基于電流間接控制的STATCOM系統(tǒng)仿真研究

摘要：靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)因具有無(wú)功補(bǔ)償響應(yīng)速度快、連續(xù)調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中重要的補(bǔ)償設(shè)備之一。對(duì)不同控制策略STATCOM的補(bǔ)償效果進(jìn)行研究是誼領(lǐng)域值得關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。在此對(duì)STATCOM主電路進(jìn)行四重化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低諧波含量，控制策略上采用電流間接控制方法，在Matlab／Simulink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償系統(tǒng)的建模和仿真，通過(guò)比較補(bǔ)償前后系統(tǒng)功率因數(shù)的變化，驗(yàn)證了所采用控制策略的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；電流間接控制；電流直接控制；柔性交流輸電系統(tǒng)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，對(duì)電能質(zhì)量要求也日益嚴(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(wèn)題。靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要設(shè)備之一，在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、提高功率因數(shù)、增加傳送容量等方面發(fā)揮著重要的作用，代表著無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。STATCOM主電路架構(gòu)不同、控制策略不同的對(duì)應(yīng)著不同的補(bǔ)償效果和成本。

1 STATCOM工作原理簡(jiǎn)述
采用STATCOM進(jìn)行補(bǔ)償無(wú)功具有連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大、控制響應(yīng)精準(zhǔn)快、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理圖如圖1所示。STATCOM主電路由逆變器和直流側(cè)電容構(gòu)成，經(jīng)變壓器接入電力系統(tǒng)。在理想情況下STATCOM裝置等效為“可控電壓源”，設(shè)其輸出電壓為UI，系統(tǒng)電壓為US，兩者同相位。當(dāng)UI>US時(shí)，電流從系統(tǒng)流向STATCOM且電流相位超前系統(tǒng)電壓90。，裝置輸出感性無(wú)功；反之，當(dāng)UIUS時(shí)，電流從STATCOM流向系統(tǒng)且電流相位滯后系統(tǒng)電壓90°，裝置吸收感性無(wú)功；當(dāng)UI=US時(shí)，系統(tǒng)與STATCOM之間的電流為0，不交換無(wú)功功率。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，STATCOM從系統(tǒng)吸收的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算公式如下：

式中：US是系統(tǒng)電壓；R是系統(tǒng)等效電阻；δ是系統(tǒng)電壓和裝置輸出電壓之間的相位差。當(dāng)δ0，Q0吸收容性無(wú)功；當(dāng)δ>0，Q>0吸收感性無(wú)功。通過(guò)調(diào)整δ，就可對(duì)STATCOM的無(wú)功功率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

2 STATCOM的間接電流控制策略
根據(jù)是否直接控制輸出電流來(lái)分，STATCOM可分為電流直接控制和電流間接控制兩種控制策略。間接電流控制是指對(duì)STATCOM裝置中逆變器所產(chǎn)生的交流電壓基波的相位和幅值的控制，以此來(lái)間接控制STATCOM交流側(cè)電流。間接電流控制分為單δ控制和δ與θ配合控制。采用單δ控制時(shí)，雖然簡(jiǎn)單有效，但忽略了對(duì)θ的控制，使得直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定困難、損耗增加。在δ與θ配合控制中，δ角的控制用于無(wú)功功率控制，而對(duì)θ角進(jìn)行控制可起到維持電容電壓穩(wěn)定的作用。因此可對(duì)無(wú)功功率控制采用逆系統(tǒng)非線性PI方法，對(duì)STATCOM直流側(cè)電容電壓采用傳統(tǒng)的PI控制方法，兩個(gè)控制環(huán)互相獨(dú)立，互不干擾。

圖2為δ與θ配合的逆系統(tǒng)PI控制框圖。圖中，三相瞬時(shí)電壓uA,B,C和瞬時(shí)電流iA,B,C，經(jīng)過(guò)α，β變換和瞬時(shí)無(wú)功功率計(jì)算得到補(bǔ)償無(wú)功功率Q，并與參考補(bǔ)償無(wú)功功率Qref進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)得到控制量δ，參考電壓uref與直流側(cè)電壓udc進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)得到控制量θ，將控制量δ和θ作為控制參數(shù)輸入STATCOM控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)模型搭建及仿真結(jié)果分析
通過(guò)以上對(duì)STATCOM的原理和控制策略的分析，在此將在Matlab／Simulink環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的建模仿真。Matlab／Simulink被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的建模和仿真中。