配电网静止同步补偿器的不平衡综合控制策略.pdf

配电网静止同步补偿器的不平衡综合控制策略唐 杰1,邓志勇2,杨志红2(1.邵阳学院电气工程系,邵阳 422000;2.邵阳电业局,邵阳 422000)摘 要:配电网静止同步补偿器(D 2STATCOM)直流侧电容电压在电网电压不平衡条件下会出现 2 倍频波动,使得交流输出电压出现负序和 3 次谐波,严重影响 D 2STATCOM 的运行性能。针对此问题,提出一种综合应用改进开关函数调制法和负序电压前馈控制的方法改善 D 2STATCOM 的运行性能。改进的开关函数法能有效抑制 3 次谐波电流,改善了 D2STATCOM 的电压输出性能;负序前馈控制抑制了 D 2STATCOM 因负序电压分量造成的过流,保障了装置的安全可靠运行。仿真和实验结果表明,提出的该方法是行之有效的。关键词:配电网静止同步补偿器;电网电压不平衡;运行性能;改进开关函数调制法;负序电压前馈控制;控制策略中图分类号:TM76文献标志码:A文章编号:100326520(2009)10 22498205基金资助项目:湖南省自然科学基金(07JJ6081)。Project Supported by Hunan Provincial Natural Science Founda2tion of China(07JJ6081).Control Strategy of D2STATCOM Under UnbalancedPower Supply Voltage ConditionsTANG Jie1,DENG Zhi2yong2,YANG Zhi2hong2(1.Department of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.Shaoyang Electric Power Bureau,Shaoyang 422000,China)Abstract:Under unbalanced voltage of power system,the influence on voltage output performance of distributionnetwork static synchronous compensator(D 2STATCOM)was analyzed.Twice frequency waves occurred in voltageof capacitor at DC side of D2STATCOM under unbalanced voltage,which results in negative sequence and 3 timesharmonics in AC voltage,therefore,an improved switching function modulation was proposed to improve voltageoutput performance of D 2STATCOM and to suppress 3 times harmonic current.An unbalanced control strategy offeed2forward control for negative sequence voltage was also carried out to suppress converter overcurrent caused bynegative voltage in order to make D2STATCOM safe.The feasibility of the proposed method was proved by simula2tion results.Key words:D2STATCOM;unbalanced voltage of power system;operation performance;improved switching func2tion modulation;feed 2forward control for negative sequence voltage;control strategy0 引言配电网静止同步补偿器(D2STATCOM)作为一种新型的动态无功补偿装置,是用户电力技术中的一种重要的设备,旨在提高用户侧的电能质量126。控制器是 D2STATCOM 的重要组成部分,对 D 2STATCOM 的运行有着重要的影响,目前大部分控制器的设计没有考虑电网电压的不平衡情况7212。然而电网电压不平衡现象在配电网中普遍存在,它对 D2STATCOM 的运行影响主要体现在两个方面:1)当电网电压不平衡时,D2STATCOM 逆变器直流侧电容两端电压会产生 2 倍频的电压波动,直流侧电容两端电压并不是理想的平稳的直流电压,波动的直流侧电容电压会导致 D2STATCOM 逆变器的交流侧输出三次谐波电压和谐波电流,从而影响 D2STATCOM 的输出性能。2)当电网电压不平衡时,电网电压中的负序分量对于采用对称控制的 D 2STATCOM 装置来说相当于短路,会导致很大的负序电流流过 D 2STAT2COM,严重影响 D2STATCOM 装置的安全运行。因此,进一步探讨在电网电压不平衡条件下 D2STATCOM 的控制策略问题,进而提高 D 2STAT2COM 在电网电压不平衡条件下的运行性能和可靠性具有重要的现实意义,也是 D2STATCOM 装置在实现工业应用过程中要解决的技术难点之一。本文提出了一种综合运用改进的开关函数调制法和负序电压前馈控制策略,既改善了装置的输出性能又有效地抑制了装置的过流。