补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究

(2009) 06-0055-06 中图分类号：TM 761 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40 文章编号：0258-8013

补偿配电网电压不平衡的

静止同步补偿器控制方法研究

罗安，欧剑波，唐杰，荣飞

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)

Research on Control Method of STATCOM for Grid Voltage Unbalance Compensation

LUO An, OU Jian-bo, TANG Jie, RONG Fei

(College of Electrical Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)

ABSTRACT: According to analyzing the negative equivalent circuit of the static synchronous compensator (STATCOM) in unbalanced distribution networks, a new cascade loop control strategy to regulate and balance the voltage at a distribution bus using a STATCOM device was proposed, based on a SPWM controlled voltage source inverter (VSI) connected to the distribution network through a inductor-capacitor (LC) filter. The proposed control strategy based on instantaneous power balancing algorithm and in which a negative sequence voltage control loop was introduced in parallel to the positive sequence voltage loop. The positive sequence voltage loop was used to regulate the voltage, while the negative sequence voltage control loop was used to balance the voltage. Besides，in order to gain a good control effect for the nonlinear and time-variant system,the neuron self-adaptive technology was used to adjust proportional-integral-derivative (PID) parameters. Simulation and experimental results were presented to verify the validity of the proposed control strategy.

KEY WORDS: static synchronous compensator; voltage unbalance; power balance; self-adaptive

摘要：将静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)经电感电容(inductor-capacitor，LC)滤波器滤波后并入电网来调整和平衡配电网电压，通过对电网电压不平衡条件下STATCOM的负序等效电路分析，提出一种新的正、负序电压双环叠加控制策略。正序电压控制环控制公共连接点电压为给定值，负序电压控制环实现公共连接点电压三相对称控制。新控制策略基于瞬时功率平衡思想，采用神经元自适应算法来整定比例积分微分(proportional-integral-

基金项目：国家863计划项目(2004AA001032)。

The National High Technology Research and Development Program of China(863 Programme)( 2004AA001032).

derivative，PID)控制参数，具有成本低、鲁棒性好等特点，可在电网电压不平衡时有效地调节和平衡配电网电压。仿真和实验结果表明该方法的有效性。

关键词：静止同步补偿器；电压不平衡；功率平衡；自适应

0 引言

随人们对电能质量要求的提高，配电网的电压调节和电压不平衡问题正受到越来越多的关注[1-5]。STATCOM因其在无功补偿及电压调节方面优越的性一般在设计STATCOM能成为近年来的研究热点[6-9]。

电压控制器时都假设电网电压是三相对称的，在这种条件下设计出的控制器在电网电压平衡时有良好的性能。然而，实际电网中不平衡情况普遍存在，当电网电压不对称时基于对称假设的控制器性能会变差，更严重的情况还会烧坏STATCOM装置[10-13]。STATCOM的不平衡控制可提高STATCOM在电网电压不对称条件下的生存能力，具有重要意义。

近年来，国内外同行对电网电压不对称时STATCOM的运行性能和不平衡控制策略进行了系列研究[14-17]，并取得了一些有意义的研究成果，可为配电系统中STATCOM不平衡控制的进一步深入研究和装置的开发提供借鉴。

文献[18]提出了一种基于瞬时功率平衡的直接电压控制策略用来调节电网电压，实现了电网电压

*+*+*+*+、iq到电压ed、eq 平衡时在d-q坐标系中电流id

的转换，该控制策略可避免传统电流控制策略中复

杂的数算，并且不需要电流传感器，从而降低了成本，遗憾的是该控制策略没有涉及到STATCOM用于公共连接点(point of common coupling，PCC)

56 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷

电压的不平衡补偿。

本文把静止同步补偿器经LC滤波器滤波后并入电网来调整和平衡配电网电压。在文献[18]的控制策略基础上，本文通过对电网电压不平衡条件下STATCOM的负序等效电路分析，提出一种新的正、负序电压双环叠加控制策略。其中正序电压控制环控制公共连接点电压为给定值，负序电压控制环实现公共连接点电压三相对称控制。新的控制策略基于瞬时功率平衡思想，采用神经元自适应算法来整定PID控制参数，具有成本低、鲁棒性好等特点，可在电网电压不平衡时有效地调节和平衡配电网电压。仿真和实验结果表明该方法的有效性。

