平 增，張忠鋒，張 娟，張 輝，張良學(xué)

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045;2.吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源136200;

3.鄭州祥和集團(tuán)電力工程有限公司，河南鄭州450000;4.平頂山易成新材料股份有限公司，河南平頂山467021)

我國與一些發(fā)達(dá)國家相比，在電網(wǎng)的總損耗中，10 kV及以下配電網(wǎng)約占43%［1－3］，同時在配電網(wǎng)中還容易出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡，功率因數(shù)偏低的情況.所以，一種能夠進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足配電系統(tǒng)需要的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置就顯得很重要.現(xiàn)在，我國對靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)的研究主要是在高壓大容量方面，在低壓配電側(cè)方面對STATCOM的研究還不是很多，所以在配電網(wǎng)中對STATCOM的研究具有實際意義.

對配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行研究首先需要對配電網(wǎng)中的無功電流進(jìn)行檢測，對無功電流的檢測是STATCOM最核心的環(huán)節(jié).根據(jù)補(bǔ)償?shù)哪康?，?zhǔn)確實時地把負(fù)載電流中的無功電流分離出來，以產(chǎn)生需要的無功電流指令.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的性能受到無功電流檢測方法的影響.一般常用的無功電流檢測方法有以下幾種:帶通濾波器法［4］、基于Fryze時域分析的有功電流分離法［5］、自適應(yīng)檢測方法［6］、基于小波變換的檢測方法［7］、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的檢測方法［8］、基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法［9］.

文獻(xiàn)［4］的無功電流是通過高通濾波器得到的，該方法的電路實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟(jì);但是這種方法的濾波效果在電網(wǎng)頻率波動時不是很理想，電流中的無功分量不能直接檢測出來.文獻(xiàn)［5］將非線性負(fù)載電流分解為廣義無功電流和有功電流分量兩個正交的分量，但是該檢測方法的實時性不好.文獻(xiàn)［6］參考輸入為電源電壓，原始輸入為負(fù)載電流，通過該種方法得到高次諧波和無功電流的總和，是通過自適應(yīng)濾波器把電流處理后輸出與負(fù)載電流基波有功分量幅值相位均相等的信號，并把此信號從負(fù)載電流信號中除去.該種方法在電源電壓畸變的情況下，仍然有很好的自適應(yīng)能力，但是此方法的動態(tài)響應(yīng)比較慢，同時對硬件電路要求也很高.文獻(xiàn)［7］采用不同尺度的分析方法，最佳的時域和頻域分辨率可以在信號的不同地方獲得，但是該檢測方法要求比較長的電流信號周期，同時計算量也很大.文獻(xiàn)［8］的原始輸入是非線性負(fù)載電流，輸出和待補(bǔ)償?shù)臒o功電流逼近.該種方法的計算量小，實時性好，抗干擾性好，但是需要的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法不是很規(guī)范，需要比較多的訓(xùn)練樣本.

基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測方法包括p－q和ip－iq2種檢測法，也是目前應(yīng)用最廣泛的方法.當(dāng)電網(wǎng)電壓波形沒有畸變時，這2種檢測方法都能對無功電流進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測;當(dāng)電網(wǎng)電壓有畸變時，p－q檢測法有很大的誤差，而ip－iq檢測法能有效地避免電壓畸變所帶來的影響［10］.但是不能分離出無功電流，并且ip－iq檢測法中為了產(chǎn)生與電源電壓同步的正弦和余弦信號需要用到鎖相環(huán)(PLL).鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓畸變的情況下，會使檢測誤差增大，所以無功電流不能準(zhǔn)確地檢測出來.同時，PLL電路還增加了電路板的面積，調(diào)試和設(shè)計也不簡單［11］.文中在這2種方法的基礎(chǔ)上采用一種無鎖相環(huán)的檢測方法.該檢測方法能在電壓畸變的情況下準(zhǔn)確地檢測出系統(tǒng)電流中的無功，并且實現(xiàn)過程比較簡單，具有很強(qiáng)的實用性.

1 p－q檢測法

p－q檢測方法流程如圖1所示.

圖1 p－q檢測方法流程

圖1中:C32為坐標(biāo)變換矩陣;LPF為低通濾波器;p，q分量可以根據(jù)瞬時無功功率定義［12］計算得出;p，q的直流分量p，q可以通過低通濾波器LPF得到;ia，ib，ic的基波分量可以由p，q通過反變換計算得到，即

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將基波分量 iaf，ibf，icf與原三相電流瞬時值 ia，ib，ic相減即可.

如果要得到電路中的諧波和無功電流，則可將圖1中的無功分量q通道斷開，此時由有功分量p反變換計算得到原電流中的基波有功電流分量ipaf，ipbf，ipcf，即

所以可以通過 ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到原電流中諧波分量和無功分量之和.

STATCOM用于補(bǔ)償無功電流，所以只需將無功分量q直接反變換即可.

此時，低通濾波器可以省略，得到的是三相電路中的無功電流瞬時值.跟蹤此無功電流，就可以實現(xiàn)對無功電流的實時補(bǔ)償.

該方法計算簡單，響應(yīng)速度快，但在電壓畸變的情況下誤差比較大.

2 ip－iq檢測法及其無鎖相環(huán)的實現(xiàn)

ip－iq檢測法流程如圖2所示.