仿真和实验结果表明,本文所提控制策略是正确有效的。2498第 35 卷 第 10 期2009 年 10 月 31 日高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol.35 No.10Oct.31,2009 1 改善 D 2STATCOM 输出性能的改进开关函数调制法 为了改善电网电压不平衡条件下 D2STAT2COM 逆变器的输出性能,即由波动的直流侧电容电压导致的 D2STATCOM 逆变器的交流侧输出 3 次谐波电压和谐波电流,文献13 提出了一种改进的开关函数法。当 D 2STATCOM 逆变器直流侧电容电压有 2倍频波动时,直流侧电容上的电压可以表示为UC=UCm(1+ksin2Xt)。(1)式中,UCm为直流分量的幅值;kUCm为 2 倍频波动电压的幅值,其波动频率为 2X;X为电网电压角频率。选取改进的开关函数为Sm=11+ksin(2Xt+U)S。(2)此时 D2STATCOM 逆变器输出的三相电压为eabc=eaebec=UCSm=UCm(1+ksin(2X t+U)#11+ksin(2Xt+U)S=UCmS。(3)可见,D2STATCOM 逆变器输出电压与直流侧电容两端电压的波动部分无关,因此 D2STATCOM输出电压中将不再含有负序和 3 次谐波分量,只有正序分量,很好地改善了装置的电压输出性能。而且,逆变器输出电流中也不再含有 3 次谐波电流,达到了抑制 3 次谐波电流的目的。但是,此时由于 D2STATCOM 逆变器的输出电压中将不能映射出电网电压的负序分量,电网电压中的负序分量相对于D 2STATCOM 逆变器来说相当于短路。也就是说,D 2STATCOM 装置中的负序电流仍将很大,这对于D 2STATCOM 装置的安全是不利的。因此,单纯使用改进开关函数还不能彻底解决问题,必须寻求新的 D 2STATCOM 控制策略,在改善其输出性能的同时能有效地抑制电网负序电压造成的装置过流。2 抑制装置过流的负序电压前馈控制为了抑制装置过流,文献 14详细论述了通过对新型静止无功发生器装置参数的优化达到提高电网电压不平衡条件下装置的可靠性目的。但文献14 没有针对 STATCOM 逆变器输出电流的畸变问题进行讨论,而把重点放在了如何限制 STAT2COM 装置的过流问题上。从上述文献提供的实验结果来看,虽然 STATCOM 逆变器的输出电流得到了有效的限制,但因直流侧电容两端电压波动引图 1 D 2STATCOM 系统的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of D 2STATCOM起的 3 次谐波电流问题并未得到解决。因此必须寻求综合控制策略来解决这一问题,达到在改善 D2STATCOM 输出性能的同时能有效的防止装置的过流。2.1 电网电压不平衡条件下 D 2STATCOM 的等效电路当 D2STATCOM 采用上述改进的开关函数调制法后,D 2STATCOM 系统的等效电路如图 1 所示。图中,uP,abc为电网电压的正序分量;uN,abc为电网电压的负序分量;eP,abc为逆变器输出电压的正序分量,iP,abc为注入电网电流的正序分量;iN,abc为流经装置的负序分量;R 和 L 分别为连接电抗器或变压器的等效电阻和电感。由于采用了改进的开关函数,D2STATCOM 逆变器只输出基波正序电压,所以等效电路中没有出现 3次谐波等效电路。在负序等效电路中,D2STATCOM 逆变器相对于电网电压中的负序分量相当于短路。从图 1(b)中还可以看出,当采用改进的开关函数后,流过 D2STATCOM逆变器的负序电流由电网电压中的负序分量决定,其值为IN=UNR+jXN。(4)可见,D2STATCOM 采用对称控制时,由于连接电抗的等效阻抗值较小,在电网电压平衡条件下极易产生过流而退出运行。采用改进的开关函数调制法尽管能改善装置的输出性能,但加剧了装置的过流,且不能通过优化 D 2STATCOM 参数达到抑制 D2STATCOM 逆变器过流的目的(因为此时对于采用对称控制的 D2STATOM 来说无法输出负序电压)。鉴于此,本文将负序电压前馈控制引入到 D 2STAT2COM 的不平衡控制中。2499 2009 年 10 月高 电 压 技 术第 35卷第 10 期2.2 负序电压前馈控制针对装置过流问题,本文提出了一种负序电压前馈不对称控制策略。其基本思想是:D2STAT2COM 发出一个与系统负序电压相等的电压,从而使流经 D2STATCOM 逆变器的负序电流为 0。此时D 2STATCOM 的负序等效电路如图 2 所示,图中eN,abc为逆变器输出电压的负序分量。需要说明的是,图 2 中 eN,abc是由于采用不对称控制策略而引起。此时流经 D2STATCOM 逆变器的负序电流由电网电压中的负序分量和 D2STAT2COM 逆变器输出负序电压共同决定,其值为IN=EN-UNR+jXN。(5)由式(5)可知,如果通过不对称控制策略使得D 2STATCOM 逆变器输出负序电压的幅值和电网电压中的负序分量相等、相位相同即可实现流经 D2STATCOM 逆变器的负序电流为 0,达到抑制负序电流的目的,从而提高了 D2STATCOM 装置在电网电压不平衡条件下的可靠性。3 D 2STATCOM 控制系统组成D 2STATCOM 综合应用改进的开关函数调制法和负序电压前馈控制时的控制系统框图如图 3 所示。整个控制系统由正序控制环和负序前馈环构成。正序控制器采用的是基于瞬时功率平衡的模糊自适应 PI 直接电压控制器15(因篇幅所限不再赘述),其作用是维持 D2STATCOM 公共连接点电压UPCC和 D2STATCOM 逆变器直流侧电容电压 UC为给定值。