無(wú)功和不對(duì)稱(chēng)電流分量的電力電子設(shè)備，為了具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，D-STATCOM裝置必須快速補(bǔ)償負(fù)荷電流的無(wú)功、諧波和不對(duì)稱(chēng)分量，使電網(wǎng)僅提供負(fù)荷電流中的基波正序有功電流分量I1。因此，D-STATCOM的諧波電流檢測(cè)和序電流分析不能采用傳統(tǒng)的基于傅里葉變換和相量理論的方法，因其形成指令電流的時(shí)間大于一個(gè)周波。

目前，D-STATCOM主要采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的各種電流檢測(cè)方法［7-11］。本文采用改進(jìn)的ip-iq法，該方法能適應(yīng)系統(tǒng)電壓畸變的環(huán)境，在系統(tǒng)電壓含有諧波分量和不對(duì)稱(chēng)的條件下，仍能準(zhǔn)確的分離出基波正序有功電流分量ip。該方法的原理框圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的ip-iq法原理框圖

指令電流檢測(cè)電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量、基波無(wú)功電流分量以及非正序有功電流分量。這些電流分量構(gòu)成了D-STATCOM裝置補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，即指令電流。

各橋臂控制信號(hào)［11-12］產(chǎn)生電路根據(jù)實(shí)測(cè)的 DSTATCOM補(bǔ)償電流與指令電流之差，計(jì)算出主電路各橋臂開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖。此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于各橋臂開(kāi)關(guān)器件，使D-STATCOM裝置輸出的補(bǔ)償電流等于指令電流。這樣負(fù)載電流中的諧波電流分量、基波無(wú)功電流分量以及非正序有功電流分量由DSTATCOM裝置提供，而系統(tǒng)電源只需提供負(fù)載電流的基波正序有功電流分量，從而消除了非線性負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響，保障了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3 D-STATCOM仿真模型

為分析、研究D-STATCOM裝置補(bǔ)償負(fù)荷電流的諧波分量、基波無(wú)功分量以及非正序有功分量的能力，對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算。

仿真應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行。圖2為D-STATCOM裝置仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 D-STATCOM裝置仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)電源仿真模型

采用MATLAB電力系統(tǒng)仿真工具箱中的AC Voltage Source(交流電壓源)模擬系統(tǒng)電源。通過(guò)設(shè)置模塊中交流電壓的幅值、相角、頻率以及采樣時(shí)間，構(gòu)造合適的三相系統(tǒng)電壓模型，仿真中系統(tǒng)為相電壓為220V的三相交流電壓源。

3.2 非線性負(fù)荷仿真模型

非線性負(fù)載是電網(wǎng)中主要的諧波源。非線性負(fù)載種類(lèi)較多，如整流逆變電路、電弧爐、空調(diào)、電視機(jī)、變壓器等，為了研究D-STATCOM對(duì)不對(duì)稱(chēng)、諧波、無(wú)功電流分量的補(bǔ)償效果，負(fù)荷仿真模型采用了一種極端情形:A、C相無(wú)負(fù)荷，B相與接地線間接一單相全波整流電路后接電阻電感負(fù)載。

3.3 D-STATCOM主回路仿真模型

為了補(bǔ)償零序電流分量，D-STATCOM裝置的主回路必須具有零序電流通路。能流過(guò)零序電流的主回路有多種形式，本文主要分析三相四橋臂主回路形式。主電路具有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由上、下半橋組成。上半橋接在直流電源的正端，下半橋連在直流電源的負(fù)端。每個(gè)半橋由IGBT和反并聯(lián)二極管組成的模塊與阻容保護(hù)電路并聯(lián)構(gòu)成。上下橋臂連接的橋臂中點(diǎn)為橋臂外接端點(diǎn)。四個(gè)橋臂的外接端點(diǎn)分別經(jīng)濾波電抗器接在電網(wǎng)的A、B、C相和中性點(diǎn)N(接地線)。

4 D-STATCOM仿真和分析

按照?qǐng)D2的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，采用MATLAB對(duì)三相四橋臂D-STATCOM裝置的補(bǔ)償功能進(jìn)行仿真分析。其主電路參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型的主要參數(shù)

