1.引言
隨著工業(yè)化進程的加快，對電能質(zhì)量要求也變得日益嚴(yán)格，如何提高現(xiàn)代電力系統(tǒng)可靠性、可控性、快速性已成為亟待解決的問題[1]。靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是現(xiàn)代柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC TransmissionSystems，F(xiàn)ACTS)的核心裝置，與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，STATCOM 具有響應(yīng)速度快，吸收無功連續(xù)，諧波電流小，損耗低，體積小等優(yōu)點，因此，STATCOM已成為無功和諧波補償裝置研究發(fā)展的重要方向[2,3]。針對 STATCOM 的控制設(shè)計有多方面的研究。文獻[4]分析電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)的靜止無功發(fā)生器直接電流控制方法，并對該控制方法進行仿真驗證。文獻[5]給出裝置發(fā)出純?nèi)菪詿o功功率時電容兩端電壓過高的原因及解決的方法，仿真給出了直接電流法控制下系統(tǒng)發(fā)出感性和容性無功時電流和電容兩端電壓的仿真波形。文獻[6]應(yīng)用瞬時功率檢測理論將采集的功率實時解耦成有功和無功分量，利用功率和開關(guān)量的關(guān)系對有功和無功分別控制，通過仿真驗證了控制的有效性。上述仿真效果都還可以進一步改善。
本文通過研究STATCOM 的工作原理，根據(jù)三角載波直接電流控制方法，搭建Matlab 仿真模型進行研究，驗證其控制和補償效果。
2.STATCOM 的工作原理
簡單地說，STATCOM 的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。從結(jié)構(gòu)上說STATCOM 分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。實際上，由于運行效率的原因，實際應(yīng)用的大多采用的是電壓型橋式電路。因此STATCOM 專指采用自換相的電壓橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。裝置主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，功率開關(guān)器件采用具有自關(guān)斷能力的開關(guān)器件IGBT。
STATCOM 工作時通過電力半導(dǎo)體的開關(guān)通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，相當(dāng)于一個電壓型逆變器，在這里等效為一個幅值和相位可控的交流電壓源[7]。實際單相等效電路與相量圖如圖2 所示，考慮到電路損耗，可將損耗作為連接電抗器的電阻考慮。其中電網(wǎng)電壓和STATCOM 輸出的交流電壓為VS 和VSTA，電抗器電壓為VL，電抗器等效阻抗為R，感抗為X，電流為I。
由圖 2 分析可知，電網(wǎng)電壓VS 與電流I 的相位差不是90°，而是比90°小了δ 角，電網(wǎng)提供了有功功率來補充電路中的損耗，此時當(dāng)VSTA> VS 時，電流超前電壓，STATCOM 等效為連續(xù)可調(diào)的電容，為容性運行模式，吸收容性無功;當(dāng)VSTA
3.STATCOM 直接電流控制策略
STATCOM 的控制方法有電流間接控制和直接控制兩種[8]。間接電流控制是把STATCOM 視為電壓源，通過對變流器側(cè)所產(chǎn)生交流電壓基波的相位和幅值的控制，來間接控制的交流側(cè)電流。通過調(diào)節(jié)輸出電壓和系統(tǒng)電壓的相位差δ，或者結(jié)合控制脈沖寬度θ對系統(tǒng)進行補償;直接電流控制是采用跟蹤型PWM技術(shù)對電流波形的瞬時值進行反饋控制。由于間接電流控制方法相對簡單，控制精度不高，響應(yīng)速度較慢，而直接電流控制方法能夠快速響應(yīng)，且有很高的控制精度，能夠達到間接控制實現(xiàn)不了的效果，故本文選擇直接電流控制方法。
