三相四桥臂D-STATCOM控制算法研究

徐文成，黄元媛，王 宝，杨海华

(1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025； 2.国家电网公司特高压建设分公司，江苏 常州 213000； 3.南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 210000)

静止无功发生器目前主要有两个发展方向，即高电压、大容量STATCOM技术及用户侧低电压、小容量配电网静止无功发生器(D-STATCOM)技术。

无源控制器作为非线性控制器相比于传统线性控制器，很好地适配了D-STATCOM，具有控制响应快、系统稳定速度快、输出波形好等优点。

1 三相四桥臂D-STATCOM的EL模型的建立

1.1 三相四桥臂D-STATCOM的主电路

主电路原理如图1所示，通过使用相关的测量、控制和调制算法来控制主电路的运行状态，使主电路输出的电流ifx能够实时跟踪参考反馈电流iLxh*，使配电网侧畸变的电流变为理想的正弦波且电网功率因数接近于1，满足供电公司对用户侧的功率因数要求，同时使配电网侧中性线电流iln明显减小。

图1 三相四桥臂D-STATCOM的主电路Fig.1 Main circuit of three-phase four-bridge D-STATCOM

1.2 三相四桥臂D-STATCOM的数学模型

将用户侧负载的三相瞬时电流检测信号ila、ilb、ilc转换成ild、ilq、il0，并将其送入无功电流检测环节中，计算得到需要补偿的反馈电流，同时将主电路输出得到的三相电流ifa、ifb、ifc转换成ifd、ifq、if0，得到主电路状态空间方程如下：

(1)

其中：L0=4L，L为电感值；Gd、Gq、G0是主电路的输出控制率；R0=4R，R是串联电抗器等效出来的电阻值。

图2 电流环无源控制系统Fig.2 Passive current loop control system

(2)

使用阻尼注入设计方法来设计PBC控制器，其中Z、M、J是可以反映主电路内部特性的矩阵，列向量ε反映的是主电路与外部输入能量交换关系的参数变量，各矩阵的内部具体数值如下：

M=diag{4L,4L,4L,C}

Z=diag{4R,4R,4R,0}

ε=[esdesqes00]

2 D-STATCOM情感智能控制器的设计

图3是一种简化的情感控制器的原理框图，控制器类似于PI控制结构。控制器的内部参数能够根据被控对象的调整而实时变化，这样的设计结构增强了控制系统抗干扰性能。简化的情感控制器可以使REWd-Ad=max(SId1,SId2)奖励信号REWd隐藏到控制器中，将上面一个公式带入到控制器中，推导得出杏仁体的调节率值为

Δvdi=αd·SIdi·max(0,SId1,SId2)

Δvdm=αd·SIdm·max(0,SId1,SId2)

式中i=1,2。

(3)

图3 简化的情感智能控制器框图Fig.3 Simplified block diagram of emotional intelligence controller

3 仿真试验研究

如图4所示，补偿后的电流实现了配电网侧较理想的正弦波且三相电流不平衡电流得到平衡化，中型线电流得到减小，由此可见，所提出的控制算法能有效解决配电网侧的电能质量问题，从仿真结果分析可知，系统在0.15 s时开始稳定。

图4 三相电流补偿前后的对比图Fig.4 Comparison diagram before and after three-phase current compensation

由图5可见，D-STATCOM能很好地实现三相四线制供电系统的功率因数校正，使其近似于1，满足供电公司对配电网用户侧功率因数的要求。

为分析D-STATCOM对配电网侧的电流谐波是否具有良好的抑制作用，如图6所所示，对系统补偿前后的三相电流数据进行傅里叶分析，得出补偿前后三相电流THD值。D-STATCOM投入前，A、B、C三相THD值分别为10.94%、16.4%、26.23%。D-STATCOM投入后，结果分别为1.85%、1.89%、1.88%，由此可知，补偿后的电网电流较正弦化较为理想，说明三相四桥臂D-STATCOM实现了对配电网侧三相电流谐波很好的抑制。

图5 补偿后三相电压与电流Fig.5 Three-phase voltage and current after compensation

4 结语

基于情感智能控制及无源控制理论的电压电流双闭环控制，算法简洁，易于理解，参数设置简单，便于软件编程实现，相较于传统PI控制器，性能上具有一定的优越性，成功实现了对三相四桥臂D-STATCOM拓扑电路的快速稳定控制。