改进的p-q检测法及其在STATCOM中的应用

常 伟， 史丽萍， 杜坤坤

(中国矿业大学信息与电气工程学院， 徐州 221008)

改进的p-q检测法及其在STATCOM中的应用

常 伟， 史丽萍， 杜坤坤

(中国矿业大学信息与电气工程学院， 徐州 221008)

介绍并分析了一种适用于电网电压不平衡、畸变情况的改进p-q补偿电流检测法及其在静止同步补偿器STATCOM(static synchronous compensator)中的应用。该检测法基于正序检波器的设计，正序检波器能够准确检测出正序基波电压，避免了不平衡电压、谐波电压参与p、q运算，从而能很好地检测出需要补偿的电流分量。此外文中还给出了STATCOM的主电路拓扑结构、脉宽调制技术PWM(pulse width modulation)以及直接电流控制策略。最后，通过仿真实验表明了基于改进p-q检测法的STATCOM装置能快速、准确地对电网进行电流综合补偿。

静止同步补偿器； 级联H桥； 检测方法； 瞬时无功理论

STATCOM作为柔性交流输电技术FACTS(flexible AC transmission system)的主要装置之一，与静止无功补偿器SVC(static var compensator)相比，具有调节速度快、运行范围广、体积小，且暂态无功能力不受电容器容量的大小和系统电压高低的限制等优点[1，2]，它代表了现阶段电力系统无功补偿技术的最新发展方向。与传统的采用变压器多重化逆变器的STATCOM相比，链式STATCOM具有无需多重化变压器、占地面积小、成本低等一系列优点[3～5]。

本文以煤矿地面6 kV变电站为研究应用背景，对6 kV级联STATCOM装置进行了研制。首先介绍了基于正序检波器的p-q补偿电流检测法，分析了其在链式STATCOM中的应用，然后给出了STATCOM的主电路结构以及调制方式，提出一种直接电流控制策略，最后对系统性能进行仿真实验分析。

1 基于正序检波器的改进p-q检测法

由于传统的p-q检测法在电网电压不平衡时的检测存在着缺陷[1，6]，本文采用了基于正序检波器的改进p-q检测法，其基本思想就是通过一个正序检波器检测出入口电压中的正序电压，从而避免了谐波电压或不对称电压参加运算，故这种方法能在电网电压不平衡、畸变等条件下快速、准确地检测出需补偿的无功分量，其基本原理如图1。

图1中va、vb、vc为电网公共接点处三相电压，iLa、iLb、iLc为负载侧电流；p、q为检测出待补偿的实功率和虚功率分量(包括基波负序功率、正序基波无功功率及谐波功率)；iah、ibh、ich为转换后待补偿电流，即除去正序基波电流的其他电流分量。

图1 基于正序检波器的p-q检测法

图1中的正序检波器是该检测法的关键所在，其理论基础是对偶p-q理论和串联电压补偿设计思想，即瞬时无功功率理论的应用拓展[7]，其基本原理如图2所示。

图2 基波正序检波器

图2中电压va、vb、vc通过αβ坐标变换后与辅助电流iα、iβ一起，被用来计算辅助功率p1、q1。设辅助电流iα、iβ只含基波正序电流分量，且幅值和相角并不重要，可简化表示如下[7]：

(1)

式中，ωt为电网电压基波频率。

2 大功率链式STATCOM

2.1 主电路结构

本文设计的STATCOM采用级联H桥结构，又称链式STATCOM，它的主电路结构如图3所示，H桥为两电平全桥逆变电路。

图3中参与级联叠加的N个H桥单元，必须采用彼此独立、没有直接电连接的直流电源(直流电容)。这N个H桥单元均能进行相同的脉宽调制PWM(pulse width modulation)控制，输出的电压为各个H桥单元输出电压的叠加。链式STATCOM的串联叠加结构就是通过提高输出电压来扩容，通过增加输出电压的电平数来改善输出电压波形，减少对电网的谐波污染[8]。按照设计要求，装置的额定容量为3 Mvar，每相采用8级H桥单元串联，其中1级为冗余运行单元，三相星型连接，每相通过连接电抗器直接并入6 kV电网的公共接点，电抗器取值为0.2 (pu)。图3的每个H桥单元中，开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)(型号为FF450R17ME4，规格为1700V/450A)，直流侧电容容量为3000 μF(6个500 μF薄膜电容并联组成的电容器组)。