1 基于瞬时功率平衡的正、负序双环叠加控

制策略

1.1 正序控制环电流–电压转换的推导

电网电压三相对称时，正序控制环电流–电压转换推导过程为[18]：用Rf、Lf表示输出滤波器和连

接电抗的等效电阻和等效电抗；P*+﹑Q*+

ee表示逆变器输出的有功功率和无功功率；P*+*+o﹑Qo表示公共连接点的有功功率和无功功率；P*+*+f﹑Qf表

示输出滤波器和连接电抗消耗的有功功率和无功

功率。根据功率平衡原理，逆变器输出功率应等于注入系统的功率和输出滤波器及耦合变压器等效电阻、电抗消耗的功率之和，即

P*+*+e=Po+P*+f (1)

Q*+=Q*++Q*+eof (2)

选择同步旋转坐标系的d轴与PCC电压矢量uG

重合，可得

ud=u (3)

uq=0 (4)

将式(3)、(4)代入功率平衡式，推导可得

e*+=i*+*+

ddRf−iqωLf+u (5) e*+*+*+

q=iqRf+idωLf (6)

式(5)、(6)实现了正序控制环d-q坐标系中电流

i*+*+*+*+*+*+

d、iq到电压ed、eq的转换。以id、iq作为指令电流，那么e*+、e*+dq就是STATCOM的电压控制

指令。

1.2 负序控制环电流–电压转换的推导

为补偿电网电压中的负序分量，STATCOM必须发出满足要求的负序电流。此时，STATCOM的输出电压和输出电流中不仅含有正序分量还含有

负序分量。本文利用对称分量法建立起不平衡补偿时STATCOM的负序等效电路，如图1所示。

ua− i*−aLfRf ~e*−~a u− bi*−Lf~bRf e*−~b u− ci*− cLfR~f ~e*−c 图1 不平衡补偿时的STATCOM负序等效电路 Fig. 1 Negative sequence equivalent circuit of STATCOM with unbalance compensation

图1中，u−PCC电压的负序分量，e*−

a,b,c为a,b,c为STATCOM输出电压的负序分量，

i*−

a,b,c为STATCOM 输出电流的负序分量。

对于图1所示的负序等效电路，STATCOM逆变器的输出瞬时功率为

P*−=32

(e*−*−*−*−

edid+eqiq) (7)

Q*−

3*−*−*−*−e=2

(eqid−ediq) (8)

连接电抗器等效阻抗消耗的瞬时功率为

P*−=33*−2*−2

f2i*−2Rf=2

(id+iq)Rf (9)

Q*−

3*−23*f=−2iωLf

=−2

(i−2*−2d+iq)ωLf (10) 公共连接点的负序瞬时功率为

P*−=3−2

（u*−u−*−

oqiq+did） (11)

Q*−3−*−−*−

o=2

（uqid+udiq） (12)

对于负序系统，由瞬时功率平衡原理可得

P*−*−e=Pf+P*−o (13)

Q*−Q*−Q*−e=f+o (14)

为使PCC电压由不平衡变为平衡，需要投入

STATCOM进行不平衡补偿。具体步骤为：

1）求出STATCOM需要发出的满足要求的负

序电流。PCC电压不平衡时，u−0，即u−

a,b,c≠d,q≠0 (u−为u−d,qa,b,c在d-q负序坐标系下的分量)。不平衡 控制的目的是使PCC负序电压变为0。欲使u−a,b,c 为0，需使u−−−−=0，可将u−d=uq=0；欲使ud=uqd与u−q分别与其预期目标0作差值，再通过比例积分

(proportional-integral，PI)调节，这样就得到了补偿 PCC电压不平衡时STATCOM需要输出的负序电流

分量的指令信号i*−*−

d、iq，如图2所示，即

(i*−*−⇔u−−

d，iq)d=uq=0 (15)

第6期 罗安等： 补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究 57

Uabc abc 陷波器 陷波器 + − − + 0 PI PI 0 *−id 在图3的正序电压控制环节中，PCC电压指令

*

值UPCC与实际测量值的误差经神经元自适应PID*+调节后，形成正序无功指令电流信号iq；直流侧电*容电压指令值UDC与实际测量值的误差经神经元 自适应PID调节后，形成正序有功指令电流信号*+id，以维持直流侧电压为给定值。当公共连接点电

*−iq dq− 图2 负序电流指令信号

Fig. 2 Negative sequence current commands

*−*−

2）求出d-q负序坐标系中电流id、iq到电压

e、e的转换式。(i，i)与(e，e)是一

*−d*−q*−d*−q*−d*−q

种一一对应的映射关系：

*−*−*−*−(ed,eq)=f(id,iq) (16)

压不平衡时，会造成直流侧电容电压的脉动，直流

电压中将包含2次谐波分量，因此必须加以抑制。文献[10]指出，在直流电容侧采用100 Hz的LC谐振滤波器可消除负序分量引起的100 Hz电压脉动，

*+*+是一种简单有效的措施。iq、id经正序电流–电压*+转换后，形成正序无功指令电压信号eq和正序有*+*+*+功指令电压指令信号ed。eq和ed经过dq+/abc变

