含有DSTATCOM装置的农电网电压稳定性研究

周碧英+阴国富

摘要：在农业配电网中加装DSTATCOM装置是提高系统电压稳定性的有效方式。在分析DSTATCOM工作原理的基础上，推导了其数学模型，提出了一种利用2个PI控制器分别控制DSTATCOM直流侧电压和公共连接点交流电压的补偿控制策略。在农电网电源电压波动和负载低频波动的典型不正常工况条件下进行了仿真测试。结果表明，所提方法对系统和负载的电压闪变和波动抑制效果明显，有效提高了农业配电网的供电电压质量。

关键词：DSTATCOM；电压稳定性；农电网

中图分类号： S24；TM712文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0226-04

收稿日期：2017-03-07

基金项目：渭南师范学院教改研究项目（编号：JG201631、JG201527）；渭南师范學院科研计划（编号：16YKS013、16YKP007）。

作者简介：周碧英（1978—），女，陕西大荔人，硕士，副教授，主要从事计算机仿真技术。E-mail：biyingzhou@126.com。在现代社会中，电能已经成为农业现代化的基础性能源。农电网主要由农村电力线路和农村变电所组成，相比城市供电具有用户分散、输电距离远和用电负荷密度小的特点，系统运行方式受季节和气候的影响明显，其电压质量较难达到标准[1-2]。随着农业电气化进程的加速，大量农业用电设备的投入运行，用户对电能质量的要求越来越严格。而农电网中电压发生波动的概率很高[3-4]，如线路的分合闸操作、大功率灌溉电动机启动及调速、排涝负荷等特种冲击重载负载投入或退出电网、雷击传输线和线路故障等因素都会引发农电网局部电压发生波动。严重的电压波动会对电压敏感设备造成不良影响，甚至损毁用电设备，造成一些不必要的损失。

提高农电网的安全运行水平和电能质量，除了电网自身结构要合理以外，还必须具有先进的调节控制手段[5-7]。由于传统机械式投切电容器补偿的动作缓慢，且又受到操作频率上限制约，因此对电力系统暂态稳定难以起到有效的控制作用。随着电力电子技术的发展及应用，形成了以变流器为核心的新型控制设备，对电压、线路阻抗和功率角等影响潮流分布的参数均可按系统要求进行快速准确的调节。STATCOM是柔性交流输电系统（flexible AC transmission system，FACTS）中的重要装置之一[8]，具有调节速度快、范围宽、连续性好的优点。在农业配电网中，将中小容量的STATCOM安装在特殊负荷附近，采用合理的控制策略就能有效改善电压质量，对提高功率因数、抑制电压凹陷和闪变波动有着重要作用。

1DSTATCOM工作原理概述

STATCOM主电路一般采用电压型逆变器和直流侧电容构成，在配电网中将中小容量的STATCOM安装在某些特殊负荷附近，可以显著地改变负荷与公用电网连接处的电能质量。这种用于配电网的STATCOM一般被称为DSTATCOM。其主电路及控制方式与PWM整流器类似，只是无功功率不再为0，而是根据指令产生所需无功功率。

图1为DSTATCOM工作原理图，在补偿点设置系统电压和电流测量单元来获取无功功率参量，根据输入值与整定值的比较由控制器发出指令来控制DSTATCOM主电路开关器件的通断。当输入值与整定值存在偏差，则DSTATCOM发出超前或滞后无功电流进行补偿，否则不交换无功功率。DSTATCOM的输出经耦合变压器与脉冲变压器进行阻抗匹配和电气隔离后接入电网。

2三电平DSTATCOM数学模型

采用三电平逆变器结构不仅使系统对功率器件耐压等级的要求有所降低，而且使得逆变器输出波形的谐波含量大为减少，在以静止同步补偿器、有源电力滤波器为代表的柔性交流输电技术和以中高压变频为代表的大电机拖动、风力发电等领域应用较多。图2为三电平DSTATCOM主电路。

为了便于推导，假设主电路开关器件为理想元件，且三相平衡。这样可以只取A相进行分析，B、C两相与A相也具有类似结果。根据主电路，先写出交流STATCOM侧的A相电压关系的时域微分方程组：