图3 链式STATCOM主电路结构

正常工作时，装置每相8级H桥投入运行，三相总的直流电容电压为5.6 kV，H桥功率单元降额运行[9，10]；当某相中的某个H桥单元故障时，通过该H桥单元交流输出端的旁路装置(反并联晶闸管)将其旁路，同时调高其他7级H桥的电容电压以维持该相总的直流电压5.6 kV不变。此后，该相非故障H桥单元自动运行在额定容量上，而其他非故障相正常运行，不受影响。

2.2 调制技术

在大功率变流器应用领域，开关器件所允许的开关频率很低，而在传统的调制方式下，较好的输出电压波形质量一般要求较高的开关频率。载波移相正弦脉宽调制调制方式CPS-SPWM(carrier phase shifted-sinusoidal pulse width modulation)能够解决这一矛盾，它能在较低的开关频率的条件下实现较高的输出电压波形质量[11]。本文采用单极倍频CPS-SPWM调制技术来控制8级H桥单元的通断，其基本原理为：每一相中的8个H桥单元采用共同的调制波，各H桥单元的三角载波频率为500 Hz，且初始相角依次相差180°/8(一级故障时，故障相其余7级H桥载波频率提高8/7倍，初始相角依次相差180°/7[10]，而其他非故障相保持不变)每个H桥采用单极倍频的调制方式；将各H桥单元输出叠加，就能得到电平数为17的级联H桥总的输出电压，此时输出电压的等效开关频率将提高2×8倍即16倍。

2.3 直接电流控制方法

STATCOM电流控制方法可以分为间接电流控制和直接电流控制[1]。间接控制通过控制输出电压基波的幅值和相位来间接地控制输出电流；直接控制就是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。

采用直接电流控制方法后，STATOCM响应速度和控制精度将比间接法有很大的提高，且适合链式STATCOM的分相控制。由于直接控制法要求较高开关频率，对于大功率STATCOM来说损耗很大。本文采用级联H桥拓扑结构和上述的调制方式，可将等效开关频率提高16倍，文中每个H桥单元的开关频率为500 Hz，每相8级H桥的等效开关频率为8 kHz，满足电流直接控制的频率要求。电流直接控制框图如图4所示。

图4中，STATCOM控制系统共需检测3种三相交流信号，分别是电网负载侧的电压、电流信号，STATCOM装置交流侧输出电流，其中电网负载侧的电压、电流信号用来检测负载侧需要补偿的无功、负序和谐波分量。基于正序检波器的改进p-q检测法能够实时地、准确地检测出补偿电流的参考值iaref、ibref、icref，这些值与装置的交流侧的输出电流进行实时比较，构成了电流的直接闭环控制，比较差值通过PI调节器就能够得到调制波信号。可以看出图4中的三相控制系统是彼此独立的，能进行分相控制，控制结构简单。

图4 直接电流控制方法

由于每个H桥单元是独立的，所以链式STATCOM控制系统中必须要对H桥单元的直流侧电容进行平衡控制，本文采用分层控制，即上层对每相H桥单元总的电压Vdc(三相的平均值)进行PI控制，使其维持在给定值Vref，如图4所示。下层采用基于有功电压矢量叠加的平衡控制原理，对每个H桥单元的调制波进行修正[12]，即可达到电容电压平衡的控制目的。

3 系统仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真平台对上述系统进行仿真分析，仿真参数如下：电网线电压有效值/频率为6000 V/50 Hz，连接电抗器感值/等效电阻为5.4 mH/0.15 Ω、装置容量3 Mvar、单相级联H桥单元数为8级(如图3所示)、每个H桥单元的开关频率为500 Hz。

图5为链式STATCOM并网前采用单极倍频CPS-SPWM输出相电压波形，输出相电压电平数为17，已经十分接近于正弦波。谐波次数主要分布在160次左右，且THD含量在2%以内，此时的等效开关频率为8 kHz，与2.2节的分析相一致。

