基于滑模控制的角形级联静止同步补偿器快速不平衡补偿方法

何小勇

(国网湖南省电力有限公司郴州供电分公司，湖南 郴州 423000)

0 引言

随着电力工业的不断发展，电网对无功补偿的要求日益严格[1－4]。当电网发生故障或者接入不平衡负载时，电网电压会出现三相不平衡状态，但是传统无功补偿装置不能对其及时进行补偿，这威胁到了电网的安全稳定运行。基于角形级联多电平结构的STATCOM 是一种新型无功补偿装置，能够输出电流对无功和负序电压进行快速补偿，其具有模块化、易扩展的优点，在中高压配电网中具有广阔的应用前景[5－8]。

对此，文献[9] 提出了角形STATCOM 的三级平衡控制策略，包括整体平衡、相间平衡和相内平衡控制，利用三相有功电流矢量来合成零序环流指令，提升了STATCOM 的稳定性。角型级联STATCOM 三相链节之间允许存在零序环流，环流只在角内流动，不影响补偿器的线电流，但零序环流会影响链节的有功功率。因此可以利用零序环流来实现相间有功功率的调节[10－12]。文献[13] 对比了角形和星型级联STATCOM 的不平衡补偿能力，推导了分相控制法与零序电压注入法的功率平衡控制等效性。为改善STATCOM 补偿无功和负序电流的性能，文献[14] 研究了LCL 滤波的级联STATCOM，并提出了零序和负序电压注入的功率平衡方法。文献[15] 研究了负序电压注入的相间直流电压均衡控制策略，文献[16] 为提高电网不平衡下相间直流电压的动态性能，提出了dq坐标系上的负序电压前馈控制方法。

相比于星形级联 STATCOM，角形级联STATCOM 利用环流电流实现相间平衡，具有更强的不平衡电压耐受能力[16－17]。当电网故障或者接入不平衡负载出现电压单相跌落等不平衡工况时，角形级联STATCOM 能够同时输出正负序电流补偿电网电压。但直接利用电网电压正负序分量经PI控制计算补偿电流指令的方法需要的动态调节时间长，不利于电压的快速补偿。针对此问题，本文提出基于滑模控制的角形级联STATCOM 快速补偿方法，首先，采样公共连接点 (Point of Common Coupling，PCC) 处的三相电网电压并进行正负序分解求得电网电压的正序分量和负序分量；接着，引入滑模PI 控制，快速求解补偿电流指令；最后，将求解的补偿电流指令信号与角形级联STATCOM电压稳定控制、相间平衡控制和电流内环控制相结合，控制STATCOM 输出无功电流来抑制电网不平衡。

1 角形级联STATCOM 快速补偿方法

1.1 角型级联STATCOM 系统结构

角型级联STATCOM 系统结构如图1 所示，为每一相链节由n个H 桥模块级联的角形级联STATCOM 的结构图，其中，Va、Vb、Vc是三相电网公共连接点处的相电压，Ls是电网等效阻抗，ia、ib、ic是角形级联STATCOM 线电流，L是角形级联STATCOM 滤波电抗，iab、ibc、ica是角形级联STATCOM 相电流。电网发生故障或者接入不平衡负载时，电网电压可能会出现单相跌落等不平衡工况，导致正序电压跌落并出现负序电压分量，需要STATCOM 对电网同时进行无功和负序补偿，才能维持电网稳定。

图1 角形级联STATCOM 结构图

1.2 基于滑模控制的指令信号获取方法

图2 所示为角形级联STATCOM 的正负序电压信号获取方法框图。利用基于广义二阶积分器的电压检测，快速准确地提取相位和频率信息，使得系统能够在不对称故障下仍能保证准确的电网同步。将Va、Vb、Vc分别变换到正负序dq坐标系下:

图2 正负序电压信号获取方法框图

其中上标P 表示正序分量，上标N 表示负序分量，ω为经过检测获得的三相电网电压同步旋转角速度，t为时间，是正序基波电压d轴分量，是正序基波电压q轴分量，是负序基波电压d轴分量，是负序基波电压q轴分量。

图3 所示为所提基于滑模控制的指令快速获取方法框图。

图3 滑模PI 控制指令获取方法框图

正序基波电压q轴分量的指令值是正常电网电压的幅值；为抑制负序电压，将和的指令值设为0。可得指令信号为:

滑模控制具有使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动的特性。滑模控制系统通过对滑模面切换函数S的符号来进行判别，不断切换控制量来改变系统结构，使得系统达到设计好的滑模面S＝0 上，然后系统沿滑模面进行滑动。到达过程和滑动过程的特性决定了滑模控制的动态响应速度。在滑模控制时，需要限制控制状态到其相应的滑模面。其中，三个滑模面的切换函数S要满足以下公式:

角形级联STATCOM 通过滑模控制，就可以快速地对电网电压的正负序分量误差进行校正，同时还有较强的鲁棒性。PI 控制器具有可以无误差地跟踪直流分量的特性，还可以增加控制系统的自由度，因此在dq坐标系下，将滑模控制与PI 调节相结合，能够快速精准地补偿不平衡电网电压的无功和负序分量，在稳态时，还可以迅速对噪声进行响应，抑制电网波动，保证电网的稳定运行。