由式(15)、(16)可得

*−*−*−*−−−

(ed,eq)⇔(id,iq)⇔ud=uq=0 (17)

联立式(7)~(14)、(17)可得

*−ωLf⎡ed⎤⎡Rf

⎢*−⎥=⎢⎢⎣eq⎥⎦⎢⎣−ωLfRf

*−

⎤⎤⎡id

⎥⋅⎢⎥ (18)

*−⎥⎥⎦⎢⎣iq⎦

式(18)实现了补偿PCC电压不平衡时，在d-q负序

*−*−*−*−*−

坐标系中电流id、iq到电压ed、eq的转换。以id、*−*−*−iq作为指令电流，那么ed、eq就是STATCOM

换后得到正序电压调制信号。

在图3的负序电压控制环节中，PCC电压经过abc/dq−变换，然后用二次谐波滤除法[20]提取PCC电压的负序分量。PCC电压的负序分量跟指令信号0的误差经神经元自适应PID调节后，形成STATCOM逆变器输出电流负序分量的指令信号

*−*−*−*−id、iq。id、iq经负序电流–电压转换后，形成*−*−*−*−负序电压指令信号ed、eq。ed、eq经过dq−/abc

的负序控制环电压控制指令。

1.3 基于功率平衡的正、负序双环叠加控制策略

在电网电压平衡，只考虑正序控制环时，基于神经元自适应PID调整的STATCOM直接电压控制方法已在文献[19]中有详细介绍，本文在此研究基础上进一步考虑到电网电压不平衡时要实现PCC电压三相对称控制，需加进负序控制环，得到

STATCOM的新型控制策略原理如图3所示。

Uabc abcdq+的变换后得到负序电压调制信号。

正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为STATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制智能功率模块(intelligent power module，IPM)的动作产生需要的补偿电压，从而维持了直流侧电容电压和PCC电

⎪U⎪ − + X1*UPCC 状态 X2变换 X3w1w2w3∑f+*iqRf +++*eqdq+ωLfωLf∑*UDC UDC + − X1状态 X2变换 X3w1w2w3fi+*dRf u−+++*edabc+Uabc 0 abc + 陷波器 − X1状态 X2变换 X3w1w2w3∑ ∑f−*iqRf +−−*eqdq−−Uabc PWM 调制 Uabc X1状态 X2变换 X3w1w2w3ωLfωLf∑三角载波 dq− 陷波器 − + fi−*dRf ++−*ed0 abc图3 STATCOM控制原理图

Fig. 3 Control principle chart of STATCOM

58

中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷

压恒定，并且用来实现公共连接点电压三相不平衡控制。

2 仿真实验结果

2.1 仿真模型及条件

建立STATCOM系统的Matlab仿真模型，其中系统仿真参数如表1所示。

表1 STATCOM仿真系统参数

Tab.1 Simulation parameters of STATCOM

电网电压/kV 电网频率/Hz 滤波器等效电阻/Ω 滤波器等效电感/mH

10 50

0.2

2

仿真实验分3组进行。在电网a相电路中加入对地短路故障模拟电网电压三相不平衡，并且在 0.4 s时突加冲击性无功负荷模拟电压跌落。 2.2 仿真1

在电压三相不平衡且跌落条件下没有投入STATCOM时，公共连接点电压及其有效值波形如图4所示。其中，UPCC,abc分别代表a、b、c相公共连接点电压；|UPCC|代表公共连接点电压有效值。从图4可看出，当没有STATCOM补偿时，公共连接点电压出现了严重的三相不平衡，其不平衡度为4.5%，已超过PCC正常电压不平衡度允许值。并且在0.4 s时由于冲击性无功负荷的突加引起了电网电压下降，公共连接点电压有效值|UPCC|明显小于1。

1.5 UPCC,a UPCC,b UPCC,c up⎪UPCC⎪ /⎪C0.5

PCU⎪、cba,CPC−0.5

U−1.5

0.30 0.34 0.380.42 0.46 0.50

t/s

图4 无STATCOM补偿时PCC电压波形 Fig. 4 Simulation results without STATCOM

2.3 仿真2

在电压三相不平衡且跌落条件下投入STATCOM进行补偿，但是不增加负序控制环，只有正序控制环时，公共连接点电压及其有效值波形如图5所示。

从图5(a)可看出，由于投入了采用正序控制环的STATCOM进行电压调节，在0.4 s时尽管突加的冲击性无功负荷引起了电网电压暂降，但不到半个周波的时间内，公共连接点电压有效值|UPCC|恢复正常。此时，由于没有对电网电压不平衡进行补偿，

