三相四桥臂D-STATCOM电流预测控制方法研究

贾利虎,朱永强,郭文瑞,王银顺

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）,北京 lO22O6）

文章编号：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO68-O6 文献标志码：A 中图分类号：TM464

三相四桥臂D-STATCOM电流预测控制方法研究

贾利虎,朱永强,郭文瑞,王银顺

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）,北京 lO22O6）

0 引 言

分布式电源一般经过电力电子变换装置接入配电网,给电网带来了大量的谐波,对输电线路参数也造成了一定的影响。另外,在配电网中大量的单相感性无功负荷接入,也会引起三相不平衡,造成中线电流过大,线路损耗大大增加,为了解决上述问题,配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）的研制显得尤为重要,其具有抑制谐波、补偿无功等功能。

文献 ［1］中针对实时监测并计算负载谐波电流的弊端,提出了一种基于单位功率因数控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法,只需检测电源输入电流及逆变器直流电容电压,可以有效补偿系统中的谐波、无功功率和三相不平衡。

文献［2］应用瞬时无功功率理论,在三线制电流检测基础上,通过提取零线电流后用于四线制系统,给出了理论推导和实现方法,但是在产生触发脉冲时采用空间矢量方法,控制系统设计较复杂。

变流器输出电流跟踪控制技术有很多种［3-6］,例如三角波比较PWM控制、滞环比较PWM控制等,但是这些跟踪技术都存在一定的问题,例如三角波比较PWM控制系统设计复杂,滞环比较PWM控制开关频率不固定,而预测电流控制算法是一种新型的控制算法,由于变流器开关函数组合个数有限（三桥臂为8种状态,四桥臂为l6种状态）,因此可以通过变流器的预测模型,采用遍历法的形式推算出在全部开关函数组合分别作用下的变流器系统输出,通过建立合理的评价函数,即价值函数来选择能够使系统优化性能函数最小的开关函数组合作用于系统的变流器优化控制算法。变流器预测控制算法具有建模直观、易于理解、控制简单,方便处理系统约束且与传统的变流器控制算法相比无非线性控制模块和PWM调制等优点,它已经成为当前变流器预测控制领域的研究热点。

结合基于瞬时无功功率理论的电流检测技术［7-8］和模型电流 预测技术［9-l6］,本文 所提 出的 基于电流预测控制的三相四桥臂D-STATCOM控制算法具有动态响应良好、控制电路简单、系统稳定性良好等优点。通过设计算例对所提出的方法进行验证,结果表明,采用本文提出的控制算法，D-STATCOM具有良好的综合处理谐波、无功和三相不平衡问题的能力。

1 补偿原理

图1所示为基于三相四桥臂逆变器的D-STATCOM结构［l7］。

负载中的脉动谐波分量和无功分量可以通过D-STATCOM提供,而不通过电源提供。若要对负载的谐波功率分量进行补偿,即抑制网侧电流谐波分量,则需从负载功率中提取出功率的直流分量,并由电源提供该直流分量,补偿装置提供有功与无功的波动分量以及零序分量（抑制电网侧的零序电流）；若仅对负载的无功分量进行补偿,则只需从负载功率中提取出有功功率的直流分量,且电源只需提供该有功直流分量,而无功功率的直流分量和脉动分量以及零序功率的直流分量和脉动分量均由补偿装置提供。

图1 三相四桥臂逆变器补偿结构图

由上述知,需从负载功率中检测出有功分量和无功分量从而得到补偿量。常见的补偿量的检测方法是基于瞬时无功理论的检测方法,包括用功率分量变换的p—q—O检测法和用电流分量变换的ip—iq—iO检测法。

根据瞬时无功理论,三相四线制负载瞬时功率表达式:式中:vαβO、iαβO分别是电压电流在αβO坐标轴上的投影。

从式（2）可以看出,应用瞬时无功理论,可以把零序功率与有功功率p、无功功率q分离开来,且不存在耦合关系。

由上述分析得到基于ip—iq—iO检测方法的原理图如图2所示。先从负载电流中提取零序电流分量iO之后,通过坐标变换得到ip、iq,通过一个低通滤波器得到电流的直流分量i—p、i—q,经过坐标反变换得到负载电流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf,与实际检测的负载电流做差即得到补偿电流分量、、。基波分量即由电源提供给负载,补偿电流分量即由D-STATCOM提供给负载。

图2 补偿电流检测原理图

由上述提出的补偿原理可知,若要补偿负载电流中的谐波分量,需要对ip、iq都进行检测和变换；若要补偿负载电流的无功分量,则只变换ip有功通道,并令无功通道电流iq为零［3,9］。