圖2 ip－iq檢測法流程

圖2中的變換矩陣C為

該檢測方法的主要目標(biāo)是計算出瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq.ip－iq檢測法采用的變換矩陣C是采用一相電壓(例如a相電壓)，通過鎖相環(huán)(PLL)獲得與之同相位的正弦信號和余弦信號，從而構(gòu)造變換出來的.在通過變換矩陣C之后，三相電流可以變換為瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq.直流分量ip和iq在經(jīng)過低通濾波器LPF之后獲得，iaf，ibf，icf在經(jīng)過直流分量ip和iq反變換計算后即可得到.

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將iaf，ibf，icf與 ia，ib，ic相減即可.

如果要檢測電路中的諧波電流和無功電流之和，則可斷開圖2中無功電流分量iq的通道，此時原電流中的基波有功電流分量可以通過反變換計算得到，即

原電流中諧波分量和無功分量之和可以通過ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到.

對此電流進(jìn)行跟蹤，即可實現(xiàn)STATCOM對無功電流的實時補(bǔ)償.該檢測法在補(bǔ)償無功電流時和p－q檢測法相似，不需要低通濾波器LPF，因而可以實現(xiàn)瞬時無功電流的實時檢測.

但是該檢測方法在電壓畸變的情況下不能分離基波中的有功和無功，并且由于鎖相環(huán)(PLL)的存在，使該檢測方法的計算比較復(fù)雜，響應(yīng)比較慢.

如圖2所示，ip－iq檢測法中需用到鎖相環(huán)(PLL)，利用PLL可以得到三相電流的基頻和初相角，但是受信號的影響往往比較大.當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，會導(dǎo)致檢測誤差，從而無法準(zhǔn)確地檢測出需要的電流.同時，PLL電路不但使電路板的面積增加，同時也使設(shè)計和調(diào)試比較復(fù)雜.為了解決使用鎖相環(huán)所帶來的誤差，并結(jié)合ip－iq檢測法的特點可知，通過鎖相環(huán)獲得變換矩陣C中的w，可以通過采用單相電壓構(gòu)造出同步旋轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)，從而就可以實現(xiàn)無鎖相環(huán)的目標(biāo).

三相不平衡a相電壓表達(dá)式可以表示為

式中:Aa為a相電壓的基波幅值;Aka為k次諧波電壓的幅值.

將ua經(jīng)過一個微分器得到

式(9)的第一項是式(8)第一項的微分量，二者是正交的關(guān)系.由于實際電網(wǎng)電壓的畸變量一般很小并且為高次諧波，所以可以把ua和的第一項通過一個低通濾波器分離出來.

設(shè)ua分離后的Aasin(wt)值為x分離后的Aawcos(wt)值為 y，則

由于電網(wǎng)頻率的偏差一般不會超過0.5 Hz，是很小的，令ω=100 π，則可以得到

利用公式(11)就可以減小ip－iq檢測法中利用鎖相環(huán)電路獲取同步旋轉(zhuǎn)角帶來的延時誤差.

3 電壓畸變情況下的控制策略

綜合p－q檢測法和ip－iq檢測法的優(yōu)點，采用能在電壓畸變的情況下仍能檢測出STATCOM無功電流的方法，其原理如圖3所示.系統(tǒng)基波電壓對應(yīng)α －β坐標(biāo)系下的分量uα0和 uβ0，可以通過三相系統(tǒng)電壓ua，ub，uc經(jīng)過無鎖相環(huán)ip－iq檢測法后得到，并用 uα0和 uβ0替代普通 p－q法中只經(jīng)過 C32變換得到的uα和uβ，將圖3中ip斷開，然后按p－q法的規(guī)律計算出的電流iaq，ibq，icq即為無功電流.

圖3 STATCOM無功電流檢測原理

4 結(jié)語

在綜合基于瞬時無功功率理論的p－q和ip－iq2種檢測方法的基礎(chǔ)上，采用一種新的檢測方法對配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的無功電流進(jìn)行研究.該方法的優(yōu)點是采用無鎖相環(huán)，避免了鎖相環(huán)所帶來延時誤差，并且該方法可以在電壓畸變的情況下，仍然可以檢測出配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的無功電流，所以此方法具有很強(qiáng)的實用性.

［1］熊卿.配電變壓器一體化靜止無功補(bǔ)償器(DT－STATACOM)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［2］徐湘蓮.基于級聯(lián)多電平逆變器的STATCOM及其控制策略研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［3］唐杰.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(D－STATCOM)的理論和技術(shù)研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2007.

［4］ Maryam Saeedifard.A space vector modulated STATCOM based on a three-level neutral point clamped converter［J］.IEEE，Transactions on POWER DELIVERY，2007，22(2):1029－1035.

［5］ Lee C K，Joseph S K Leung.Ciucuit-level comparison of STATCOM technologies［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(4):1084 －1091.

［6］王雪，孫怡.一種實用的低壓電網(wǎng)無功檢測電路［J］.電工技術(shù)，2006，7(5):20 －26.

［7］林琳.STATCOM無功電流檢測和控制方法的研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2008.

［8］ Padiyar K R.Investigations on strong resonance in multimachine power systems with STATCOM supple mentary modulation controller［J］.IEEE，Transaction on POWER SYSTEMS，2006，21(2):754 －768.

［9］吳昊.基于DSP的靜止無功發(fā)生器的研制與研究［D］.南寧:廣西大學(xué)，2007.

［10］李建民.低壓STATCOM無功補(bǔ)償裝置的研究與實現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2008.

［11］王玨.靜止同步補(bǔ)償器無功電流檢測和控制策略的研究［D］.太原:太原科技大學(xué)，2006.

［12］張旭俊，唐建洪，李欣.對三相瞬時無功功率理論本質(zhì)及其缺陷的分析［J］.電測與儀表，2008，45(12):12－14.