LAdi（t）Adt=U（t）mA-U（t）sA-rAi（t）A。（1）

式中，LA、rA分别A相负载折算电感、电阻；U（t）mA、U（t）sA分别为A相负载电压、开关电压瞬时值；i（t）A为A相负载电流瞬时值。

用SPA、SNA、SOA分别表示A相的3种开关状态，则电压关系用开关函数可表示为

U（t）sA=s（t）PA[U（t）dcU+U（t）O]+s（t）NA[U（t）O-U（t）dcL]+s（t）OAU（t）O。（2）

式中，U（t）dcU、U（t）dcL分别为直流侧电容CU和CL电压瞬时值；U（t）O为输出电压瞬时值。

开关函数满足：

SPA+SNA+SOA=1。（3）

根据假设的条件，系统中各相的折算电感和电阻也分别相同，中点三相电流、电压之和均为0。由以上条件可以得出：

U（t）O=-13U（t）dcU∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL∑j=A，B，Cs（t）Nj。（4）

DSTATCOM的A相数学模型为

U（t）sA=s（t）PAU（t）dcU-s（t）NAU（t）dcL-U（t）duC3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj；（5）

LAdi（t）Adt=-rAi（t）A+U（t）mA-s（t）PAU（t）dcU+sNAU（t）dcL+U（t）dcU3∑j=A，B，Cs（t）Pj-U（t）dcL3∑j=A，B，Cs（t）Nj。（6）

同理可以得B、C相数学模型。

3DSTATCOM控制策略endprint

采用DSTATCOM补偿无功可以有效提高功率因数、克服三相不平衡，消除电压闪变和电压波动带来的不良影响。DSTATCOM的控制是通过调节逆变器直流侧电容电压来实现的，利用DSTATCOM与系统连接点的电压和电流的同步信号采集来进行对比生成控制信号，将输出控制信号提供给变流器来控制开关器件通断，发出无功补偿电流。

图3为农电网DSTATCOM控制策略的框图。在DSTATCOM的控制中主要存在电压和电流信号的测量、直流母线端电压控制、参考补偿电流的提取和开关器件脉冲信号生成等关键问题。图3中使用2个比例积分（PI）控制器来分别控制DSTATCOM的直流母线电压和公共连接点的交流电压。DSTATCOM的补偿电流超前或滞后电压90°，补偿电流会产生电压降，而线电压幅度始终保持在其参考值。当负载是电感性时，DSTATCOM工作过程类似电容器补偿。配合无功电流控制，DSTATCOM的控制功能包括了谐波滤除、负载平衡和中性线电流补偿。图3含有2个PI控制器，利用电流同相分量校正负载的功率因数，通过同步参考帧正交分量调节公共连接点处的系统电压。PI控制器的输出通过直流母线电压测量，作为电源参考电流的正交分量。将输入电流利用Clarke变换完成从三相静止坐标系（abc）到两相旋转坐标系（dq0） 的转化，利用锁相环（PLL）获得正序和负序的同步参考信号，在通过低通滤波器（low-pass filter，LPF）时，同时加法比较同相电源参考电流和正交电源参考电流获得瞬时参考电流。当在电路中产生参考电源电流时，再经过坐标反变换迟滞电流控制器控制电源电流和瞬时参考电流，由电流矢量PWM控制器产生DSTATCOM变流器开关器件的脉冲。控制器的功能是控制在期望的参考电流值附近的DSTATCOM电流，而滞环控制器为DSTATCOM的变流器开关器件生成触发控制脉冲。DSTATCOM根据控制发出的补偿电流经滤波器滤除谐波后送入系统，完成补偿过程。

4仿真结果及分析

按照图3所示的补偿控制方法在Matlab/Simulink中搭建如图4所示的DSTATCOM仿真模型。系统电源参数如下：配电网电压25 kV，母线B1与B2之间为21 km用“π”形等值电路模拟的配电线，母线B2带有3 MW、0.2 Mvar的负载，母线B2与B3之間为2 km用电感电路模拟的配电线，母线B3后接25 kV/600 V降压变压器，接1个1 MW固定负载和1个可变负载，容量为±3 Mvar的DSTATCOM接在母线B3附近，为了加快仿真速度，系统采用离散化处理。

