基于MATLAB的配电网静止同步补偿器仿真研究

摘要：介绍了一种采用直接电流控制的用于改善中低压配电网电压质量的新型静止无功发生器（DSTATCOM），其主电路采用基于VSI-SPWM结构的电压型逆变器，指令电流的运算和补偿电流的控制均采用同步旋转参考坐标系。重点论述了DSTATCOM用于抑制电压跌落和电压闪变两种常见的电压质量问题。根据无功指令电流形成的不同方法，DSTATCOM有电流控制模式和电压控制模式两种运行模式。在两种运行模式下对DSTATCOM抑制电压跌落和电压闪变进行了仿真研究，仿真结果表明，电流控制模式适合于抑制电压闪变，而电压控制模式适合于抑制电压跌落。

关键词：配电静止同步补偿器；电压质量；电压跌落；电压闪变；matlab

0 前言

电压质量问题是配电网中常见而又严重的电能质量问题配。配电网发生短路故障或大电机的启动会引起电压跌落，同时电网中大量使用的冲击性、波动性负荷会引起电压闪变等电压质量问题。这些电压质量问题会导致电压敏感性用电设备的工况恶化而受到损害，甚至使其退出运行，给企业造成巨大的经济损失。如何有效的改善上述电压质量问题成为了电能质量领域研究的热点 。因此，开展对电压质量问题的研究具有重要的现实意义。

从补偿的角度来看，抑制电压跌落和电压闪变有效的措施是在公共供电点处安装无功补偿装置。传统的无功补偿装置，如TSC、TCR及其组合很难满足快速的动态的补偿无功补偿的要求。基于电力电子技术的新型静止无功发生器补偿性能好、响应速度快，被认为是一种很有发展前景的无功补偿装置。这种无功补偿装置已经在输电网中得到了应用，提高了输电网的输送容量、增强了系统的稳定性等 。在配电网中使用新型静止无功发生器主要是用来改善供电质量 。本文介绍了一种采用直接电流控制的基于VSI-SPWM结构的配电网用静止无功发生器（DSTATCOM），介绍了DSTATCOM系统的构成。对DSTATCOM的两种控制模式：电流控制模式和电压控制模式进行了分析，讨论了DSTATCOM用来抑制电压跌落和电压闪变适合的控制模式，并给出了两种控制模式下的仿真结果。仿真结果表明，直接电流控制的DSTATCOM可以用来改善电压质量，并指出电流控制模式适合于抑制电压闪变，而电压控制模式适合于抑制电压跌落。这一结论对DSTATCOM 的工程应用有一定的指导作用。

1 DSTATCOM的系统构成及工作原理

DSTATCOM的系统构成如图1所示，DSTATCOM装置由主电路、输出滤波电路、连接电抗器或变压器、控制电路和驱动电路构成。在中低压配电系统中，DSTATCOM的主电路拓扑一般采用单桥路三相电压型逆变器，电容C为直流侧储能元件，为逆变器的工作提供一个稳定的直流电压。功率开关器件可以选用开关频率较高的IGBT，并采用SPWM调制技术，有利于降低DSTATCOM装置的输出谐波含量。逆变器的输出电压经LC滤波器后施加到电网中（也可经变压器连接到电网）。控制及触发脉冲形成电路和无功电流（功率）检测电路可以由模拟电路、数字电流实现，也可由DSP器件实现。当DSTATCOM采用数字控制时，控制系统一般采用上下位机的体系结构，由作为上位机的工控机和下位机DSP组成。工控机完成电压、电流等电气量的实时监控，DSP主要完成信号采集和控制算法功能，并生成符合要求的脉冲触发信号。

图1 DSTATCOM系统构成

Fig.1 System configuration of DSTATCOM

DSTATCOM用来补偿因负荷中无功电流引起的电能质量问题或用来改善公共供电点电压质量时，主要是通过向电网注入一个与负载电流中无功电流分量大小相等方向相反的电流或者通过向电网公共连接点注入一定量的无功电流以改善公共连接点的电压质量。

2 无功电流的检测

无功电流检测是DSTATCOM装置的一个重要的环节。检测电路性能的好坏直接影响到整个DSTATCOM装置的补偿性能。本文只考虑DSTATCOM补偿基波无功的情形，并采用基于同步旋转参考坐标系下瞬时无功功率理论的无功电流检测方法。检测框图如图2所示。