为了接近实际情况，负载补偿仿真时，电网电压中加入了少量的5次、7次谐波和少量的负分量，波形如图6(a)所示(标幺值表示，电压基准值为相电压峰值，电流基准值为600 A)。负载侧投入2 Mvar的感性无功、有功功率为2 MW，此时电网公共接点处的电流也含有大量的无功、谐波分量，如图6(b)所示。

图5 输出相电压波形图

图6(c)为补偿后的三相系统电流，电网公共接点处的功率因数从补偿前的0.7提高到0.98以上，且电流波形的总谐波失真THD(total harmonic distorti-on)lt;3%，由此可见本文设计的基于正序检波器大功率链式STATCOM在电网电压畸变、不平衡时，能够对负载侧进行无功与谐波综合补偿，取得了不错的补偿效果。

(a) 电网电压

(b) 补偿前电网公共接点电流

(c) 补偿后的电网公共接点电流

4 现场实验结果

该链式STATCOM装置在经过一系列的实验室测试后，于2011年6月份在山东枣矿集团蒋庄煤矿地面6 kV变电站投入运行。装置并网后进行了各项性能测试，各种指标都达到了设计目标。

实际电网电压波形中含有少量低次谐波、负序分量，波形如图7(a)所示(图7波形数据来自装置的监测系统)；图7(b)为装置补偿前电网公共接点的电流波形，波形含有大量的无功功率、20次内的低次谐波和微量的高次谐波；装置投入运行后电网公共接点处的无功功率得到了很好的补偿，功率因数在0.98以上，如图8所示，低次谐波也得到了很好的抑制，如表1所示。

图9为装置运行时的输出b相相电压vcb和相电流icb波形；图9中，上图为装置启动到正常工作时相电压与相电流的变化波形，下图为上图中正常工作阶段的局部放大波形。图8和表1的数据来自电能质量分析仪。

(a) 电网电压实际波形

(b) 补偿前电网公共接点实际电流波形

(c) 补偿后电网公共接点实际电流波形

图8 功率因数变化曲线

表1 补偿前后b相电流低次谐波对比

图9 装置工作输出波形

5 结语

针对煤矿地面6 kV变电站，本文提出基于正序检波器的大功率STATCOM设计方案。设计了基于正序检波器的p-q检测法，能准确、实时地检测出补偿信号，且适用于电网电压不平衡、畸变的恶劣情况；H桥级联结构，使STATCOM省去了耦合变压器的设计，通过连接电抗器直接并入电网，降低了系统设计成本，减少了占地面积；CPS-SPWM调制方式能提高装置的等效开关频率、输出电压波形质量；采用直接电流控制方式能够快速、准确地对电网进行补偿；仿真结果表明该STATCOM装置能够在电网不平衡、畸变的情况下，对电网公共接点进行有效的补偿，并且实现无功与谐波综合补偿，具有广阔的工业应用前景。

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常 伟(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为无功补偿与谐波抑制、大功率变流技术。Email:nthacw@126.com

史丽萍(1964-)，女，教授，博士生导师，研究方向为煤矿机电设备及其自动化、无功补偿与谐波抑制等。Email:shiliping98@126.com

杜坤坤(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为无功补偿与谐波抑制、大功率变流技术。Email:dukuncumt@163.com

Improvedp-qDetectionMethodandItsApplicationtoinSTATCOM

CHANG Wei， SHI Li-ping， DU Kun-kun

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining amp;Technology, Xuzhou 221008, China)

The improvedp-qdetection method of compensation current which is suitable for unbalanced grid voltage and distortion and its application in STATCOM is presented. This detection method based on positive sequence detector which can accurately detect the fundamental positive sequence voltage, it also can avoid the unbalanced voltage participate in thep-qoperation, so the compensation current component can be accurately detected. In addition, the main circuit topology structure of STATCOM, the pulse width modulation and direct current control strategy are also showed in this paper. Finally, the STATCOM device based on improvedp-qdetection method can quickly and accurately compensate current for the grid, which is verified by the analysis of simulation experiment.

static synchronous compensator(STATCOM)； cascaded H-bridge； detection method； instantaneous reactive-power theory

TM761； TM464

A

1003-8930(2012)06-0095-05

2011-08-22；

2011-10-09