预充电过程中取能电路对链式STATCOM直流电压影响及其均衡方法

赵国亮 李卫国 陈维江 蔡 博 乔尔敏

（1. 华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206 2. 国家电网公司 北京 100031 3. 国网智能电网研究院 北京 100192）

1 引言

静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator,STATCOM）作为一种可连续发生容性或感性无功电流的补偿装置，具有体积小、响应速度快和补偿连续可调等优点，正逐步成为当前波动负荷快速补偿以及保证系统电压稳定性的主要无功补偿手段。基于H桥级联结构的链式STATCOM因其具有换流器化设计、无需功率器件串联及变压器便可直接连接至高压系统等优势，在电力系统中得到了广泛的应用[1-3]。国内外学者围绕其在电路参数设计[4,5]、功率换流器电压平衡控制方法[6-9]、调制方法[10,11]、补偿控制策略[12-16]及特定环境应用[17-21]等领域开展了大量的理论研究。

对当前应用于实际高压系统的链式 STATCOM来说，为方便H桥单元扩展以及控制系统与主回路之间电压隔离，通常将H桥主电路和单元控制系统集成在一个功率换流器单元中，且控制系统电源通过主电路交流侧或直流侧取能。交流侧取能可以很好解决主电路与控制单元之间的高压绝缘，并在STATCOM 运行时，不会对换流器直流电容电压控制产生不利影响，但是交流侧取能电路连接于换流器主电路中，在预充电过程中也会对STATCOM整个主回路的等效参数产生影响，从而影响采用自励式预充电方式装置在不控整流阶段，各级联H桥换流器直流电压的均衡，严重时导致部分取能变压器输入电压未达到其取能电源的正常工作电压或超出其耐受电压范围，进而造成取能失败，甚至变压器等器件损坏，使STATCOM无法完成预充电过程，进入正常工作状态。而上述问题在国内外学者的相关研究中鲜有讨论。

本文以交流侧取能链式 STATCOM 为研究对象，通过建立其预充电过程中含取能回路的换流器等效电路，研究换流器直流电压分布机理，分析换流器直流电压分布不均衡原因，提出直流电压均衡方法，并通过低压物理实验对该方法予以验证。

2 预充电过程中取能电路对换流器直流电压影响机理

预充电过程是指在 STATCOM 进入运行状态前，对换流器直流电容进行充电，使换流器建立符合STATCOM运行所需直流电压的过程；在预充电过程中，换流器处于不控整流状态。

含取能电路的换流器主电路如图1所示。在预充电初期，由于电容电压低，取能电路输入电压低，无法为换流器控制保护单元提供电源。为了尽快启动换流器控制保护单元，取能电路中开关电源AC-DC一般采用宽范围输入电源，使其在输入电压很低时，输出电压稳定；按照开关电源 AC-DC是否稳定输出，其工作状态可分为闭锁状态和工作状态。含取能电路的换流器在预充电过程中的等效电路如图2所示。

图1 含取能电路的H桥级联换流器主电路Fig.1 The H-bridge converter circuit with an energy-gaining unit

图2 含取能电路H桥换流器等效电路Fig.2 The H-bridge converter equivalent circuit with an energy-gaining unit

开关电源AC-DC闭锁时，DC侧闭锁，无输出，取能电路变压器二次侧可近似为开路。开关电源AC-DC工作时，由于开关电源 AC-DC为宽范围输入电源，其直流侧输出功率与变压器输入电压无关，完全取决于其所带负载，因此取能电路等效为恒功率负载，其等效电阻具有非线性特征。

下面分别从开关电源 AC-DC处于闭锁状态和工作状态两方面，分析交流取能电路对各换流器直流电压的影响。

2.1 开关电源AC-DC闭锁状态

开关电源 AC-DC处于闭锁状态，当换流器直流电压uDCij低于换流器交流电压usij时，换流器二极管整流桥导通；换流器直流电容器电荷变化量等于流过其电流iji1与时间积分，同时又等于其电压变化量与其容值乘积；忽略空载变压器电流iji2，电容器电流iji1近似为换流器电流ij。

式中，ΔQij和Δuij分别为j相第i个换流器直流电容器电荷和电压变化量；ij为换流链电流；tij1为j相第i个换流器充电开始时刻（亦即换流器整流开始时刻）；tij2为j相第i个换流器充电结束时刻（亦即换流器整流截止时刻）。

由于换流器串联，流过各换流器电流相等，均为tj，因此换流器直流电容器的电荷变化量取决于换流器充电时间，忽略各换流器直流电容容值偏差，换流器直流电压变化量取决于其充电时间。

当换流器直流电压uDCij高于换流器交流电压usij时，二极管整流桥截止，换流器交流电压取决于取能变压器励磁阻抗。

式中，XTMij为j相第i个换流器取能变压器励磁阻抗。

由于换流器级联，换流器交流电压取决于取能变压器的励磁阻抗，因此变压器励磁阻抗大的换流器截止时间晚于变压器励磁阻抗小的换流器；且变压器励磁阻抗大的换流器导通起始时刻不晚于变压器励磁阻抗小的换流器。