负序前馈环的作用是让 D2STATCOM产生一个与公共连接点电压中负序分量大小相等相位相同的电压,使得流过 D2STATCOM 逆变器的负序电流为几乎为 0,有效地防止装置过流。当电网电压不平衡时,公共连接点电压的参考值为U*PCC=uP,d2+uP,q2。(6)图 3 中电网电压负序分量叠加到模糊自适应PI 控制直接电压控制器的输出上,共同形成 D2STATCOM 逆变器的输出指令电压(e*a,e*b,e*c)。图中的 abc/dq-变换为基于-X的同步旋转变换,dq-/abc 为其相应的反变换。由指令电压形成 SP2WM 驱动信号采用的是改进的开关函数调制法。4 仿真与实验研究4.1 改进开关函数调制法仿真图 4 为在电网电压不平衡条件下未采用改进开关函数调制法时 D2STATCOM 的输出电流波形图 2 负序电压前馈控制时的 D 2STATCOM负序等效电路Fig.2 Negative equivalent circuit of D 2STATCOMapplied the negative sequence voltage feedforward control strategy图 3 D 2STATCOM 控制系统Fig.3 D 2STATCOM control system图 4 未采用改进开关函数法时的仿真结果Fig.4 Current waveform and spectrum withoutimproved switch function modulation及其单相电流的频谱图。从图 4 可看出,在电网电压不平衡条件下,未采用改进的开关函数调制法时,D2STATCOM 的输出2500Oct.2009High Voltage EngineeringVol.35 No.10 图 5 改进开关函数调制法的仿真结果Fig.5 Current waveform and spectrum withimproved switch function modulation电流有畸变,含有 3 次谐波分量,从单相电流的频谱图还可以看出,除了 3 次谐波外,D 2STATCOM 的输出电流中还含有 1.5、2.5 等非特征次谐波。图 5 给出了采用改进开关函数调制法后 D2STATCOM 的输出电流波形和单相电流频谱。从图 5 可以看出,采用改进开关函数调制法后,D 2STATCOM 输出电流的波形得到明显改善,3 次谐波电流含量明显减少。4.2 负序电压前馈控制策略仿真图 6 为电网电压不对称情况下无负序前馈控制时 D2STATCOM 的输出电流波形。图 7 为引入负序电压前馈控制后 D2STATCOM 的输出电流波。从图 6、7可以看出,采用负序电压前馈控制后,D 2STATCOM 的输出电流平衡度得到明显改善,输出电流的最大幅值也比没有采用负序电压前馈控制时的电流幅值小,这样能在电网电压不平衡情况下有效的抑制 D2STATCOM 的过流,从而提高 D2STATOCM 在电网电压不对称情况下的可靠性。4.3 实验结果为了验证本文所提方法的正确性和有效性,将综合应用改进的开关函数调制法和负序前馈控制策略应用于实验室 100 kVA D2STATCOM 装置。图8为公共连接点电压不平衡情况下的实验结果(从上位监控机获取)。图 8(a)为公共连接点电压波形。图 8(b)为综合应用改进的开关函数调制法和负序前馈控制策略后流经 D2STATCOM 的电流波形。图 6 无负序电压前馈控制时的电流波形Fig.6 Current waveform without feed 2forwardcontrol for negative sequence voltage图 7 有负序前馈控制时的电流波形Fig.7 Current waveform with feed2forwardcontrol for negative sequence voltage图 8 电网电压不平衡条件下的实验结果Fig.8 Experimental results under unbalancevoltage condition从图 8 可以看出,在电网电压不平衡条件下采用本文所提的控制方法后 D 2STATCOM 的运行性能得到提高,D2STATCOM 的输出电流波形畸变较小且装置在实验过程中没有出现过流情况。5 结语本文综合应用改进的开关函数调制法和负序前2501 2009 年 10 月高 电 压 技 术第 35卷第 10 期馈控制策略,既有效地防止了 D2STATCOM 在电网电压不平衡时的过流问题,又改善了 D2STAT2COM 逆变器的输出性能。针对 D2STATCOM 输出电压中出现的负序和 3 次谐波,应用改进的开关函数调制法,改善了装置的电压输出性能。针对负序和 3 次谐波电流会导致装置过流的问题,应用负序电压前馈不对称控制策略,有效地抑制了 D2STATCOM 的过流,提高了装置在电网电压不对称条件下的可靠性。仿真结果表明,本文提出的方法是行之有效的。参考文献1 袁佳歆,陈柏超,万 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2mail:Tang_邓志勇1962),男,高工主要从事电力系统运行与控制的研究和管理工作杨志红1962),男,高工主要从事电力系统运行与控制的研究和管理工作收稿日期 2009 204 209 修回日期 2009 209209 编辑 任 明2502Oct.2009High Voltage EngineeringVol.35 No.10