静止同步补偿器控制系统的仿真研究

黄建涛，刘金晶，赵德奎

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

摘 要：比较了静止同步补偿器(STATCOM)的两种控制方式的优缺点，设计了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的控制系统。该方法运用瞬时无功理论，通过锁相环和低通滤波器检测负载电流中无功电流的大小，利用d-q坐标变换实现有功电流和无功电流的解耦控制。仿真结果表明补偿后电流幅值明显减小，直流侧电压平稳，功率因数提高到0.95以上。

关键词：静止同步补偿器；无功补偿；空间矢量脉宽调制

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)01-0010-03

Simulation Research of Control System of Static Synchronous Compensator

HUANG Jian-tao, LIU Jin-jing, ZHAO De-kui

（College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

Abstract: The advantages and disadvantages of the two kinds of control mode of static synchronous compensator (STATCOM) were compared with and a SVPWM-based (Space Vector Pulse Width Modulation) control system was designed. Based on the in-stantaneous reactive power theory, the phase-locked loop and low pass filter were used to test the load’s reactive current and the d-q coordination transform was used to realize the decoupled control of STATCOM active and reactive currents. Simulation results show that the current amplitude is distinctly reduced and the DC side voltage is stable, besides the power factor is improved up to 0.95. Key words: static synchronous compensator; reactive power compensation; space vector pulse width modulation

0 引言

随着电力电子装置的应用日益广泛，电力系统中的非线性负载越来越多，这样就需要向电力系统提供大量的无功功率。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是我们所说的无功功率补偿。其作用主要有：提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量[1]。

新型静止同步补偿器STATCOM(Static SynchronousCompensator)被称为“静止调相机”，是现代柔性交流输电系统(FACTS)的核心部分，由于采用了可关断晶体管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等大功率全控型器件，其较传统的无功补偿装置有响应速度更快、电压闪变抑制能力更强、运行范围更

宽、占地面积小的优点。因此，STATCOM是最具前途的一种补偿方式，并且已经开始推广。

1 STATCOM的工作原理

STATCOM的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的[1-2]。

如图1所示，STATCOM按其直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型两种。对于电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网；对于电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入使用的STATCOM大都采用电压型桥式电路，因此STATCOM往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。

作者简介：黄建涛(1983- )，男，福建龙岩人，硕士研究生，研究方向为有源滤波与无功补偿。

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静止同步补偿器控制系统的仿真研究T1T2

T3

L1L2+LC

3

T4

T5

T6

a)电压型桥式电路

T7T8T9

L

T10T11T12

C1C2C3

b)电流型桥式电路

图1 STATCOM的电路基本结构

2 控制策略

STATCOM的控制系统通常由内环控制器和外环控制器两部分组成，外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。控制框图如图2所示。

三相电源无功负载无功电流检测电路i*abcSTATCOM主电路控制电路Ud直流电压反馈图2 STATCOM控制框图

从控制方式上来说，可以分为电流的直接控制和间接控制两种方法[3]。所谓电流间接控制就是将STATCOM当作交流电源来看待，通过对交流侧输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制STATCOM的交流侧电流，具体实施时有两种方案可供选择。一种方法是仅控制δ角，即控制先进静止无功发生器(ASVG)交流侧输出电压相对于系统电

电工电气 (2010 No.1)

压的相角差，这种方法的主要优点是控制电路比

较简单，但是由于装置交流侧输出电压的幅值的调节依赖于直流电容电压的变化，所以动态相应速度较慢。也可以配合控制δ角和θ角，即控制δ角的同时，配合控制开关器件的导通角，从而调节STATCOM交流侧输出电压的幅值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利，而且动态性能更好；但它存在控制复杂的缺点，因为

角和θ角需要密切配合，而且这种配合关系还随着主电路的参数而改变。在间接控制方法中为了提高控制精度和响应速度，通常还要引入电流反馈控制；为维持直流电压恒定，往往还需要引入直流电压的反馈控制。所谓电流直接控制，就是采用跟踪型的PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，具体有三种方式：一是采用滞缓比较方式，二是采用三角波比较方式或空间电压矢量方式，三是应用瞬时无功功率理论、dq0变换进行电流的直接控制方式。采用PWM技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统中的无功电流和全部有害电流。与间接方法相比较，电流的直接控制法有系统具有快速的瞬态响应、系统稳定性较高、可抑制负序引起的不良影响等优点。

