基于双闭环控制方法的静止同步补偿器性能改进与仿真

任凤娟

摘要：本文介绍了配电网中安装的静止同步补偿器D-STATCOM，给出了D-STATCOM的结构图。然后研究了双闭环控制策略，分析了三相VSR的数学模型、控制策略。最后，对时变电源和变负载调制进行了仿真，仿真结果表明基于双闭环控制的PWM整流器具有良好的动态和稳态性能，动态响应快，谐波含量低，抗干扰性能好。

Abstract： In this paper， we introduce the Static Synchronous Compensator， which installed in distribution network is generally called D-STATCOM， and we have the structure chart of D-STATCOM. Then the control strategy were studied in the double Closed-Loop， we analyse the mathematical model of three-phase VSR， the control strategy. At last， we did the simulation of time-varying power source and of modulation of the variable load. The simulation results show that the PWM rectifier based on the double closed-loop control has good dynamic and steady state performance， fast dynamic response， low harmonic contents and satisfactory anti-disturbance performance.

关键词：静止同步补偿器;PWM整流器拓扑;控制策略;仿真

Key words： Static Synchronous Compensator;PWM rectifier topology;control strategy;simulation

中图分类号：TM714.3                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）34-0229-04

0  引言

靜止同步补偿器又称静止同步电容器，是柔性交流输电系统中的核心装置和核心技术之一，代表着无功补偿的发展方向。静止同步补偿器安装在几种特殊负载（如电弧炉和地铁，它们是浪涌和换向负载）周围，可以显著改善负载和电网连接处的电能质量和暂态稳定性。安装在配电网中的静止同步补偿器通常称为配电网静止同步补偿器，简称D-SATCOM。

静止同步补偿器（D-STATCOM）结构图如图1所示，主电路是由两个绝缘栅双极型晶体管和二极管组成的电压型PWM整流器。双整流器的配置产生比单桥少的谐波，能够减少滤波，改进动态响应。该控制器的控制原理与具有限幅PI控制器的双闭环控制-直流环节电压控制回路和具有前馈PI控制器的电流控制回路相似。

1  双闭环控制策略

1.1 三相VSR的数学模型

三相电压PWM整流器拓扑如图2所示，假设三相系统没有中性点连接。

其中：ea，eb，ec—三相电压;ia，ib，ic—线电流;ua，ub，uc—整流器输入电压;udc—直流总线电压;R—线路电阻;L—线路电感;C—滤波电容器;iL—负载电流。

三相电压型PWM整流器在静止a-b-c坐标系中的数学模型可以表示为：

静止a-b-c坐标系下的整流器模型简单直观，但由于输入信号的正弦性，传统的PI控制器不能保证零稳态误差。从电压定向控制（VOC）的角度进行派克（Park）变换，同步旋转d-q坐标系下的整流器模型可以给出

其中，sd、sq是同步旋转d-q坐标系下的切换函数。

1.2 控制策略

方程2表明，系统（id，iq）的d，q轴输出电流不仅受网络电压（ed，eq）的影响，而且受耦合电压（ωLiq，-ωLid）和整流器输入电压（即整流器控制电压ud，uq）的影响。因此，如果控制系统能够包含这些干扰分量，它可以消除这些影响。将（2）方程中的前两个方程的右部分分别替换为u*d和u*q。

从等式（3）中，我们发现id、iq是解耦的，并且它们是等价的系统。

通过坐标变换，将三相静止坐标系中的基本正弦变量变换为同步旋转d-q坐标系下的直流分量。从内模理论的角度出发，采用传统的PI控制器可以保证零稳态误差，其原因在于同步旋转d-q坐标系下的参考电流是恒定的直流信号，在S域中，积分部分包含阶跃信号1/s。同步旋转d-q坐标系下内电流环和外电压环的解耦控制图如图3所示。电流反馈ωLiq、-ωLid和网络电压前馈ud、uq引入到控制系统中。

2  仿真

D-STATCOM仿真模型如图4和5所示。D-STATCOM由25kV/1.25kV耦合变压器、两个IGBT/二极管桥组成的电压源PWM整流器、LC阻尼滤波器、10000uF电容器和控制器组成。该控制器由抗混叠滤波器、核心控制模块和PWM脉冲发生器组成，核心控制模块与前面提到的双闭环非常相似。

2.1 时变电源的仿真

在此模拟过程中，可变负载将保持恒定，并且观察D-STATCOM对源电压阶跃变化的动态响应。时变电源的时间-幅度对序列被设置为{（0，1），（0.2，1.06），（0.3，0.94），（0.4，1）}。仿真结果如图6所示。

从图6可知，随着电源的变化，B1母线的电压变化较大，而B3母线的电压由于D-STATCOM的作用而稳定地保持在额定电压附近。

在图7中示出了D-STATCOM的a、q轴电流iq和无功功率的电压波形和电流波形。在正常情况下，整流器电流近似为零。当电源电压高于额定电压时，ia为感应电流，无功电流iq为负，无功功率Q为正，即D-STATCOM吸收无功功率。当电源电压低于额定电压时，ia为电容电流，无功电流iq为正，无功功率Q为负，即D-STATCOM提供无功功率。约0.3秒时，反作用力功率Q的流动方向反转，而电流相位迅速变化且平稳。线电流具有良好的正弦性能。无功电流Iq快速、准确地跟踪Iqref。

图8和图7结合说明只有当无功功率Q间断时，直流电压的变化规律与有功功率P的波形相一致，即用双闭环控制策略达到解耦。

2.2 变载调制的仿真

在此测试期间，可编程电压源的电压将保持恒定，并启用可变负载的调制。调制间隔为0.15-1秒，调制频率为5Hz。首先，在没有D-STATCOM的情况下进行仿真，图9显示母线3三相电流和电压的振动频率为5Hz。电压波动范围±4%。

3  结论

研究了三相电压型PWM整流器同步旋转d-q坐标系下由内环电流环和外环电压环组成的双闭环控制策略。仿真结果表明：

①该系统采用双闭环控制策略，可以很好地解耦。

②在双闭环控制策略下，无论电源电压或负载何时波动，母线电压都能够根据需要吸收或产生无功功率，通过D-STATCOM保持稳定。

③仿真结果表明，基于双闭环控制的PWM整流器具有良好的动态和稳态性能，动态响应快，谐波含量低，抗干扰性能好。

④三相电压型PWM整流器具有四象限运行和双向功率流的能力，可广泛应用于无功补偿、有源电力滤波器、交-直流电力、交流电机驱动等工业领域。

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