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1.引言

　　隨著當(dāng)今工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的阻感負(fù)載、電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用，隨之伴來的是大量無功功率在電網(wǎng)中產(chǎn)生，造成功率因數(shù)降低，給電網(wǎng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)能夠連續(xù)快速調(diào)節(jié)無功功率，動態(tài)滿足配電系統(tǒng)需要，對提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和節(jié)約能源具有十分重要的意義。目前STATCOM 的研究和應(yīng)用主要在高壓大容量方面，已取得了很好的效果。

　　據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示，我國與一些發(fā)達(dá)國家相比，電網(wǎng)中65%以上的電能損耗在配電側(cè)電網(wǎng)中。對于低壓配電網(wǎng)，在配電變壓器380V 側(cè)普遍采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞剑�一般采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)無功功率就地平衡。由于采用的是投切電容器的方法，這種方式并不能做到對無功功率進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)地調(diào)節(jié)。針對低壓、中小容量應(yīng)用的D-STATCOM 具有廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。針對于低壓配電三相四線制系統(tǒng)，為滿足對電網(wǎng)無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)囊�求，本文研究了基于單相模塊組合的三相四線制并聯(lián)型STATCOM 樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

　　2.主電路結(jié)構(gòu)

　　在低壓配電系統(tǒng)中，三相四線制是主要的供電方式，為此人們研究出了多種三相四線制主電路結(jié)構(gòu)的D-STATCOM，比較普遍采用的有四橋臂三相四線制D-STATCOM(如圖1 所示)和電容中點(diǎn)出線式三相四線制并聯(lián)型D-STATCOM(如圖2 所示)。

　　上述兩種三相四線制結(jié)構(gòu)都是在三相三線制基礎(chǔ)上變化而來，輸入、輸出變量多，控制復(fù)雜。本文采用了一種基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM，由三個單相模塊組合而成，三個單相模塊之間的控制相互獨(dú)立。此種結(jié)構(gòu)把對三相的控制簡化成了對單相的控制，三個獨(dú)立的單相實(shí)現(xiàn)了模塊化，有一定的工程應(yīng)用價值。其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

　　3.單相STATCOM

　　影響STATCOM 補(bǔ)償性能的兩個比較重要的因素是無功電流檢測和直流側(cè)電壓控制。STATCOM 所采用的無功電流檢測方法非常重要，直接關(guān)系到補(bǔ)償器最終的補(bǔ)償效果。控制STATCOM 直流側(cè)電壓為適當(dāng)值是保證其具有良好補(bǔ)償性能的一個重要因素，若直流側(cè)電壓波動過大，就會出現(xiàn)過補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償，危及STATCOM 的安全運(yùn)行。

　　3.1 無功電流檢測

　　目前普遍采用的無功和諧波電流檢測方法是80年代由日本學(xué)者H. Akagi 提出的基于瞬時無功功率理論的檢測方法，該方法適用于三相電路中。對于單相系統(tǒng)，還需另外構(gòu)建一相相差90°的單位余弦波，比較復(fù)雜。本文雖是三相四線制，但各相相互獨(dú)立，仍可看做是單相結(jié)構(gòu)控制。針對單相電路，在這里使用了一種基于傅里葉分析的無功電流分離法。

　　設(shè)電源電壓是一個純正弦波形，它表示為

　　上式表明，直流側(cè)電容電壓udc 的變化量2dc u 可以由cp I 來確定，可以通過控制從電網(wǎng)吸收的有功電流來時時控制直流側(cè)電壓。當(dāng)直流側(cè)電壓上升到一個穩(wěn)定值后，若忽略STATCOM 本身的損耗，變換器將不從電網(wǎng)吸收有功電流。但事實(shí)上整個補(bǔ)償裝置存在有功損耗，這就需要控制變換器從電網(wǎng)吸收一定的有功電流來彌補(bǔ)變換器的損耗，否則這部分損耗將消耗存儲在電容上的能量，使電容電壓降低。在STATCOM 穩(wěn)定運(yùn)行時，其交流側(cè)和直流側(cè)無功電流的交換，將會引起直流側(cè)電壓產(chǎn)生一定的脈動，主要是2 倍頻的脈動。設(shè)u~ 是直流電壓的脈動量，則u可近似用下式表示：