3 实验方法与结果分析

由上文的分析可知，直接电流控制方式较间接电流控制方式更具优越性，故本实验采用直接电流控制方式。

参考文献[4]指出，采用双闭环SVPWM控制方式与SPWM控制方式相比，直流侧电压利用率较高，将电压利用率提高了15.47%。其次，双闭环SVPWM控制可以使补偿电流较为准确地跟踪指令电流，抑制负载谐波电流，是一种较为有效的电流跟踪控制方案。因此本实验采用双闭环SVPWM控制方式设计控制系统。

双闭环SVPWM控制方式控制系统的控制框图如图3所示。

为了验证控制系统的有效性，利用MATLAB软件建立相关的实验模型进行仿真。参数设置如下：三相电源10kV、50Hz；负载为阻感性负载；变压器变比为10kV/600V，容量为500kVA；逆变器直流侧电容18mF；直流侧电压为1000V；交流侧滤波

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δ电工电气 (2010 No.1)电感为1mH,滤波电容为100μF。参考文献[5]指出，在滤波电容上串联一个小电阻可以有效地抑制STATCOM装置与电网发生谐振，本模型中串联电阻取0.5Ω。

Id, refUUd, fd, ref+-dq0PI控制+-PI控制IabcIdaIq, ref+控制Ib-PI控制αβ脉冲Ic矢量选择Iqdq0图3 基于SVPWM调制方式dq轴下的瞬时控制框图

如图4所示，为了便于比较，本图将电流缩小了100倍，将电压进行了归一化(Per Unit-Pu)处理。图a)、b)分别为补偿前和补偿后A相电压和电流的相位比较波形，经比较可以很直观地看出补偿后电流电压的相位基本一致，电流幅值亦明显减小。如图5所示，图a)、b)分别为补偿前后的功率因数，补偿前的功率因数在0.2以下，而在0.12s后，补偿后的功率因数基本在0.95以上，取得了良好的补偿效果。从图6可以看出，直流侧电压平稳，超调量也比较小。

1.01.00.5IaU0.5a

Pu/U00A/I-0.5-0.5-1.0

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

-1.0t/s

a)补偿前A相电压和电流波形

1.01.00.5Ua0.5PuIa

/U00A/I-0.5-0.5-1.00.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

-1.0t/s

图4 补偿前和补偿后A相的电压和电流波形

0.180

0.1750.1700.1650.1600.155功率因数0.1500.1450.1400.135

0

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

t/s

a)补偿前功率因数波形

12

静止同步补偿器控制系统的仿真研究1.0数0.80.6功率因0.40.2

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

t/s

b)补偿后功率因数波形

图5 补偿前后的功率因数波形

12001000V800/d600U4002000

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

t/s

图6 直流侧电压波形

4 结语

通过对STATCOM的基本原理进行简要分析，详细比较了两种控制方式的优缺点。经比较分析，本文选择了较优的控制方式——基于SVPWM调制方式

轴下的瞬时控制，并利用MATLAB建立了STATCOM主电路及其控制系统的仿真模型，通过对仿真实验结果的分析，验证了本文提出的控制方式的有效性。实验结果显示：补偿后电流幅值明显减小，直流侧电压平稳、超调量小，功率因数提高到0.95以上。可见，此控制方法切实有效。

参考文献

[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿

[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 徐益民，刘岫岭，姜志成.STATCOM原理及控制方法

研究[J].煤矿机械，2006，27(8)：56.

[3] 王德昌.模块化有源无功补偿器的研究[D].成都：西

南交通大学，2004.

[4] 袁洪，余胜，李俊.双闭环SVPWM控制的并联型有源

电力滤波器仿真研究[J].电工电气，2009(4)：10- 25.

[5] 荣飞，罗安，汤赐，盘宏斌.STATCOM输出滤波器结

构设计及参数优化[J].电工技术学报，2008(4)：137- 142.

收稿日期：2009-09-15

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