1.3 角形级联STATCOM 功率平衡控制

角形级联STATCOM 各相链节的直流侧相互独立，由电容完成电压支撑功能，无法提供大量有功电流。因此每相链节可以等效为纯无功元件。基波正序无功分量不影响链节与电网之间的有功交换，但基波负序分量与线电压相量非正交，会导致某些相链节持续输入有功功率，而其他相链节持续输出有功功率，导致直流侧电容电压发散，影响STATCOM 的稳定性。

设STATCOM 向电网输出平均有功功率为Ps，每相链节实际输出有功功率平均值分别为Pab、Pbc、Pca，满足:

每相链节输出有功功率平均值分别为PCab、PCbc、PCca，满足:

PCab、PCbc、PCca包含有正序分量、负序分量和零序分量，因此可以根据每相链节间直流侧总电压的偏差值，来生成零序环流指令，形成有功环流来调节各相链节的直流侧总电压，就可以实现各相链节直流侧电压的平衡。

如图4 所示为零序环流在角形STATCOM 内流动的示意图。零序环流不影响STATCOM 的线电流输出，通过构造与链节相电压同相的有功分量，产生在三角形结构内流动的零序环流来补偿各相间链节电压的不平衡。

图4 零序环流在角形STATCOM 内流动示意图

角形级联STATCOM 控制框图如图5 所示。为指令电流信号，Udc＿ref为直流侧总电容电压指令值，Udc为三相链节直流侧总电压的平均值，为三相线电流指令信号。零序环流指令根据相间平衡控制方法可得。由STATCOM 角内零序环流的约束条件:

图5 角形级联STATCOM 控制框图

STATCOM 整体电压外环采用比例积分PI 控制，电流内环采用比例P 控制，依靠双闭环控制，STATCOM 可以根据指令信号快速向电网注入正序无功和负序电流来补偿电网电压。

2 仿真验证

为验证所提出的指令信号获取方法在电网故障情况下的有效性，在PSIM 环境下搭建了5 电平角形级联STATCOM 仿真模型，主要仿真参数见表1。

表1 主要仿真参数

角形级联STATCOM 经过PCC 点并联接入电网中，在仿真中，通过修改电网电压幅值来模拟电网不平衡工况。电网等效电抗为LS＝0.2 mH，电阻忽略不计。故滑模PI 控制方法中，参数选取如下:0.000 1，＝0.000 083。IGBT 驱动根据载波移相方法调制后获得。

为验证所提控制方法的正确性，在补偿单相跌落、补偿两相电压跌落两种工况下，对角形级联STATCOM 分别采用所提方法与基于PI 控制器的常规指令电力获取策略进行仿真，PI 控制器比例系数为3，积分系数为12。

工况一为电网电压在t＝0.24 s 时发生单相跌落16%，设定STATCOM 在t＝0.3 s 时进行补偿，PCC 电压变化情况如图6 所示。图7 给出了电压跌落与补偿前后，电压正负序分量的变化情况。图8给出了STATCOM 输出电流波形图。由图6 可以看出，采用所提方法与常规方法的角形级联STATCOM 都可以根据不平衡情况进行补偿。根据图7 (a) 和图8 (a) 可知，角形级联STATCOM根据电网电压中的无功缺额和所含有的负序分量，通过滑模PI 控制，快速获取指令电流，向电网中注入无功和负序电流，具有较短的暂态调节过程，可以更快地补偿电网不平衡。而根据图7 (b) 和图8 (b) 可知，采用常规方法来获取补偿电流指令时，会面临更长的暂态调节过程，且补偿精度也低于采用所提控制方法的情况。

图6 工况一PCC 相电压波形图

图7 工况一PCC 电压正序和负序分量图

图8 工况一STATCOM 输出电流波形图

工况二为在t＝0.24 s 时，电网A 相和B 相电压跌落16%，STATCOM 在t＝0.3 s 时投入电网进行补偿，电网电压变化情况波形如图9 所示。对应的STATCOM 输出电流波形如图10 所示。对比图10 (a) 和(b) 可知，在两相电压跌落的工况下，所提方法具有更快的响应速度。经过补偿之后，A相和B 相电压有效值由补偿前的190 V 恢复到212 V，电压无功和负序分量得到了有效的补偿。但是由于所研究系统没有接入中性线，单相与两相电压不平衡会导致零序电压分量出现，所提STATCOM 暂未能实现完全补偿。

图9 工况二PCC 相电压波形图

图10 工况二STATCOM 输出电流波形图

3 结语

本文提出了一种基于滑模控制的角形级联STATCOM 快速补偿方法，引入滑模控制并与PI 调节相结合，能够快速地计算出不平衡电压补偿所需的补偿电流指令信号，提升不平衡补偿响应速度。结合角形级联STATCOM 的电压稳定控制、相间平衡控制和电流内环控制，实现电网电压的快速精准补偿。仿真研究表明，角形级联STATCOM 在采用所提方法后，能够实现电网不平衡工况的快速补偿。