4.1DSTATCOM在电源电压波动时对母线电压的稳定作用

农电网电力系统实际运行中， 当电源电压由于某种原因

产生波动而偏离额定值，必然会引起各母线电压发生变化，进而影响各种用电器的正常工作，严重时甚至会危及电力系统的运行。为了模拟这种工况，验证DSTATCOM的动态性能和抑制电压波动及闪变的能力，设置电源输出电压在0.1 s时刻上升到额定值的1.1倍，在0.2 s时刻下降到额定值的0.9倍，在0.3 s时刻上升到额定值的1.05倍，在0.4 s时刻恢复到额定值。

为便于计算和对结果分析比较，图5中各母线电压、电流、有功功率和无功功率均取用标幺值（PU）。图5为母线B1与B3电压波形比较，可以看出由于母线B1电压距离电源较近，其电压跟随电源电压变化，幅值变化较大。因为母线B3附近安装有DSTATCOM可以抑制电压的波动及闪变，母线B3的电压变化幅值远小于母线B1，如在电压波动最为剧烈的 0.1 s 时刻，母线B1幅值达到了额定电压的114%，而母线B3幅值仅为额定电压的103%，保证了电压在5%以内波动，提高了电压稳定性。可以看出母线B3电压在DSTATCOM的作用下，基本维持在额定电压附近。

图6为DSTATCOM有功功率变化，图7为DSTATCOM的无功功率变化，可以看出有功功率基本维持不变，只是在无功功率突变时略有波动，表明系统具有良好的解耦控制性能。图8为DSTATCOM的电流波形，可以看出当母线B3电压产生波动后，DSTATCOM迅速作出反应发出或吸收相应的无功电流，维持了系统电压稳定，系统具有很好的动态性能。

4.2DSTATCOM对负载低频波动的抑制作用

农电网中大量应用交流调速系统，在运行在低频区域时，其性能不够理想，主要表现在低频启动时启动转矩小，造成系统启动困难甚至无法启动。变频器产生的非线性高次谐波，

会引起电动机转距脉动及严重发热，造成运行噪声加大。低频稳态运行时，受电网电压波动或系统负载的变化及变频器输出电压波形畸变的影响，将引起电动机的抖动。因此必须采取相应的措施，使系统的低频运行特性能得以改善。

为了模拟这种工况，设置系统在0.15 s开始、负载参数

频率为5 Hz的低频波动。图9为无DSTATCOM时母线B3电压，可以看出负载波动引起母线B3电压产生同样的波动，电压波动达到了±4%。图10为系统投入DSTATCOM后母线B3电压，可以看出电压波动得到了明显的抑制，只有 ±0.7%。

5结语

针对农业配电网电压稳定性差、受负载影响波动大的问题，结合开关函数法建立了三电平DSTATCOM详细时域数学模型，提出了利用DSTATCOM与系统连接点的电压和电流的同步信号采集来进行对比生成控制信号的控制策略。结果表明，所提方法对电源电压和负载引起的波动能够快速有效地进行补偿，具有结构简单、易于实现的优点，有效地改善了农业配电网的电压质量。

参考文献：

[1]杨洪耕，肖先勇，刘俊勇. 电能质量问题的研究和技术进展（三）——电力系统的电压凹陷[J]. 电力自动化设备，2003，23（12）：1-4.

[2]张刘春，韩如成，张守玉. 无功补偿装置的现状和发展趋势[J]. 太原重型机械学院学报，2004，25（1）：30-33，39.

[3]顾丹珍，艾芊，陈陈，等. 适用于快速暂态稳定计算的新型负荷模型和参数辨识方法[J]. 中国电机工程学报，2004，24（12）：78-85.

[4]周碧英. DSTATCOM在电压凹陷抑制中的仿真研究[J]. 电气传动自动化，2011，33（3）：22-24.

[5]Garica-Gonzalez P，Garcia-Cerrada A. Control system for a PWM-based STATCOM[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（4）：1252-1257.

[6]涂春鸣，李慧，唐杰，等. 电网电压不对称对D-STATCOM的影响分析及抑制[J]. 电工技术学报，2009，24（10）：114-121.

[7]罗承廉，纪勇，刘遵义. 静止同步补偿器（STATCOM）的原理与实现[M]. 北京：中国电力出版社，2005：12-35.

[8]栗春，姜齐荣，王仲鸿. STATCOM电压控制系统性能分析[J]. 中国电机工程学报，2000，20（8）：46-50.覃志松，赵南京，殷高方，等. 基于快相荧光的高等植物光合速率测量仪设计[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：230-233.endprint