　　電容電壓的波動實(shí)質(zhì)是電容儲存的能量在脈動，能量的脈動量為：

　　根據(jù)上式可知，對于一定的無功負(fù)載，可以通過增加直流側(cè)電容容值的方法來減小電容上電壓的脈動。上式也常作為選取直流側(cè)電容參數(shù)的依據(jù)。

　　3.3 控制策略

　　STATCOM 的控制策略可分為三種：1)傳統(tǒng)的PID控制;2)基于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制方式;3)綜合智能控制方式，包括模糊邏輯控制、非線性魯棒控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、空間矢量控制等。現(xiàn)今在工程實(shí)際中使用得比較多的還是PI 控制，其控制框圖如圖4所示。

　　圖4 中sint 是由捕獲電網(wǎng)電壓的相位得來，外環(huán)是直流電壓環(huán)，其主要功能是控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定。電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出乘以sint 得到有功電流ip，再加上從負(fù)載電流中提取出來的無功分量q i ，一起作為電流內(nèi)環(huán)的給定*c i 。電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸出與固定頻率的三角載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生驅(qū)動信號去控制功率管的開通關(guān)斷，達(dá)到對整個變換器控制的效果。整個變換器的控制，包括對電網(wǎng)電壓相位捕獲、數(shù)據(jù)采樣、負(fù)載無功電流計算、電壓環(huán)電流環(huán)調(diào)節(jié)、PWM 波形的產(chǎn)生都是通過DSP 數(shù)字芯片來實(shí)現(xiàn)。

　　4.仿真分析

　　本文采用Matlab2009a 中的Simulink 構(gòu)建基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM 仿真系統(tǒng)，其各相仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓220V/50Hz，補(bǔ)償器連接電抗1mH，直流側(cè)電容6600uF。三相負(fù)載為阻感負(fù)載，電阻4Ω，電感17mH，經(jīng)計算可得單相電流滯后電網(wǎng)電壓53°。 STATCOM 投入運(yùn)行前，三相系統(tǒng)中各相電壓電流波形如圖5 所示。

　　當(dāng)STATCOM 投入運(yùn)行后，三相系統(tǒng)中電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形如圖6 所示。電流中的無功分量已被裝置補(bǔ)償，電流與電壓同相位�？芍�在基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM 結(jié)構(gòu)下，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對負(fù)載無功電流的補(bǔ)償。

　　5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　研制了一套補(bǔ)償容量為20Kvar 的三相四線制并聯(lián)型STATCOM 樣機(jī)，采用TI 公司的TMS320LF2407作為控制芯片。其中單臺電源電壓為220V/50Hz，交流側(cè)電感為1mH，直流側(cè)電容為兩個3300uF 的電容并聯(lián)，開關(guān)管采用的是IGBT(600V,150A)。直流側(cè)電壓控制為380V，開關(guān)頻率為15kHz。該STATCOM 系統(tǒng)由三臺單相加一個綜合控制箱構(gòu)成，綜合控制箱主要是協(xié)調(diào)三臺單相工作，并通過控制箱上的液晶顯示屏實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)中各相的運(yùn)行參數(shù)，各相與綜合控制箱的通訊通過CAN 來實(shí)現(xiàn)。圖7 為系統(tǒng)中的其中一相直流側(cè)電壓建立暫態(tài)過程(電壓100V/div)，啟動過程中為保證安全，對直流側(cè)電壓的建立采用緩啟動，主要分為三個時段。t0-t1階段串入預(yù)充電電阻，進(jìn)行預(yù)充電;t1-t2 階段PWM整流控制，給定基準(zhǔn)電壓緩慢增加;t2 以后電壓達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定值380V，暫態(tài)結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

　　圖8、圖9 分別為補(bǔ)償器發(fā)出感性、容性無功電流時電流電壓波形(電壓250V/div，電流40A/div)，電流約為30A。

　　6.結(jié)論

　　本文主要介紹了適用于三相四線制低壓配電系統(tǒng)的STATCOM 的工作原理，并進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，本文采用的基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM，具有較好的補(bǔ)償電網(wǎng)無功的功能，達(dá)到了較為理想的效果，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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