DSTATCOM补偿电流检测算法与仿真研究

陆海强;叶森;郭振;张有兵;谢路耀;徐偲

【摘 要】针对配电网三相负荷不平衡对整个台区造成的危害,采用电力电子型装置来治理不平衡问题,对DSTATCOM补偿电流检测算法进行了研究.首先建立了电容式DSTATCOM的数学模型,然后提出了一种基于瞬时对称分量法的补偿电流检测方法,分析了直流侧电压稳定及直流侧上下电容的均压问题对指令电流检测的影响,最后通过Matlab/Simulink搭建了仿真模型,仿真结果表明,本文所提基于瞬时对称分量法的电流检测算法能够在线性不平衡环境下准确检测出所需的指令电流,并具有良好的检测精度,证实了该方法的正确型与有效性. 【期刊名称】《电子设计工程》 【年(卷),期】2018(026)017 【总页数】5页(P107-111)

【关键词】配电网;三相负荷不平衡;检测算法;三相四线制;瞬时对称分量法 【作 者】陆海强;叶森;郭振;张有兵;谢路耀;徐偲

【作者单位】嘉兴市恒创电力设备有限公司技术研发中心,浙江嘉兴314033;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;嘉兴市恒创电力设备有限公司技术研发中心,浙江嘉兴314033;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023 【正文语种】中 文

【中图分类】TN701

三相四线制配电系统被广泛应用于低压住宅区、商业综合体以及生产设施。而供电系统中的大部分负载为单相负载，如家用电器、办公自动化设备、小型电机的速度驱动器等。这些单相不平衡、非线性负载大量接入配电系统，不可避免地会引起电网的谐波问题和三相不平衡问题[1]。配电网长期运行于三相不平衡状态，不仅会大大增加系统的线路损耗，降低电网运行效率，而且会造成配电变压器损耗增加，中性点电流增大，导致用户用电设备的烧毁，给我们安全生产带来安全隐患和社会压力[2]。目前，针对配电网三相不平衡问题，国网运检部给出了3种治理三相负荷不平衡的治理方案，包括换相开关，相间电容补偿以及电力电子装置补偿[3-5]。其中DSTATCOM作为一种治理三相电流不平衡问题的新型电力电子装置，具有优良的性能，在电能质量领域中得到了广泛的研究。而指令电流的精确检测是DSTATCOM正常工作的前提，其检测精度直接影响补偿效果。文献[6-7]采用神经网络算法来检测指令电流，该方法虽然通过不断的样本训练，能够适应不同的电网环境，但其计算量庞大，响应速度慢，在实际工程中还没有具体应用，仅仅停留在仿真研究阶段。文献[8-10]采用基于瞬时无功理论的检测方法，该方法需要大量的坐标变换及其反变换，算法复杂，计算量较大，对硬件的处理速度要求较高。 针对以上算法存在的问题，本文提出一种基于瞬时对称分量法的补偿指令电流检测方法，它不用像瞬时无功理论需要繁琐地定义瞬时功率、坐标变换和设计复杂的锁相环模块，且各物理量意义明确，大大减小了算法的计算量。同时，基于瞬时对称分量理论的检测方法能够应用各种单相、三相含谐波源的电网，具有良好的适用性。 1 电容式DSTATCOM建模

电容式DSTATCOM结构图如图1所示[11]。 图1 电容式DSTATCOM结构图

其中vsa、vsb、vsc为三相电网电压，isa、isb、isc为三相电网电流，ila、ilb、ilc为负载电流，Rla与Lla、Rlb与Llb、Rlc与Llc模拟配电网三相不平衡负荷，三相全桥不控整流桥来模拟系统的谐波源。isn、iln、ifn分别为电源侧中性线电流、负载侧中性线电流及滤波器中性线电流。Lf、Rf为DSTATCOM交流输出侧滤波电感及等效电阻。

本拓扑采用三相四线制接线方式，其每一相可以控制，因此可以将它等效成3个非耦合的单相半桥逆变电路。为简化分析过程，本文只分析了A相的工作原理，其等效电路如图2所示。 图2 A相电路等效模型

在这里，假设DSTATCOM直流侧C1电容两端的电压为电容两端的电压为vc2 ，设定电感和电阻的电压电流方向为关联参考方向。当上桥臂导通，下桥臂关断时，应用基尔霍夫电压定律（KVL）可得：

同理，当上桥臂关断，下桥臂导通时，应用KVL可得到

建立A相开关函数模型:

整理并合并（1）和（2）两个关系式可得：

根据基尔霍夫电压定律（KCL），对直流侧正负母线上的电流列写方程得：

根据直流侧两电容电压电流关系可得：

式（5）代入式（6），再括号内两式相加，同时为便于系统建模，我们假设直流

侧上下两电容均为理想电容，且他们的电容值相等，并令C1=C2=C。得到：

通过以上分析，建立了DSTATCOM的数学模型。 2 补偿指令电流检测算法及控制策略

如图1所示，设定电网的正序、负序、零序电压分别为电网的正序、负序、零序电流分别为以上所有电压电流均为瞬时量；“x”代表电压电流的相序；由瞬时对称分量法得到A相电压、电流和其对应的序分量关系如下[12]：

其中，“a ”表示旋转因子ej2π/3 。

要使补偿之后的系统为三相平衡对称的系统，应满足以下几个条件： 条件1：补偿后任意每个时刻系统零序电流为0。

其中为补偿后的三相电流。

条件2：补偿后系统满足指定功率因数。

其中：θ为功率因数角。即: 化简得

其中：特别地，当取θ为0时，补偿后的功率因数为1，即无功功率达到全补偿。 联立式子（9）（13）求出正序电流

其中由于电网电压是正弦波形，因此对于任意时刻都有

ps=vsaisa+vsbisb+vscisc，即当前时刻电源提供的有功功率。

条件3：当系统稳定工作时，如果忽略线路有功损耗、STATCOM开关损耗等各种损耗，STATCOM直流侧电压维持稳定就不需要有功功率支撑，那么所有负载的有功功率都由电网提供。为了提高检测的精度，对计算得到的有功功率进行滑动平均值滤波，与传统的低通滤波器相比，能够大大降低计算量，提高系统的实时性及动态性能。用plav代表负载消耗的平均功率，psav代表电源消耗的平均功率，即有于是得到STATCOM的参考补偿电流：

直流侧电压的稳定性是维持STATCOM正常工作的重要保证[13]。条件3是在不考虑STATCOM各种损耗的情况下得到的，在实际的变流器中，这部分损耗是不可避免的，也是导致直流侧电压波动的原因。本文采用PI控制器对直流侧进行电压控制。

如式（16），将给定的参考电压信号与实际电压信号vdc作为PI控制器的输入，控制器的输出作为STATCOM有功损耗的一部分，叠加到电网的有功功率上。 条件4：直流侧上下两电容电压的均衡控制。电容式DSTATCOM的直流侧有上下两个电容，根据式（7），交流分量只会引起直流侧两电容的电压波动；但由于上下电容的性能差异，信号调理电路中运算放大器的零偏，温漂等因素，导致补偿系统中存在零序直流分量时，就会引起上下两电容电压不均衡，从而造成STATCOM无法正常工作。因此，需再加入直流侧均压控制。

如式（17），将直流侧上下两电容电压作差vdc1、vdc2，作为PI控制器的输入信号，控制器的输出信号为零序电流的直流偏置分量，叠加到指令电流上。 综合考虑上述直流侧电压的稳定性以及直流侧上下电容的均压问题，得到A相的参考补偿参考电流如下：

同理可以求出B相和C相的指令电流。基于上述得到的指令电流，将其与变流器交流侧电流一起送入PR控制器[14-15]，并通过3DSVPWM调制方法[16-17]得到DSTATCOM所需的控制脉冲信号，实现对配电网无功、谐波和三相不平衡的补偿。

图3 基于瞬时对称分量法的控制系统框图 3 仿真分析

为了验证本文所提基于瞬时对称分量方法的指令电流检测算法的正确性与可行性，利用Matlab/Simulink仿真平台，建立图1所示的模型，分别在三相不平衡的纯阻性负载，阻感性负载以及含谐波不平衡阻感负载的情况下进行了仿真测试。其仿真模型参数如表1所示。

表1 仿真模型参数数值220 V，50 Hz 800 V 3300 μF 2 mH 0.5 Ω 10 kHz系统参数电网电压额定值Vsnom直流侧电压Vdcref直流母线电容C1、C2滤波电感Lf损耗的等效电阻Rf开关频率K 情况1：带线性不平衡纯阻性负载

本情况模拟配电网台区已有的无功补偿设备已对台区无功负荷实现就地全补偿的情形，设置负载分别为10 Ω，20 Ω，30 Ω 。其仿真结果如图4所示，在0.04 s前，ABC三相电流幅值分别为31 A，16 A，10 A，三相电流严重不平衡，其中零序电流最大达到20 A，0.04 s时，闭合三相断路器将DSTATCOM投入系统，经过40 ms，三相电网电流达到平衡，零序电流基本消除。 情况2：带线性不平衡阻感性负载

本情况模拟配电网台区已有的无功补偿设备对台区无功负荷进行了无功补偿，但功率因数未达到1的情形，设置阻感负载分别为10+10jΩ，20+15jΩ，30+20jΩ。仿真结果如图5所示，在0.04 s前，ABC三相电流分别为23 A，13 A，9 A，功