而各换流器直流电压变化量取决于换流器整流器导通时间，且各换流器中直流电压最高值等于励磁阻抗最大换流器的交流电压峰值，因此，在开关电源 AC-DC闭锁阶段，各换流器直流电压取决于在本充电周期内取能变压器的励磁特性。

2.2 开关电源AC-DC工作阶段

在开关电源 AC-DC工作时，当换流器直流电压uDCij低于换流器交流电压usij时，换流器二极管整流桥导通，忽略换流器取能电路电流iji1和换流器直流电容器容值偏差，同上文分析，换流器直流电压变化量取决于其充电时间。

当换流器直流电压uDCij高于换流器交流电压usij时，换流器二极管整流桥截止，换流器交流电压取决于取能电路等效阻抗。

式中，Rij为j相第i个换流器在恒功率模式下等效电阻。

同上文分析，换流器直流电压取决于在本充电周期内取能电路的等效阻抗。

当开关电源 AC-DC处于工作状态时，取能电路功耗近似为常数，取能电路等效电阻Rij与换流器交流电压的平方成正比

式中，Pc为换流器控制单元功耗。

若开关电源 AC-DC启动前，其闭锁阶段最后一个充电周期内各换流器直流电压uDCij分布均衡，则各换流器交流电压均衡，在开关电源 AC-DC工作时，则各换流器取能电路等效电阻相等，进而各换流器直流电压均衡；反之，若开关电源 AC-DC启动前，其闭锁阶段最后一个充电周期内各换流器直流电压（uDCij）不均衡，则在开关电源AC-DC工作阶段，各换流器取能电路等效电阻不均衡，因此，进一步引起各换流器直流电压uDCij分布不均衡，最终换流器直流电压逐渐分散，造成STATCOM装置无法完成预充电，甚至造成取能电路器件损坏。

通过分别在开关电源 AC-DC处于闭锁和工作状态时，分析交流取能电路对各换流器直流电压的影响可知，AC-DC电源启动前，其闭锁阶段最后一个充电周期取能电路变压器励磁阻抗差异是造成各换流器直流电压最终不平衡的主要原因，取能电路负载近似恒功率特性又加剧了此不平衡。

3 考虑取能电路参数差异的直流电压均衡方法

根据前节分析，改善各取能电路在开关电源AC-DC工作前一充电周期阻抗均衡性成为STATCOM预充电过程中直流电压均衡的关键。

由于开关电源 AC-DC闭锁时，取能电路等效为空载变压器，等效阻抗为取能变压器励磁阻抗。而变压器励磁特性受到工艺、材料等影响，难以做到一致，且励磁曲线极小偏差，也必将引起局部励磁阻抗较大偏差。因此本文提出了一种考虑取能电路参数差异的直流电压均衡方法。

3.1 直流电压均衡方法原理

改善取能变压器的励磁特性，达到各取能电路等效阻抗相等的方法理论上可以采用串联或并联电阻、电容及电感等；但考虑到不影响取能电路工作，串联方法无法实现；而并联电阻增加了换流器损耗，并影响换流器结构设计；而并联电容相对于并联电抗，既可以在换流器工作时，起到滤波作用，改善取能电路工作环境，又可为取能变压器提供励磁电流，对换流器工作影响小。故本文采用并联电容器改善取能变压器的励磁特性，且不影响换流器其他等效参数。采用直流电压均衡法的换流器主电路、等效电路如图3和图4所示。

图3 采用直流电压均衡法的换流器主电路Fig.3 The converter circuit with the method for balancing DC voltages

图4 采用直流电压均衡法的换流器等效电路Fig.4 The equivalent converter circuit with the method for balancing DC voltages

开关电源AC-DC闭锁时，换流器直流电压uDCij高于换流器交流电压usij时，换流器等效电路为并联电容器与空载变压器并联，若并联电容器阻抗ZC远小于变压器励磁阻抗ZM，则换流器可等效为并联电容器。当换流器直流电压uDCij低于换流器交流电压usij时，换流器等效电路为并联电容器和换流器直流电容器并联，同样，若换流器直流电容器容值远大于并联电容器容值，则换流器仍可等效为换流器直流电容器。

开关电源 AC-DC工作时，当换流器直流电压uDCij高于换流器交流电压usij时，换流器等效电路为并联电容器与恒功率可变电阻并联。当换流器直流电压uDCij低于换流器交流电压usij时，换流器等效电路为并联电容器和换流器直流电容器并联，同样，若换流器直流电容器容值远大于均压电容器容值，则换流器仍可等效为换流器直流电容器。

