基于鏈?zhǔn)絊TATCOM的三相不平衡負(fù)載的平衡化補(bǔ)償

1、基于鏈?zhǔn)絊TATCOM的三相不平衡負(fù)載的平衡化補(bǔ)償 羅承廉，林烽，劉遵義，紀(jì)勇，劉文華 (河南省電力調(diào)度通信中心，河南鄭州) 摘 要：鏈?zhǔn)絊TATCOM由于具有分相控制能力、輸出無(wú)功電流諧波含量低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而適合于不平衡負(fù)荷的平衡化補(bǔ)償。文中給出了采用鏈?zhǔn)絊TATCOM實(shí)現(xiàn)平衡化補(bǔ)償?shù)闹麟娐方Y(jié)構(gòu)及電壓無(wú)功綜合控制方法。三相補(bǔ)償電流相量采用對(duì)稱分量法通過(guò)矢量變換獲得，單相無(wú)功功率采用單相瞬時(shí)無(wú)功功率算法得到，鏈?zhǔn)侥孀兤鞑捎锰囟ㄖC波消除PWM算法(SHEPWM)以保證輸出無(wú)功電流的諧波總畸變率小于5，同時(shí)保證直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定。對(duì)所給出的補(bǔ)償方法進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了鏈?zhǔn)絊TATCO

2、M進(jìn)行快速平衡化補(bǔ)償?shù)哪芰?關(guān)鍵詞：無(wú)功發(fā)生器；不平衡負(fù)載；平衡化補(bǔ)償 Balancing compensation of 3Ph unbalanced load with cascade inverters based STATCOMLUO Chen - lian, LIN Feng,LIU Zun-yi,JI Ying ,LIU Wen-hua(Henan Electric Power Dispatching and Communication Center,Zhingzhou ,China) Abstract：Dueto the separate phase controlcapabil

3、ity，thelowoutput current harmonics andfastresponse characteristics，cascadeinvertersbased STATCOMissuitable for balancing compensation of3Ph unbalanced loadMain circuitconfiguration and integrative voltagereactivepowercontrolschemefor balancing compensation with cascadeinverters based STATCOMis propo

4、sedThe 3Ph compensation currentis obtained through vectortransform with symmetrical weight methodThe single phase reactive poweris calculated with single phaseinstantaneousreactive power conceptSelective harmonics eliminated PWM(SHEPWM)is employedto ensure thatthe THDofoutputcurrentislessthan5and th

5、e DCvoltage is controlledSimulation results provethefastresponse of outputreactive powerfor balancing the unbalancedload Key words：STATCOM；unbalancedload；balancing compensation1引言在電網(wǎng)中，存在著很多種類的三相不平衡負(fù)荷，其電壓、電流不平衡可能給系統(tǒng)中的用戶帶來(lái)多種危害1。為了減輕不平衡負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)造成的危害，出現(xiàn)了多種解決方案。其中比較常見的是使用SVC來(lái)進(jìn)行分相電納(無(wú)功)補(bǔ)償2。SVC雖然具有成本較低，響應(yīng)速度也較

6、快的優(yōu)點(diǎn)，但是它也具有幾個(gè)重要的缺點(diǎn)：1)其中含有較多的無(wú)源器件電抗器或者電容器，體積龐大。2)SVC本身產(chǎn)生低次諧波電流，需要安裝濾波器。3)SVC輸出無(wú)功與系統(tǒng)電壓的平方成正比，系統(tǒng)電壓下降較多時(shí)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)提供足夠的無(wú)功支持。本文給出了一種新型的基于鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器的分相補(bǔ)償不平衡負(fù)載的方法。這種方法可以對(duì)任何三相不接地不平衡負(fù)載進(jìn)行平衡化補(bǔ)償，不平衡的有功功率及全部無(wú)功功率均可以被補(bǔ)償，使得經(jīng)補(bǔ)償后該負(fù)載對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)平衡的有功負(fù)載。和SVC裝置相比，該裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：1)采用無(wú)功發(fā)生器發(fā)出無(wú)功，而不是靠電容、電抗補(bǔ)償無(wú)功，使得裝置體積小，重量輕；2)裝置發(fā)出的無(wú)功電流諧波含量小，電流

7、諧波總畸變率(THD)小于5，不需對(duì)裝置2基于鏈?zhǔn)絊TATCOM的不平衡負(fù)載平衡化補(bǔ)償?shù)脑砣魏稳嗖唤拥氐牟黄胶庳?fù)載，都可以轉(zhuǎn)換為等效的三相三角形接線。每相負(fù)載都可以通過(guò)與之并聯(lián)合適的電容電感來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的平衡化補(bǔ)償。補(bǔ)償并不改變供電電源與負(fù)載間的有功交換。SVC就是采用并聯(lián)電容或電抗補(bǔ)償不平衡負(fù)載的一種方法。同樣，鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器也可用于補(bǔ)償不平衡負(fù)載。下面先介紹鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器的基本原理。圖1給出了鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器與供電電源系統(tǒng)的連接圖，其中Us代表系統(tǒng)電壓，Ul代表鏈?zhǔn)侥孀兤鬏敵鲭妷旱幕ǚ至俊＠硐肭闆r下(逆變器損耗為0)，只要控制逆變器輸出電壓大小，就可以控制逆變器與系統(tǒng)交換無(wú)功的大小和方向