其中零序电流:

经过零序电流分离:

补偿电流为

三相静止坐标到两相静止坐标系变换矩阵为

两相静止坐标到两相旋转坐标系变换矩阵为

2 补偿电流的预测控制跟踪方法

当经过上述检测方法得到补偿电流分量之后,需要D-STATCOM装置实现补偿电流的跟踪控制。模型预测电流控制技术是建立在系统精确的数学模型基础上,根据现在和过去系统的信息,预测出下一开关周期内电流的指令,通过采用合适的价值函数来选择最优的开关组合,从而精确地跟踪指令电流,预测控制器的设计如下。

三相四桥臂无功补偿器结构图如图1所示,逆变器输出侧接滤波器后与电网相连。Rf为滤波器的等效电阻,1f为滤波器电感,ica、icb、icc为逆变器输出补偿电流；ea、eb、ec为并网点电压,中性线与逆变器的第四桥臂相连；直流侧采用分裂式电容结构,O为接地点；负载为三相不对称负载,负载电流为iLa、iLb、iLc；电源电流为isa、isb、isc。

对于三相四桥臂逆变器,每相桥臂中共有两种开关状态,即上桥臂导通或者下桥臂导通,因此逆变器共有24=l6种开关状态,不同开关状态对应逆变器输出电压的关系见附录A,利用单极性二值逻辑开关函数Si（i=a,b,c,n）描述,即

逆变器输出电压和开关函数关系如下式所示:

根据基尔霍夫定律,列写逆变器输出电压和电流方程分别为［l6］

将（lO）式变形即可得到三相四桥臂逆变器连续状态下的数学模型［l6］

为了偏于在硬件电路上实现,建立系统连续模型后,须对逆变器的连续数学模型进行离散化处理,得到系统离散时间下输出电流的递推关系为

式中:Ts为系统采样时间。

式（l3）即为预测电流控制中的预测模型。根据式（l3）中的预测模型,k+1时刻的输出电流值ica、icb、icc均能被预测,按照使变流器输出的电流与参考值之间的误差最小为原则可构造价值函数:

对附录中的l6个电压矢量进行评价,选择可以使价值函数c取得最小值的电压矢量,该电压矢量所对应的开关状态作用于下一个采样周期。

则基于预测电流控制的D-STATCOM控制原理图如图3所示。由补偿电流检测方法得到补偿电流,补偿电流作为预测控制器的参考电流,由预测控制器对电流进行预测控制,得到开关组合状态,从而实现电流的跟踪控制。

图3 基于预测电流控制的原理图

3 仿真实验

3.1 仿真一：验证装置的无功补偿能力

系统电源相电压为22OV,直流侧电压8OOV,直流侧支撑电容为3 OOOμF,负载为三相不平衡负载,其中a相电感O.O3H,电阻l5Ω；b相电感O.l2H,电阻5Ω；c相电感O.l5H,电阻lOΩ；另外,在a相与零线之间设置二极管整流阻感负载,电感O.Ol2H,电阻l5Ω。

负载中含有电感,接入补偿装置之前,负载需要从电网吸收无功功率,导致网侧功率因数下降,因而在该仿真中只考虑补偿无功分量,则只需要对有功通道进行检测,使无功通道的iq=O。图4所示为A相电网电压和电网电流的波形,可以看出在O.5s将D-STATCOM接入系统之前,电压和电流存在相位差,电流滞后于电压,当接入补偿装置之后,电压与电流同相位。

图4 电源电压和电流相位关系

如图5和图6所示,D-STATCOM还对负序和零序分量进行了补偿,使得系统输出电流三相对称,A相电流幅值由27A减小为9A。中线电流幅值由24A减小为O。

图5 电源电流

图7所示为电源向负载输出功率的情况。投入补偿装置之前,电源需要向负载提供无功功率,因而无功功率不为O,且由于三相电流的不对称使得有功功率和无功功率的波动很大,而当投入补偿装置之后,无功功率由补偿装置提供,则电网输出的无功功率降为O,同时有功功率的波动减小。

图8所示为采用预测电流控制三相四桥臂D-STATCOM的动态响应情况,从图中可以看出补偿器的输出电流ica与计算出的补偿参考电流iaref十分接近。由于非线性负荷二极管整流阻感负载的存在,在每个周期的切换点,跟踪误差较大,误差为3A,为补偿电流幅值的l6％,在周期内的其他时刻,跟踪误差基本为零,这说明补偿器的动态响应良好,能够应对负荷突变给电网带来的无功冲击。