综上分析，若并联电容器阻抗ZC远小于变压器励磁阻抗ZM且其容值远小于换流器直流电容器容值时，均压电容器可消除取能变压器励磁特性差异对STATCOM直流电压不均衡影响，并对换流器在开关电源AC-DC工作时，非线性阻抗有一定改善，进一步有利于STATCOM直流电压均衡。

3.2 参数确定方法

由于并联电容器主要作用是改善取能变压器空载励磁特性，尤其是在宽频开关电源 AC-DC启动电压附近励磁特性，因此 AC-DC启动时的变压器励磁阻抗成为直流电压均衡方法的关键参数。

根据变压器在非饱和区励磁特性近似线性，可采用最小二乘法对变压器励磁特性离散测量值进行曲线拟合，可设取能变压器电压和电流满足线性关系，令

其中

根据欧姆定律和式（5）得

由式（8）可知：当a0＞0时（情况 I），ZM单调递减；当a0＜0时（情况II），ZM单调递增；当a0=0时（情况 III），平共处ZM为常数；根据ZM函数的单调性，求得各取能变压器最小励磁阻抗ZMmin。令

式中，ZMmina为所有取能变压器中最小励磁阻抗；ZC为与变压器并联电容器的阻抗；K为系数，此系数越大，各换流器直流电压分布越均衡。

4 直流电压均衡方法验证

本文搭建了低压物理模型以验证并联电容器电压均衡方法有效性。模型单相主接线示意如图5所示，换流器直流电容 8 200μF，取能变压器电压比为600V∶220V，开关电源 AC-DC启动电压为 90V，折算到取能变压器一次电压为245V。从200～600V，每隔50V对低压物理模型9个换流器取能变压器进行励磁电流测试，测试结果见表1。

由于在取能变压器一次侧为 245V时，开关电源AC-DC启动，因此针对200～300V段励磁特性进行曲线拟合。按照式（7）～式（9）和表1，得9个变压器励磁特性拟合曲线系数；根据变压器励磁阻抗的单调性，确定了各变压器最小励磁阻抗，详见表2。

根据式（9）和电容阻抗计算公式得

图5 低压物理模型电气单相主接线示意图Fig.5 The low-voltage physical model single-phase circuit

表1 取能变压器励磁特性Tab.1 The excitation characteristics of the transformer with gaining energy

表2 曲线拟合系数及最小励磁阻抗表Tab.2 The curve fitting coefficient and the minimum excitation impedance

由表2可知，ZMmina=46.19kΩ，试验中取k=15，代入式（10）得：C=1μF，远小于换流器直流电容容值 8 200μF。

取能变压器一次侧并联 1μF前后，STATCOM低压物理模型在预充电过程中，A相A1～A3换流器端口电压分布如图6和图7所示。并联电容器前，系统电压1 500V时，在预充电过程中，A相换流器端口电压依次为 722.3V、401.984V和408.89V，3个级联换流器端口电压分配严重不均，且由于 A1换流器端口电压远超取能变压器额定电压600V，进入取能变压器饱和区，导致各级联换流器端口电压畸变。采用直流电压均衡方法，在取能变压器一次侧并联1μF电容器后，系统电压1 800V时，A相3个H桥换流器端口电压依次为602.819V、600.293V和602.402V。验证了本文对预充电过程中变压器取能电路对STATCOM直流电压影响机理分析正确性和直流电压均衡方法的有效性。

图6 无并联电容器，H桥换流器端口电压波形Fig.6 The voltage waveform of H-bridge converter port without shunt capacitor

图7 并联1μF电容器，H桥换流器端口电压波形Fig.7 The voltage waveform of H-bridge converter port with the 1μF shunt capacitor

5 结论

本文研究了链式STATCOM预充电过程中，交流取能电路对其直流电压影响，建立了含取能电路的换流器等效电路，并按照预充电过程不同阶段就取能电路对换流器直流电分布机理进行分析，在此基础上提出了一种考虑取能电路参数差异的直流电压均衡方法，并进行了试验验证，得出了以下结论。

（1）在STATCOM预充电过程中，取能电路对换流器直流电压分布影响很大，其分布机理是换流器取能变压空载特性差异是造成STATCOM装置启动时直流电压不平衡的主要原因，取能电路负载近似恒功率特性加剧了此不平衡。

（2）考虑取能电路参数差异的直流电压均衡方法，可改善取能变压器励磁特性，从而达到换流器直流电容器电压均衡，并试验证明是有效的。

（3）本文提出电压均衡法的参数确定方法，通过最小二乘法拟合变压器励磁曲线，并据此求得最小励磁阻抗，进而验证并联均压电容值方法是可行和有效的。

综上所述，在STACOM预充电过程中，取能电路对直流电压均衡有不利影响，可通过本文提出的考虑取能电路参数的直流电压均衡方法，达到换流器直流电压平衡，从而保证STATCOM可靠性启动运行。

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