8、，因而也就可以應(yīng)用于不平衡負(fù)荷補(bǔ)償。 實(shí)際逆變器損耗并不為0，穩(wěn)態(tài)時(shí)有：式中，Km為逆變器輸出電壓基波有效值與直流電壓之比(稱為調(diào)制比)，Ud為直流電壓，Qs為STATCOM輸出到系統(tǒng)的無(wú)功功率，arctan(XR)，為Us領(lǐng)先Ul的相角。由(1)(2)式可知，只要同時(shí)控制角和Km，就可以控制鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率大小和方向，且可以保持直流電容電壓的穩(wěn)定。3采用鏈?zhǔn)綗o(wú)功發(fā)生器的平衡化補(bǔ)償主電路如圖2所示，三相鏈?zhǔn)侥孀兤髋c連接電抗接成三角形，每個(gè)單相橋的電容獨(dú)立。每相鏈?zhǔn)侥孀兤饔蒒(N1，2，)個(gè)單相電壓型逆變橋輸出端串聯(lián)組成?；阪?zhǔn)侥孀兤鞯臒o(wú)功發(fā)生器有如下優(yōu)點(diǎn)： 1)采用普通變壓

9、器或直接接入系統(tǒng)，避免了多重化變壓器，減小了占地面積，降低了裝置成本； 2)可以現(xiàn)分相控制，實(shí)現(xiàn)不平衡補(bǔ)償； 3)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)展裝置容量； 4)采用冗余功率模塊，提高了裝置可靠性； 5)避免了多重化逆變變壓器激磁回路中剩磁和飽和非線性導(dǎo)致的裝置過(guò)電壓和過(guò)電流。4控制算法及實(shí)現(xiàn)為了控制無(wú)功發(fā)生器輸出補(bǔ)償所需要的無(wú)功功率，就需要知道每相負(fù)載各需要的無(wú)功功率補(bǔ)償量。用負(fù)載線電流表示的每相需要補(bǔ)償?shù)碾娂{為： 而每相需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳛椋?通過(guò)對(duì)稱分量法的矢量變換，可得到除正序電流相量的實(shí)部(即有功分量)以外的電流分量(包括正序電流相量的虛部和負(fù)序電流相量)，作為由補(bǔ)償裝置提供的補(bǔ)償電流。圖3給出

10、了對(duì)稱分量法的矢量變換框圖4。 獲得所需要的每相補(bǔ)償電流后，就可以構(gòu)造出采用需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率作為反饋量的閉環(huán)控制框圖。單相無(wú)功功率的測(cè)量采用單相瞬時(shí)無(wú)功功率求解方法以確保測(cè)量的快速性5。圖4給出了采用無(wú)功功率做反饋量的無(wú)功補(bǔ)償控制算法框圖。圖中Iref為需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流值。在實(shí)際應(yīng)用中，除對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡化補(bǔ)償外，還應(yīng)對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行控制以保證其穩(wěn)定，因此應(yīng)采用如圖5所示的電壓無(wú)功綜合控制方法，即采用給定電壓與實(shí)際電壓的差值作為部分無(wú)功給定值，以兼顧電壓穩(wěn)定控制。圖5中，Us為三相電壓均方根值。由于三相直流電容獨(dú)立，因此可以采用脈沖幅度調(diào)制(PAM，即只控制脈沖相位，脈沖寬度固定)或脈寬調(diào)制(PW

11、M，既控制脈沖相位，又控制脈沖寬度)為了在低的開關(guān)頻率下保證輸出無(wú)功電流最小化，應(yīng)采用SHEPWM調(diào)制3。5仿真研究為了驗(yàn)證采用電壓無(wú)功綜合補(bǔ)償控制的不平衡負(fù)載平衡化補(bǔ)償效果，采用每相由一個(gè)單相逆變器組成的STATCOM電路模型對(duì)不平衡負(fù)荷補(bǔ)償進(jìn)行了仿真研究，系統(tǒng)電壓為三相380 V。仿真采用PSCAD軟件。逆變器采用SHEPWM調(diào)制，開關(guān)頻率為500 Hz。負(fù)載包括兩部分，一為接成星型的對(duì)稱電阻性負(fù)荷，每支路電阻為20；另一部分是波動(dòng)性感性負(fù)荷，電抗值在78 mh到157 mh之間波動(dòng)。51動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性圖6為一隨機(jī)波動(dòng)的不平衡負(fù)荷電流波形，圖7為投入補(bǔ)償后系統(tǒng)電流波形?？梢?，STATCOM可

12、以快速的補(bǔ)償波動(dòng)的不平衡負(fù)載。52綜合補(bǔ)償特性采用如圖5所示的綜合補(bǔ)償控制方法時(shí)的補(bǔ)償效果見圖8和9。負(fù)載情況與穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償時(shí)相同。圖8為補(bǔ)償前(虛線)后(實(shí)線)的負(fù)載相電壓均方根值波形，圖9為補(bǔ)償后系統(tǒng)電流波形?？梢?，采用綜合補(bǔ)償可以在補(bǔ)償不平衡的同時(shí)兼顧負(fù)載電壓的穩(wěn)定。6結(jié)論 鏈?zhǔn)絊TATCOM由于具有分相控制能力、輸出無(wú)功電流諧波小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而適合于不平衡負(fù)荷的平衡化補(bǔ)償。各相補(bǔ)償電流可以通過(guò)采用對(duì)稱分量法的矢量變換得到。為了在較低開關(guān)頻率下保證輸出電流諧波畸變較小并保持電容電壓穩(wěn)定，應(yīng)采用SHEPWM脈沖調(diào)制方法。仿真結(jié)果表明，所提綜合補(bǔ)償控制方法可有效地對(duì)負(fù)載電壓波動(dòng)和不平衡特性進(jìn)行補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)1林海雪電力系統(tǒng)的三相不平衡M北京：中國(guó)電力出版社，19982胡雨辰通用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制器的研究碩士學(xué)位論文北京：清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，20013Jian SunHorst GrotstollenSolving No