图2 无功电流检测框图

abc静止坐标系中的电流 、 、 经派克变换后变换成旋转坐标系中的有功分量 和无功分量 。

3 DSTATCOM的控制系统和控制模式

本文采用DSTATCOM的电流直接控制方法，跟电流间接控制相比，电流直接控制具有响应速度快等优点，适合于开关频率较高的电力电子器件。DSTATCOM用来改善供电电压质量时的控制系统框图如图2所示。图中， 为DSTATCOM直流侧电容电压测量值， 直流侧电容电压给定值。 表示DSTATCOM发出的电流（补偿电流）， 为负载电流。 为公共供电点电压测量值， 为公共供电点电压给定值。

图3 控制系统框图

Fig.3 Block diagram of control system

本文重点论述电压跌落和电压闪变两种常见的电压质量问题。由上述的DSTATCOM的工作原理知，DSTATCOM抑制电压跌落和电压闪变的功能是通过向公共供电点注入满足要求的无功电流实现的。根据无功指令电流形成方法的不同，DSTATCOM有电流控制模式和电压控制模式两种运行模式。当无功指令电流由负载电流经Park变换获取时，称为电流模式；当无功指令电流由公共供电点电压测量值与给定值的误差经PI调节后形成时，称为电压控制模式。从图2中可以看到，控制器设置了运行模式切换开关，可以根据DSTATCOM的不同补偿对象选择相应的控制模式。在以下的仿真研究中将表明，不同的控制模式在改善不同的电能质量问题时其效果是有区别的。同时，考虑到DSTATCOM在实际运行中要消耗一小部分有功功率以及为了使装置在工作过程中直流侧电容电压的恒定，DSTATCOM控制系统采用了直流侧电容电压的闭环控制。直流侧电容电压的测量值与给定值的误差经PI调节后形成有功电流指令，控制DSTATCOM与系统交换部分有功功率，用来维持直流侧电容电压恒定。电流跟踪控制采用了常用的三角载波PWM控制方法。

4 仿真研究

4．1 仿真模型及参数

为了根据不同的补偿目的选择合适的DSTATCOM控制模式，在MATLAB环境中建立了DSTATCOM系统的仿真模型。仿真模型中的DSTATCOM系统构成如图1所示，控制系统采用图2所示的控制结构。在电流控制模式和电压控制模式下分别对DSTATCOM用来抑制电压跌落和电压闪变两种情况进行仿真。

仿真模型参数如下：

系统电压：380V，频率：50Hz

直流侧电容量：2200直流侧电容电压：800V

SPWM载波频率：10kHz

输出滤波电容：100输出滤波电感：0.5mH

连接电抗：0.2mH

4．2仿真结果及分析

图4给出了DSTATCOM用来抑制电压跌落的仿真结果。仿真过程中，在t=0.2ms时突加无功负荷用来模拟电机的突然启动。在t=0.5ms时增加的无功负荷切除。图4(a)为电流控制模式时PCC电压响应曲线，图4(b)为电压控制模式时PCC电压响应曲线。

图4 DSTATCOM抑制电压跌落的仿真结果

Fig.5 The RMS value of PCC voltage

when DSTATCOM used for mitigation voltage sag

从图4中可以看出，当DSTATCOM用来抑制电压跌落时，电压控制模式比电流控制模式具有更好的抑制效果。当工作于电流控制模式时，在负荷突加期间PCC电压不能维持在期望的电压值，而电压控制模式则能使PCC电压维持恒定。尽管电压控制模式在突加和切除无功负荷时PCC电压响应不如恒功率因数模式理想，但通过调整控制器参数或采用先进的控制方法，情况会有所改善。

图5为DSTATCOM用来抑制电压闪变的仿真结果。在仿真时，用一个8Hz的信号对电压幅值进行调制，来模拟电压闪变现象，调制时间段为0.2-0.5ms。图5(a)为电流控制模式时PCC电压有效值，图5(b)为电压控制模式时PCC电压有效值。

图5 DSTATCOM抑制电压闪变的仿真结果

Fig.5 The RMS value of PCC voltage

when DSTATCOM used for mitigation voltage flicker

从图5中可以看出，DSTATCOM工作于电流控制模式时比电压控制模式有较好的抑制电压闪变能力。

5 结论

通过本文的研究，可以得出如下结论：

①DSTATCOM作为一种电力系统并联补偿装置除了能抑制谐波、补偿不平衡和补偿功率因数外，还能有效的抑制电压跌落和抑制电压闪变等电压质量问题；

②DSTATCOM用于改善配电网电压质量问题时，其改善的性能与DSTATCOM的控制模式有关。研究结果表明，电流控制模式适合于抑制电压闪变，而电压控制模式适合于抑制电压跌落；

③本文的研究结果对DSTATCOM装置在工程应用方面也有一定的借鉴作用，可以根据DSTATCOM的不同补偿目的选择合适的控制模式。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。