可见，公共连接点电压依然是严重不平衡的，其不平衡度为4.5%，已超过PCC正常电压不平衡度允许值。从图5(b)可看出，当公共连接点电压不平衡时，STATCOM直流侧电容电压出现2倍频的波动。

1.5UPCC,a UUPCC,b PCC,cup⎪UPCC⎪/⎪C0.5

PCU⎪、cba,C−0.5

PCU−1.50.30

0.34

0.38 0.42 0.46 0.50

t/s

(a) PCC电压波形

1.5

1.0 up/DCU0.50.00.30

0.34

0.38 0.42 0.46 0.50

t/s

(b) 直流电容电压波形

图5 采用正序控制环STATCOM补偿的仿真结果 Fig. 5 Simulation results with positive compensation

2.4 仿真3

在电压三相不平衡且跌落条件下，在0.4 s时投入采用本文所提正负序双环叠加控制策略的STATCOM进行补偿时，公共连接点电压及其有效值波形如图6所示。

从图6(a)可看出，在0.4 s时尽管突加的冲击性无功负荷引起了电网电压暂降，但投入STATCOM后不到半个周波的时间内，公共连接点电压有效值|UPCC|恢复正常，并且公共连接点电压不平衡情况得到明显改善，其不平衡度为1.6%，已低于PCC正常电压不平衡度允许值2%。从图6(b)可看出负序分量引起的直流侧电容电压100 Hz脉动被有效抑制。可见，本文所提电压控制策略是正确的。 2.5 实验结果

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模块的STATCOM实验样机研制完成后，在实验室内进行了装置的有载调试。根据中低压配电网无功功率补偿的要求，得到如下设计参数：输出滤波器的电容和电感值分别为0.6 mH、

第6期 罗安等： 补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究 59

1.5 UPCC,a UPCC,b UPCC,c up⎪UPCC⎪/⎪C0.5 PCU⎪、cba,C−0.5 PCU−1.5 0.30 0.34 0.38

0.42 0.46 0.50

t/s

(a) PCC电压波形

1.5

1.0 up/DCU0.5

0.0

0.30 0.34 0.38

0.42 0.46 0.50

t/s

(b) 直流电容电压波形

图6 采用本文所提控制策略

STATCOM补偿时的仿真结果

Fig. 6 Simulation results with STATCOM adopting the proposed control strategy

80 µF。开关器件IGBT的等级取为800 A/1 200V，选用三菱公司智能功率模块PM800HSA120，直流电容取为1 200 V/8 mF的电解电容。

实验中，接入多台5 kW电动机，依次接入或切断运行的部分电动机，模拟电网三相不平衡情况，在工控机的Delphi监控界面上截取的在STATCOM投运前与投运后其接入点的电压波形如图7所示。

从图7(a)可看出，在STATCOM投运前，电网电压三相严重不平衡，已超过PCC正常电压不平衡度允许值2%；从图7(b)可看出，在采用本文所提控制策略的STATCOM投运后，电压电压不平衡情况得到明显改善，已低于PCC正常电压不平衡度允许值2%。可见，本文所提电压控制策略是有效的。

500

300 V100 /u−100 −300 −500

uaub uc 0 10 20 30 40t/ms

(a) STATCOM装置投运前电网电压波形

500300 V100/u−100−300−500

ua ub uc 0 1020 30 40t/ms

(b) STATCOM装置投运后电网电压波形

700500300 V100/u−100−300−500−700

0 10

20 30 40

t/ms

(c) STATCOM装置投运后直流电容电压波形

图7 STATCOM装置投运前后波形对比 Fig. 7 System voltage waveform comparison

3 结论

本文通过对电网电压不平衡条件下STATCOM的负序等效电路分析，提出了一种新的正、负序电压双环叠加控制策略。其中正序电压控制环用来控制公共连接点电压为给定值，负序电压控制环用来实现公共连接点电压三相对称。新的控制策略基于瞬时功率平衡思想，采用神经元自适应算法来整定PID控制参数，具有成本低、鲁棒性好等特点，可在电网电压不平衡时有效地调节和平衡配电网电压。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。

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收稿日期：2008-01-12。 作者简介：

罗安(1957—)，男，教授，博士生导师，主要从事电力系统谐波治理和无功功率补偿的研究，an_luo@hnu.cn；

欧剑波(1982—)，男，硕士研究生，研究方向

为静止同步补偿器和电网谐波有源治理。

罗安

(责任编辑 谷子)