电网三相电压不平衡下STATCOM的控制方法

◇内江职业技术学院 代高富 蒲珊珊 李 浪

本文设计了一种基于正序基波提取器锁相的静止同步补偿器，其控制策略在电压电流双闭环控制的基础上，采用正序基波提取器来锁定不平衡条件下的电压相位，解决了传统锁相环在电网电压三相不平衡的情况下无法锁定相位的问题。最后在Matlab/simulink仿真软件下进行验证，该控制方法正确可行，具有较好的稳定性和动态性能。

本文设计了一种基于正序基波提取器锁相的静止同步补偿器，其控制策略在电压电流双闭环控制的基础上，采用正序基波提取器来锁定不平衡条件下的电压相位，解决了传统锁相环在电网电压三相不平衡的情况下无法锁定相位的问题。最后在Matlab/simulink仿真软件下进行验证，该控制方法正确可行，具有较好的稳定性和动态性能。

1 引言

随着工业的迅猛发展，大量的非线性负载、冲击性负荷，如大型轧钢机、整流逆变装置等的运行向电网注入大量谐波，并造成电网电压波动和三相电压严重不平衡，严重影响到电网的安全可靠运行，为改善电力系统电能质量，加装无功补偿装置STATCOM，可以有效补偿无功功率和抑制谐波[1-3]。

本文采用直接电流控制，把STATCOM输出电流的反馈控制回路引入进来，让STATCOM 的输出电流跟踪到指令电流[4]，从而提高其响应速度。

2 系统组成与工作原理

2.1 STATCOM结构和工作原理

图1是三相三线制下的STATCOM的系统结构示意图，系统包括主电路和控制器两部分[5]。

图1 STATCOM系统结构图

控制器原理：利用锁相环和同步旋转坐标变换这两个环节，负载电流iLabc中的无功分量iqref就可以被检测出来，而且通过将STATCOM输出的补偿电流iabc进 行坐标变换，即把坐标系从abc变换到dq，通过这种方式可以得到iabc中 的两个值，一个是其无功分量的瞬时值iq，另一个是其有功分量的瞬时值ip。对于负载电流而言，它的基波无功分量在dq坐标系下是q轴的直流量，使用低通滤波器LPF将其中的谐波分量进行滤除就能够得到iqref。然后，使用PI控制器能够让电流空间矢量（id，iq）转换到电压空间矢量（ud，uq）。最后，通过对输出空间电压矢量进行脉宽调制从而得到PWM 驱动信号。

2.2 正序基波提取法锁相

利用正序基波的选频特性，可以选出工频50Hz的基波信号，其原理如下所示。

假设电网电压的正弦信号为：

其中A为电压的幅值，ω1为工频50Hz的角频率，为电压初相位。

电网电压e(t)的幅值积分函数为：

选取辅助信号：

对e(t)，y(t)，x(t)这三个信号进行拉普拉斯变换得：

由式（3）～式（5）可推导出：

假设电网电压e(t)信号的频率出现微小波动，频率偏差大小为，即：

相应的幅值积分信号和辅助信号分别为：

将以上三式进行拉普拉斯变换，整理得：

则：

则：

式（12）的结果可以看出，幅值积分函数y(t)的拉普拉斯变换结果近似为0，表明对谐波信号有抑制作用。

3 仿真研究

通过matlab/simulink仿真软件对本文设计的STATCOM控制器进行验证。仿真参数：电源相电压U=220V，频率f=50Hz，电源内阻Rs=0.02Ω，电源电抗Ls=0.001mH，线路电阻Ra=0.2Ω，线路电抗La=0.5mH，STATCOM的连接电抗Lc=0.5mH，直流电容C=3mF。

图2、图3分别是电网三相电压波形和负载电流波形，可以看出，电网电压和电流不是同相位，负载电流中含有大量无功电流。在0.1s后，负载电流受到电网电压畸变的影响，开始发生畸变。图4、图5分别是传统控制策略下和改进控制策略下补偿后的电网电流，可以看出，传统控制策略下，电网电压发生畸变以后，STATCOM不能很好的补偿到无功电流和畸变电流；而改进锁相环以后，即使电压畸变，补偿结果基本不受影响，电流波形补偿得较好。

图2 电网电压波形

图3 负载电流波形

图4 传统控制策略下补偿后的电网电流波形

图5 改进控制策略下补偿后的电网电流波形

4 结语

本文首先介绍了STATCOM电路结构和工作原理，采用正序基波提取器改进锁相环，克服了锁相环易受三相不平衡电压或畸变影响的问题。最后通过仿真验证，在三相电网电压不平衡和畸变的情况下，本文改进的STATCOM装置能够很好的检测出负载无功电流，并能较好的补偿无功电流和谐波电流。