張建國，牟曉春，李　陽

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.浙江富陽市供電公司，浙江富陽311400）

靜止同步補(bǔ)償器偏磁控制方法

張建國1，牟曉春2，李陽3

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.浙江富陽市供電公司，浙江富陽311400）

靜止型無功補(bǔ)償器（STATCOM）對其控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)是保持系統(tǒng)穩(wěn)定和正常運(yùn)行的一個(gè)重要方面。分析了偏磁對STATCOM運(yùn)行的影響及危害；提出了一種有效的偏磁控制方法及其程序?qū)崿F(xiàn)，減小了因偏磁而產(chǎn)生的二次諧波，提高了STATCOM輸出電壓的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性；針對某±500 kVar的STATCOM工程進(jìn)行仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了此補(bǔ)償方法的有效性和必要性。

靜止同步補(bǔ)償器；偏磁；諧波抑制

隨著大功率電力電子器件的迅猛發(fā)展，在電力系統(tǒng)中引入靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和用戶電力的概念［1-3］。這是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果，也是電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）作為一種新型的快速連續(xù)雙向調(diào)節(jié)無功的新一代靜止無功補(bǔ)償裝置，在改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高現(xiàn)有輸電線路的輸送容量和抑制電壓閃變等方面具有很大的優(yōu)勢［4-6］。目前，國內(nèi)外已研制出多臺容量不等的STATCOM裝置，并且部分已投入到電力系統(tǒng)運(yùn)行中，但在STATCOM的主電路設(shè)計(jì)和控制方法上各有不同。文獻(xiàn)［7］分析了偏磁對變壓器的影響，給出了限制偏磁的措施，但是沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［8］提出一種通過對調(diào)制波進(jìn)行直接處理的全數(shù)字化基于脈寬處理的偏磁抑制方法，并用在3 kW單相光伏并網(wǎng)逆變器的樣機(jī)上，取得了較好的效果。文中提出了一種有效控制偏磁的方法及其軟件實(shí)現(xiàn)，并在±500 kVar STATCOM上進(jìn)行仿真測試，結(jié)果證明了該方法能有效抑制偏磁的產(chǎn)生，提高了STATCOM輸出電壓的質(zhì)量和STATCOM的運(yùn)行可靠性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

±500 kVar STATCOM裝置主要包括硬件和軟件兩大部分，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見，該系統(tǒng)主要由2個(gè)三級逆變器橋（TLI1，TLI2）上下電容器組、1個(gè)三相三繞組分裂變壓器、控制器和保護(hù)及輔助單元組成。硬件部分除了完成能量變換外，還兼具保護(hù)等功能?！?00 kVar STATCOM的調(diào)節(jié)控制功能主要是由軟件實(shí)現(xiàn)的，并可依據(jù)不同的現(xiàn)場要求來選取軟件模塊。這種雙逆變橋通過分裂變壓器連接到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更有助于改善STATCOM輸出電壓及電流的總諧波失真（THD）值，例如5，7，17，19次等6n±1（n=1，3，5…）次諧波可以通過分裂變壓器消除，而不影響基波的值。

其中，三級逆變器（TLI1，TLI2）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2

圖1　±500 kVar STATCOM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所示，圖中三級逆變器的每一相都有4個(gè)自換向的元件 （如A相的V11，V12，V13，V14），2個(gè)鉗位二極管 D11，D12和4個(gè)反并二極管D1，D2，D3，D4。這種三級逆變器與常規(guī)的兩級逆變器相比，具有輸出諧波小和可以提高STATCOM電壓等級的優(yōu)點(diǎn)。

圖2　三級逆變器的主電路結(jié)構(gòu)

由圖可以看出，這種三級逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到上下2個(gè)電容器上，為了保證逆變器輸出電壓上下半波完全對稱，上下2個(gè)電容器電壓必須相等，否則，會使STATCOM輸出電壓中含有較大的二次諧波；同時(shí)，上下電容電壓嚴(yán)重不對稱，還將使元件上承受的反壓增大，危及元件的安全運(yùn)行。

2　偏磁產(chǎn)生的原因及影響

偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，是指在變壓器勵(lì)磁電流中產(chǎn)生了直流分量。換流變壓器在交變輸電系統(tǒng)中，處于交流電與直流電相互變換的核心位置，是交變輸電的關(guān)鍵設(shè)備。由于直流輸電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)和運(yùn)行方式，因此某些直流輸電系統(tǒng)所獨(dú)有特點(diǎn)會在換流變壓器勵(lì)磁電流中引入直流電流分量。