4.1 D-STATCOM啟動(dòng)過(guò)程仿真

當(dāng)D-STATCOM裝置的直流母線電壓為零時(shí)將DSTATCOM裝置接入電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓經(jīng)各橋臂反并聯(lián)的二極管向直流穩(wěn)壓電容充電。在啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)很大的充電電流，影響IGBT模塊的壽命［13］。為限制充電電流，在D-STATCOM裝置啟動(dòng)時(shí)投入限流電阻，減少啟動(dòng)電流。當(dāng)直流電壓達(dá)到切除限流電阻的定值時(shí)，短接限流電阻，使D-STATCOM裝置主電路進(jìn)入正常工作模式。圖3為D-STATCOM裝置啟動(dòng)過(guò)程直流電壓波形，由圖可見(jiàn)，在啟動(dòng)過(guò)程前期，由于限流電阻的作用，D-STATCOM裝置的直流電壓上升速率較慢，在t=0.969s時(shí)，直流電壓達(dá)到切除限流電阻的給定值(420V)，裝置短接限流電阻，直流電壓以較快速率上升。短接限流電阻的同時(shí)裝置開(kāi)始對(duì)直流電壓進(jìn)行控制，因此，直流電壓在快速上升約半個(gè)周波后，在控制規(guī)律作用下。繼續(xù)上升，逐漸穩(wěn)定到582V。由于裝置已開(kāi)始對(duì)電流的畸變量進(jìn)行補(bǔ)償，因此直流電壓有波動(dòng)，從圖上可以看出，電壓的波動(dòng)范圍約為±5V。

圖3 啟動(dòng)過(guò)程直流電壓波形

4.2 D-STATCOM補(bǔ)償過(guò)程仿真

當(dāng)僅B相接負(fù)荷時(shí)，仿真系統(tǒng)的負(fù)荷電流波形如圖4所示。從圖中可看出，A、C相負(fù)荷電流為零，B相電流的波形也有明顯畸變?？梢?jiàn)系統(tǒng)負(fù)荷電流嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)且存在高次諧波。

圖4 負(fù)荷電流波形

圖5 D-STATCOM輸出電流波形

圖5為D-STATCOM裝置輸出電流波形，在t=0.969s前，裝置處于啟動(dòng)階段，D-STATCOM裝置的電流為直流電容的充電電流。在限流電阻的作用下，充電電流的最大瞬時(shí)電流被限制在42A左右。在啟動(dòng)階段，D-STATCOM裝置閉鎖補(bǔ)償功能，因此系統(tǒng)提供負(fù)荷電流和D-STATCOM裝置的充電電流如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)電流波形

在t=0.969s以后，D-STATCOM裝置的啟動(dòng)階段結(jié)束，進(jìn)入正常工作階段，D-STATCOM裝置開(kāi)始提供補(bǔ)償電流，經(jīng)過(guò)約半個(gè)周波的過(guò)渡過(guò)程后，系統(tǒng)三相電流開(kāi)始對(duì)稱(chēng)，總諧波畸變率也從補(bǔ)償前的17.22%下降到2.20%，滿足IEC 60092-101標(biāo)準(zhǔn)中總諧波畸變率小于5%的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

補(bǔ)償后的系統(tǒng)電壓和電流的相位關(guān)系如圖7所示。補(bǔ)償前系統(tǒng)電壓超前電流一個(gè)角度，補(bǔ)償后電壓電流同相位。即系統(tǒng)僅提供有功電流。

圖7 B相電壓、電流相位關(guān)系圖

另外，補(bǔ)償前大于50A的中線電流經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后幾乎為零(小于0.3A)，表明經(jīng)過(guò)D-STATCOM補(bǔ)償后系統(tǒng)三相電流基本對(duì)稱(chēng)如圖8所示。

圖8 中線電流波形

5 結(jié)論

本文對(duì)三相四橋臂D-STATCOM裝置補(bǔ)償負(fù)荷電流的諧波、無(wú)功和不對(duì)稱(chēng)分量的功能進(jìn)行了分析與仿真研究。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的D-STATCOM裝置具有較好的補(bǔ)償特性，可以有效的抑制電網(wǎng)的電流畸變問(wèn)題。應(yīng)用D-STATCOM裝置可以很好的解決非線性負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)造成的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)改善電網(wǎng)供電質(zhì)量具有重要意義。

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