图6 电源侧中线电流

图7 电源向负载提供的有功功率和无功功率

图8 三相四桥臂D-STATCOM的动态响应情况

3.2 仿真二：验证装置的谐波消除能力

系统电源相电压为22OV,直流侧电压8OOV,直流侧支撑电容为3 OOOμF,三相对称负载为电感O.O2H,电阻lOΩ,谐波源情况为a相注入幅值为3A,频率为l5OHz的电流；b相注入幅值为2A,频率为25OHz的电流；c相注入幅值为lA,频率为35OHz的电流。仿真过程中,在O.5s时刻投入补偿装置。

由图9可以看出,在O.5s之前,电源三相电流的谐波畸变率很高,其中a相为22.67％,b相为l5.lO％,c相为7.55％,在投入补偿装置后,电源输出电流情况得到改善,三相电流为完全对称,畸变率为a相O.45％,b相O.7O％,c 相O.55％。

图9 电源电流

电源中线电流情况如图lO所示,可以看出O.5s投入补偿装置后,中线上幅值为7A的振荡电流减小为零,减小了线路损耗。

图lO 电源侧中线电流

电源输出功率关系如图11～l2所示,可以看出投入补偿装置以后功率的波动情况得到改善,有功和无功都基本稳定。另外,消除谐波以后,电源输出的有功功率由5.4l kW降低为5.25kW,减小了O.l6kW,占有功功率的3％。

图11 电源输出有功功率

图l2 电源输出无功功率

4 结 论

在基于瞬时无功功率理论电流检测的基础上,本文提出的三相四桥臂D-STATCOM电流预测控制方法,具备系统响应良好、能够根据控制目标快速进行无功补偿和谐波消除等优点。仿真结果表明,D-STATCOM电流控制系统结构简单,具有补偿三相非线性不对称负荷、消除谐波的能力,易于工程应用。对于含有非线性负荷或不平衡负荷的配电网,本文方法能够很好地解决谐波、无功以及不平衡等问题,具有良好的应用前景。

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（责任编辑:杨秋霞）

Research on Current Predictive Control Method for Three-phase Four-leg D-STATCOM

JIA Lihu,ZHU Yongqiang,GUO Wenrui,WANG Yinshun
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University,Beijing lO22O6,China）

为了解决配电网中存在的三相电流不平衡、谐波污染等问题，本文提出了基于电流预测控制的补偿方法。采用瞬时无功功率理论，计算出所需的补偿电流，然后将电流预测控制方法运用到D-STATCOM，建立其离散化数学模型，采用遍历法推算出在全部开关函数组合分别作用下的补偿器输出电压，并用合适的价值函数来选择最优的开关组合，按照补偿电流的参考值快速输出补偿电流。在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了仿真验证，按照所设计的控制策略，对三相四线制下的不平衡感性负载和注入谐波两种情况进行了无功补偿和谐波消除仿真，仿真结果表明所提出的控制方法能够实现快速的无功补偿和谐波消除。

静止同步补偿器；电流预测控制；无功补偿；谐波消除

In order to solve the three-phase currents imbalance and harmonic pollution problems in distribution network,a compensation method based on the current predictive control is presented in this paper.In this paper,the instantaneous reactive power theory is used to calculate the compensation current.Then the current predictive control is applied in the D-STATCOM.Firstly,the discrete-time model of D-STATCOM is built,in which the traversal method is used to evaluate the output voltage of compensator in all switching states,and the optimal switching combination is chosen by using suitable cost function.Then the compensating current is rapidly outputted according to its reference value.In the end,simulations are carried out on the PSCAD/EMTDC platform,based on proposed control strategy,the reactive power compensation and harmonic elimination have been studied under such cases as unbalanced reactive load and input harmonic in three-phase four-wire system.The simulation results show that the proposed method can achieve rapid reactive power compensation and harmonic elimination.

D-STATCOM；current predictive control；reactive power compensation；harmonic elimination

2Ol4-11-l7

贾利虎 （l988—）,男,博士研究生,研究方向为新能源发电与并网技术,E-mail:jialihu@ncepu.edu.cn；

朱永强 （l975—）,男,博士,副教授,研究方向为新能源发电与并网技术,E-mail:zyq@ncepu.edu.cn；

郭文瑞 （l99O—）,男,硕士研究生,研究方向为新能源发电与并网技术,E-mail:guofrank@l63.com；

王银顺 （l964—）,男,教授,博士生导师,研究方向为超导电工技术、先进输电技术,E-mail:yswang@ncepu.edu.cn。

新能源电力系统国家重点室开放基金课题（KZOOO3）；中央高校基本科研业务费（JB2Ol2O63）