前面提到，為了保證逆變器輸出電壓上下半波完全對稱，上下2個(gè)電容器電壓必須相等。然而在實(shí)際運(yùn)行中，由于種種原因，上下電容電壓并不平衡，其原因如下：上下電容電容器組容值不完全相同；與電容起并聯(lián)的放電電阻阻值不等；三級逆變器中各開關(guān)元件及其吸收電路參數(shù)的分散性；控制電路中同步信號正負(fù)半波的不對稱等。

上下電容電壓的不平衡將使STATCOM輸出電壓上下半波不對稱，從而引起STATCOM輸出變壓器發(fā)生偏磁或直流磁化。變壓器磁化將會使變壓器易于飽和，在有偏磁的一側(cè)，電流會迅速增大，而另一側(cè)由于飽和導(dǎo)致該側(cè)電流波形劇烈畸變，使STATCOM輸出電壓和電流中含有大量的諧波，最終導(dǎo)致STATCOM停止運(yùn)行。為此，必須對上下電容電壓進(jìn)行控制，抑制偏磁的產(chǎn)生。

3　偏磁控制策略及程序?qū)崿F(xiàn)

3.1控制方法

以單相為例，如圖3（a）所示，一般脈沖發(fā)生器輸出的脈寬調(diào)制（PWM）波上下半波是對稱的，不含偶次諧波。為了產(chǎn)生偶次諧波，可以通過控制PWM波的上、下半波朝相向（如圖3（b））或相反（如圖3（c））方向移動，即可產(chǎn)生偶次諧波，而所產(chǎn)生的偶次諧波的大小與移動量Δδ有關(guān)。當(dāng)δ+Δδ>δ時(shí)，即PWM波的上、半波朝相向方向移動，可以使上電容電壓UC1減小，下電容電壓UC2增大，反之，當(dāng)δ-Δδ<δ時(shí)，可以使上電容電壓UC1增大，下電容電壓UC2減小。

3.2程序?qū)崿F(xiàn)

±500 kVar STATCOM的控制器是以數(shù)字信號處理器（DSP）和可編程現(xiàn)場門陣列（FPGA）為核心的智能控制器。其中，DSP負(fù)責(zé)完成各種運(yùn)算及監(jiān)控等功能，由FPGA及相關(guān)部件來構(gòu)成脈沖發(fā)生器。因此，在偏磁控制的實(shí)現(xiàn)中，主要由DSP來完成上下電容電壓檢測，PID調(diào)節(jié)計(jì)算以及控制輸出到FPGA，并由FPGA根據(jù)相應(yīng)的同步信號來產(chǎn)生PWM波形。

圖3　產(chǎn)生偶次諧波時(shí)的控制波形

由于PWM每相正半波根據(jù)該相同步信號正的過零點(diǎn)產(chǎn)生，負(fù)半波則由負(fù)的過零點(diǎn)產(chǎn)生。因此DSP必需實(shí)時(shí)檢測同步信號的狀態(tài)，把實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果送給FPGA。偏磁控制過程是一個(gè)閉環(huán)控制的過程，其程序流程如圖4所示。

圖4　偏磁控制流程

圖中，當(dāng)UC2大于UC1時(shí)，PID計(jì)算求得的結(jié)果Δδ為負(fù)值，當(dāng)同步信號為正的過零點(diǎn)時(shí)，δ（n）=δ（n-1）+ Δδ小于δ（n-1）當(dāng)同步信號為負(fù)的過零點(diǎn)時(shí)，δ（n）=δ（n-1）-Δδ大于δ（n-1），結(jié)果使控制波形朝相反的方向移動，使UC1增大，UC2減小，這種調(diào)節(jié)過程直到上下電容電壓平衡時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

反之，當(dāng)UC2小于UC1時(shí)，PID計(jì)算求得的結(jié)果Δδ為正值，當(dāng)同步信號為正的過零點(diǎn)時(shí)，δ（n）=δ（n-1）+ Δδ大于δ（n-1），當(dāng)同步信號為負(fù)的過零點(diǎn)時(shí)，δ（n）=δ（n-1）-Δδ小于δ（n-1），結(jié)果使控制波形朝相向方向移動，使UC1減小，UC2增大，上下電容電壓趨于平衡。