圖 3 為瞬時無功及諧波電流檢測框圖，其中Ia、Ib、Ic 是三相負載電流，Udcref 為設(shè)定直流側(cè)電壓參考值，Udc 為檢測到的直流側(cè)電壓。首先Ia、Ib、Ic 通過進行abc 三相坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-β 兩相坐標(biāo)，求得ip 和iq，該過程包括檢測a 相電壓Ua，并通過鎖相環(huán)節(jié)PLL獲取與a 相電壓同相位的正余弦信號。為獲取電流諧波和無功信號，斷開無功通道iq(即令iq=0)，并將直流側(cè)控制信號與濾波后有功信號ip 相比較作為有功通道信號ip*，經(jīng)過坐標(biāo)反轉(zhuǎn)變?yōu)閍bc 三相坐標(biāo)，計算出基波有功電流信號。
跟蹤型PWM 控制技術(shù)可以采用滯環(huán)比較方式，也可采用三角波比較方式[9,10]。在調(diào)制環(huán)節(jié)中，滯環(huán)調(diào)制中開關(guān)頻率會隨補償電流變化而變化，從而引起較大的脈動電流和開關(guān)噪聲，而采用三角波調(diào)制法，開關(guān)頻率等于三角載波頻率，脈動電流小，并且輸出電壓中所含諧波較少?；谏鲜鰞?yōu)勢，本文采用三角波比較方式。三角波比較控制是將檢測得到的電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波相比較，所得到的脈沖作為逆變器各開關(guān)器件的控制信號，從而在逆變器輸出端獲得所需的電流波形，其詳細控制流程如圖4 所示。
圖 4 所示的控制方式與其它用三角波作為載波的PWM 控制方式不同，它不直接將指令信號與三角波比較，而是將指令電流與補償電流的偏差經(jīng)放大器A后再與三角波比較。放大器A 往往采用比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統(tǒng)可以把偏差信號控制為最小。
上述三角載波直接電流控制方法該可以實現(xiàn)無功和諧波的同時補償，而直流側(cè)電壓的控制可以使直流側(cè)的電壓保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的補償效果。
4.建模及仿真分析
本文利用MATLAB 7.1 的Simulink 元件庫搭建線電壓為220V/50Hz 的STATCOM 的仿真模型，如圖5所示，該模型主要包括電源模塊、負載模塊、檢測模塊和控制模塊四個部分。其中負載模塊由兩部分組成，一部分是整流型負載，模擬產(chǎn)生電流型諧波;另一部分為無功負載，設(shè)置在0.1s 投入該負載模擬電網(wǎng)中無功的變化。
圖 6 為補償前后A 相電壓電流波形。由圖(a)可以看出，補償前整流型負載產(chǎn)生的諧波較為明顯，0.1s 時無功負載的投入也引起了電流的變化。圖(b)為補償后的電壓電流波形，補償后系統(tǒng)在0.02s 趨于穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)在0.1s 接入一無功負載引起波動時，補償裝置能夠迅速響應(yīng)，達到很好的補償效果。圖(b)中前0.02s 的波動是由于裝置剛投入時的沖擊引起的。
以看出，補償前電流畸變率為21.80%，比較嚴(yán)重。而補償后能夠降低到2.45%，電流質(zhì)量明顯得到改善。圖 8 為補償前后A 相電路的功率因數(shù)變化情況，圖(a)(b)比較可得，補償穩(wěn)定后A 相電路的功率因數(shù)基本為1，可見STATCOM 對無功功率具有良好的補償性能。
圖 9 為補償過程中的電流跟蹤效果，即發(fā)出的無功電流與檢測的指令信號比較。由圖可以看出，該裝置發(fā)出的無功電流與指令信號在0.01s 后基本上已經(jīng)重合，實現(xiàn)了精確、快速的跟蹤效果。
圖10 為直流側(cè)電容電壓波形，補償穩(wěn)定后，直流側(cè)電容電壓能夠穩(wěn)定到設(shè)定值，而且當(dāng)負載突然投入后，仍可以快速穩(wěn)定到設(shè)定值。
5.結(jié)論
本文通過對STATCOM基本工作原理的分析以及三角波調(diào)制直接電流控制方法的研究，利用MATALB仿真軟件搭建仿真模型，詳細分析了STATCOM 對整流型負載電路的無功及諧波的補償特性。仿真結(jié)果表明，STATCOM 采用直接電流控制策略達到了對無功及諧波電流的快速跟蹤效果，對系統(tǒng)無功及諧波具有良好的補償特性。