率因数不为1。在0.04 s时，闭合断路器将DSTATCOM投入系统，经过60 ms三相电网电流达到平衡，且剩余的无功功率全部被补偿掉。 图4 不平衡纯阻性负载下的补偿前后波形 图5 不平衡阻感性负载下的补偿前后波形 情况3：带含谐波的不平衡阻感负载

本情况模拟配电网台区存在谐波负载且无功补偿不足的情形，设置三相阻感负载分别为10+10jΩ，20+15jΩ，30+20jΩ。谐波源用三相不控全桥整流电路来代替，其中直流侧电阻为10 Ω。其仿真结果如图6所示，在0.04 s前，ABC三相电网电流严重畸变不平衡且功率因数不为1，0.04 s时投入DSTATCOM，经过40 ms三相电网电流达到平衡，各相功率因数达到1，谐波基本消除。 4 结论

本文针对配电网台区三相负荷不平衡问题做了大量理论分析，建立了电容式STATCOM的数学模型，提出了一种基于瞬时对称分量法的补偿电流检测方法。该方法与其他方法相比，无需定义瞬时功率以及设计复杂的锁相环模块[18-20]，且各物理量明确，补偿电流只需经过简单数值计算就可以得到，大大降低控制器的计算量，提高响应速度。最后，利用Matlab/Simulink仿真工具对所提方法在不同负载情况下进行了仿真验证，仿真结果验证了该方法的正确性与可行性。 图6 含谐波不平衡阻感性负载下的补偿前后波形

【相关文献】

[1]姚伟，刘彦彦，王兵维，等.低压线路三相符合不平衡电容补偿算法及仿真研究[J].电子设计工程，2017（10）:157-160.

[2]卢志亮.三相负荷不平衡对城中村线损的影响分析[J].电工技术，2016（2）:65-67.

[3]方恒福，盛万兴，王金丽，等.配电台区三相负荷不平衡实时在线治理方法研究[J].中国电机工程学报，2015，35（9）:2185-2193.

[4]陆惠斌，徐勇，伍宇翔，等.基于换相技术的三相不平衡治理装置研究[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（6）:-69.

[5]周恒逸，齐飞，毛柳明，等.基于SVG调节配变三相不平衡电流的应用研究[J].高压电器，2016（5）:48-53.

[6]单冬红，蔡琪，鲁书喜，等.基于BP神经网络的谐波电流检测方法研究[J].电子设计工程，2016，24（10）:42-44.

[7]崔小白.基于BP神经网络的新型电力谐波检测方法[J].电工电气，2016（11）:11-15. [8]韦钢，陈森环，蔡阳，等.基于瞬时无功功率理论的三相不平衡负荷补偿[J].电力自动化设备，2010，30（2）:59-63.

[9]袁洪德.基于瞬时无功功率理论的有源电力滤波器谐波和无功检测的研究[D].天津：天津理工大学，2015.

[10]王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社2012. [11]周晨，郑益慧，王昕，等.基于双环控制器的电容式三相四线制DSTATCOM控制方法[J].电力自动化设备，2014，34（8）:114-121.

[12]王晖，常鲜戎，郑焕坤.基于改进瞬时对称分量与三点算法的相量测量新算法[J].电力系统保护与控制，2011，39（19）:115-120.

[13]谢斌，戴珂，张树全，等.并联型有源电力滤波器直流侧电压优化控制[J].中国电机工程学报，2011，31（9）:23-29.

[14]王裕，刘翔，谢运祥，等.三相四线制系统3DSVPWM调制策略优化设计[J].华南理工大学学报：自然科学版，2015，43（8）:21-28.

[15]陈灵奎，杜炜，徐明珂等.基于3D-SVPW M调制的混合型有源电力滤波器的研究[J].低压电器，2013，（9）:55-58.

[16]黄鹃敏，张有兵，谢路耀，等.矢量谐振控制器在并联有源滤波器中的应用[J].机电工程，2016，33（9）:1130-1134.

[17]徐海亮，廖自力，贺益康，等.比例-谐振控制器在PWM变换器应用中的几个要点[J].电力系统自动化，2015（18）:151-159.

[18]郭红霞，丁李利，范如玉，等.电路级模拟技术在SRAM型FPGA总剂量效应敏感性预测中的应用[J].现代应用物理，2018（1）：84-.

[19]齐文军.面向无线通信收发系统的锁相环设计[J].电子科技，2017，30（11）：117-119. [20]吴帅，杨文焕，陈斌，等.三相电压锁相环模块化自动代码生成[J].电子科技，2015，28（7）：31.