4　仿真分析

在PSCAD中搭建與現(xiàn)場運(yùn)行相一致的仿真模型，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制策略的可行性。系統(tǒng)的線電壓有效值為1000 V，直流側(cè)電容上電容為1950 μF，下電容為2000 μF，系統(tǒng)容量為500 kVar。其對應(yīng)的仿真波形如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖5（a）可見，0.75 s之前偏磁控制模塊沒有投入，此時(shí)電容電壓超出上電容電壓100 V左右；0.75 s時(shí)投入偏磁控制模塊，此時(shí)上下電容電壓幾乎相等。圖5（b）所示，STATCOM輸出電壓波形嚴(yán)重不對稱，圖5（c）為STATCOM輸出電流，可見電流中含有較大的二次諧波。0.75 s時(shí)投入偏磁控制模塊后，STATCOM輸出電壓波形良好，且輸出電流中幾乎沒有二次諧波。

由此可見，文中所提出的偏磁控制方法，可有效地維持直流側(cè)上下電容電壓的平衡及抑制輸出電流中的二次諧波，從而對STATCOM的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的實(shí)際意義。

5　結(jié)束語

STATCOM作為無功補(bǔ)償系統(tǒng)中的一種重要補(bǔ)償類型，在目前的無功產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛。分析了偏磁的原因、產(chǎn)生的影響和由此可能給STATCOM帶來的后果，提出了一種有效控制偏磁的方法及其軟件實(shí)現(xiàn)。在±500 kVar STATCOM上進(jìn)行了測試，結(jié)果證明該方法能夠抑制偏磁的產(chǎn)生，減小了二次諧波，提高輸出電壓電流的質(zhì)量，保證STATCOM可靠運(yùn)行。

［1］艾 芊，楊 曦，賀 興.提高電網(wǎng)輸電能力技術(shù)概述與展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（28）：34-40.

［2］黃柳強(qiáng)，郭劍波，卜廣全，等.FACTS協(xié)調(diào)控制研究進(jìn)展及展望［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：138-147.

［3］NOROOZIAN M，ANGQUIST L，GHANDHARI M，et al.Improving Power System Dynamics by Series-connected FACTS Devices［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（4）：1635-1641.

［4］GIBBARD M J，VOWLES D J，POURBEIK P.Interactions Between and Effectiveness of Power System Stabilizers and FACTS Device Stabilizers in Multimachine Systems［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2000，152：748-755.

［5］WANG H F.Interactions and Multivariable Design of STATCOM Control［J］.International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2003，25（5）：387-394.

［6］何瑞文，蔡澤祥.基于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制的FACTS技術(shù)評述［J］.繼電器，2004，32（6）：70-75.

［7］蒯狄正，劉成民，萬 達(dá).直流偏磁對變壓器影響的研究［J］.江蘇電機(jī)工程，2004，23（3）：1-5.

［8］方如舉.基于脈寬直接處理的逆變器偏磁抑制方法［J］.可再生能源，2014，32（5）：584-587.

The Magnetic Bias Control Method of Static Synchronous Compensator

ZHANG Jianguo1，MOU Xiaochun2，LI Yang3
（1.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.NARI Technology Development Co.Ltd.，Nanjing 211106，China；3.Fuyang Power Supply Company，F(xiàn)uyang 311400，China）

As the most important style of reactive power compensation systems，it is important to study the control system of static synchronous compensator（STATCOM）to keep its stable and normal operation.This paper analyzes the influences of bias magnetic to STATCOM，and proposes an effective magnetic bias control method for second harmonics reduction.It improves the quality and reliability of STATCOM output voltage.Finally，the method is applied to the±500kVar STATCOM，and the results show the compensation method is effective.

static synchronous compensator（STATCOM）；magnetic bias control；harmonic suppression

TM721

B

1009-0665（2015）03-0034-03

2015-01-06；

2015-03-15

張建國（1971），男，江蘇江陰人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；

牟曉春（1983），男，山東煙臺人，碩士，從事無功補(bǔ)償、微電網(wǎng)控制研究工作；

李陽（1984），女，吉林四平人，碩士，從事變壓器運(yùn)行、電力系統(tǒng)保護(hù)工作。