不平衡非线性工况下STATCOM的控制

程玉凯

（中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116）

电弧炉、轧钢机等是一类特殊的负载，它们的三相负荷不对称，产生的电流存在较大的畸变，使得供电电压不断波动，我们将其称为不平衡非线性负载.这种负载的特点是当加上工频电压时，不论工频电压是否平衡，其流出的电流总是不平衡的，且含有大量的谐波和基波无功成分.传统的STATCOM仅能对基波无功电流进行补偿，不能应用于此种负荷系统中[1-4].针对这种现象，本文提出了一种融合APF和STATCOM的控制方法，采用该种控制方法的有源逆变器不但可以补偿负载产生的无功电流而且还能补偿三相负荷电流中的谐波分量和不平衡分量，使得电源侧电流为平衡的基波有功电流.

1 总体结构

新型STATCOM的总体结构如图1所示.

图1中，ia、ib和 ic表示三相电流，ia1p、ib1p和 ic1p以

图1 STATCOM总体结构图

2 无功及谐波电流检测

无功及谐波电流检测方法有很多，但绝大多数方法计算繁琐，且由于采用了锁相环PLL和低通滤波器LPF，使得结果不够准确，响应较慢[5-6].本文采用的三相鉴相组式结构避免使用锁相环PLL和低通滤波器LPF，计算简单，响应快速，其结构示意图如图2所示，其中虚线框部分表示积分均值滤波模块.

由于组式结构的三相方法一致，因此这里仅选用a相作为研究对象.

设

其中，ω'表示输入电流的基波频率，ω表示工频（ω=100π），y表示信号发生器产生的正弦信号（可由（8）式获得）.

图2 无功和谐波电流检测模块

经化简可得到

ia1p即为ia中的基波有功分量，ia1q+h为ia中的基波无功和谐波分量.

经过此模块后，电流中就仅剩下基波有功分量了.

由上述分析可知，该方法计算简单，延迟较小（仅为T/6），响应速度快，且不受电网频率变化的影响，是一种较为实用的三相电路谐波和无功电流检测方法.

3 相序分离

我们知道，不平衡电流与平衡电流的不同在于前者含有负序电流分量.传统方法是根据斯坦门兹定理在三相并联一个三相不平衡负载与线路负载组合成一个平衡负载.从原理上说这个并联的不平衡负载实际上提供了负序电流与线路负荷产生的负序电流相抵消，使得电流中仅剩余正序电流，使三相电流平衡.因此，我们的新型STOTCOM逆变器只需要输出负序电流与线路负荷产生的负序电流抵消，就可以使得电源侧电流平衡了.

经过上一节的无功和谐波检测模块可以得到基波有功电流，分离模块的任务就是对基波有功电流进行相序分解，得到正序分量、负序和零序分量[7-8].本文提出的方法省去了传统相序分离方法（如pq变换法、dq变化法等）中普遍应用的PLL电路和同步电路，不需要采用三角函数运算，并且解决了电网电压不平衡和电网频率波动对电流相序分离造成的不利影响，其结构如图3所示.

根据图3，我们可以列出输出信号ia1p1、ib1p1和ic1p1的表达式，如式4所示.

设a相电压的表达式为

将其输入到一个微分反相器后得到

图3 相序分离模块示意图

将式（8）代入式（4）便得到输入电流的正序分量，这样负序零序分量便也被分离出来了.

另外，采用本模块还可以进一步检测上一模块中未检测到的谐波成分，也就是说上一模块工作不正常“漏检”谐波时本模块可以对其进行“修正”，因此大大提高了工作的可靠性.

4 触发脉冲的形成

触发脉冲的形成就是对于逆变器的控制方法，目前常用的控制方法有：滞环比较法、三角波调制法等.滞环比较法结构简单，实时性好，电流响应快，因此是目前应用较为广泛的一种控制方法.本文采用的滞环控制电路结构如图4所示.

图4中，每相电路均由一个反相器、两个比较器、一个RS触发器和一个D触发器组成.输入信号与环宽设定值在两个比较器中进行比较，比较器输出信号触发RS触发器，此时如果时间脉冲到来，达到上升沿时，触发D触发器，Q输出高电平（触发信号），Qˉ输出低电平（闭锁信号）.

图4 滞环比较原理结构图

5 仿真研究

根据图1所示的结构图在PSIM中搭建仿真电路图，设定电源电压为6 kV，电源频率49.5 Hz，负载为一个非线性不对称负载，结构如图5所示，仿真时间为0.2 s.在STATCOM没有投入时，通过电流互感器和电压互感器测得的电流和电压波形如图6所示.由图6可知，系统中三相电流波形不对称且畸变较大，三相电压也存在不平衡.

图5 不平衡非线性负载结构图

图6 补偿前三相电流和电压波形

首先仅将无功和谐波检测模块投入使用，在0.1 s时投入STATCOM逆变器，三相电流波形如图7所示.

由图7可知，仅使用无功和谐波检测模块，投入STATCOM后，STATCOM等效于APF，它能将其中的谐波分量补偿掉但不能对三相电流的不平衡分量进行抑制.

然后仅将相序模块投入使用，在0.1 s时投入STATCOM逆变器，三相电流波形如图8所示.

图7 三相电流波形图（仅投入谐波和无功检测模块）

图8 三相电流波形图（仅投入相序分离模块）

为观察三相电流中的无功成分，我们选择三相电压和电流视角，三相电压和三相电流对比波形如图9所示.

由图8和图9可知，仅投入相位分离模块后，此时STATCOM逆变器是一个APF，它虽然能实现对谐波分量的补偿并抑制电网三相电流的不平衡分量，但不能补偿电网的无功分量.

最后将无功和谐波检测模块以及相序分离模块一起投入使用，在0.1 s投入STATCOM逆变器，参考信号和逆变器输出电流波形如图10所示.

图9 三相电压和电流波形对比图

图10 三相参考信号和逆变器输出电流波形

此时三相电流波形的波形如图11所示.三相电压和电流波形如图12所示.

由图11和图12可知，投入STATCOM后，STATCOM不仅可以补偿三相电路中的无功分量还可以补偿三相电路中的谐波和不平衡分量.

图11 逆变器投入前后三相电流波形对比

图12 STATCOM投入前后三相电压和电流对比

6 结论

随着电力电子等各种非线性装置的广泛应用，电力系统的运行环境越来越恶劣.传统的STATCOM和APF只能补偿基波无功电流和谐波，在恶劣工况下其应用受到了很大的限制.本文提出的新型控制方法融合了传统STATCOM和APF的特点，是一种可用于恶劣工况下的STATCOM.仿真分析表明，采用本文方法的STATCOM，可以对电源电压不平衡和非线性不平衡负载条件下的电网进行补偿，响应准确且快速.

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