韩 哲

(山东英才学院，山东 济南 250104)

0 引言

静止无功补偿器(STATCOM)可以有效的补偿无功功率，有效地降低电网电力传输损耗。但是随着智能电网不断发展，电力系统电压等级和电能输送容量不断增加，而STATCOM 也正朝着高压大容量发展［1］。目前国际上大容量STATCOM 装置主电路拓扑结构主要为变压器多重化和多电平两种结构［2－3］。级联型STATCOM 由于其结构简单，易于模块化设计，控制简单等优点逐渐取代了体积笨重、控制复杂的多重化变压器结构，成为了世界上研究的热点。但是，由于级联型STATCOM 各相级联多个H 桥单元，各H 桥单元参数不一致以及实际控制中存在脉冲延迟等因素将导致直流侧电容电压不平衡，如果不采取必要措施对各H 桥单元电容电压进行均衡控制，将严重影响STATCOM 的正常运行。国内外学者对级联型STATCOM 的电容电压平衡进行了深入研究，文献［4］提出了基于DQ 坐标系下的直流侧均衡控制算法，但是没有考虑各相间的直流电压不平衡;文献［5］中尽管提出了一种电压均衡控制和不平衡控制思路，但是没有给出具体可行的实现方法。文献［6］采用三级直流电压控制策略，尽管可以实现电容电压均衡，但是实际应用中存在动态响应速度慢，稳态误差大以及容易出现三相功率震荡等缺点。

本文首先建立了级联型STATCOM 的数学模型并分析了其工作原理，在此基础上提出了一种新的基于总有功功率和电压均衡控制的控制策略，并对该方法进行了理论分析和仿真实验研究，仿真和实验结果表明:所提出的控制策略可以很好的实现各H 桥单元直流侧电压的均衡控制，STATCOM 补偿效果好，动态响应快，具有很高的实用价值。

1 级联型STATCOM 工作原理分析

如图1 所示，为级联型STATCOM 的主电路拓扑结构，主要包括三相，每相由N 个H 桥单元级联而成。图中usx和isx(x =a，b，c)分别表示电网电压和电网电流，ix和iLx分别表示级联型STATCOM 输出电流和负载电流，L 表示滤波电感［7－8］。级联的H 桥单元数目越多，输出电压电平数越多，波形越接近正弦波，所需要的滤波电感就越小，而且省去了体积笨重且昂贵的变压器。

2 级联型STATCOM 控制策略

2．1 无功功率解耦控制

为了研究级联型STATCOM 的补偿特性并建立合适的控制策略，可采用输入输出建模方法建立dq坐标系下级联型STATCOM 装置的暂态数学模型，由图1 可列出如下KVL 方程

对式(1)采用等量的PARK 变换，其变换矩阵为

图1 级联型STATCOM 拓扑结构

经过式(2)变换后系统d、q 模型为

上式中，ud、uq分别为电网相电压在d －q 旋转坐标系下的d －q 分量，udo、uqo分别为STATCOM 交流输出端相电压在d －q 旋转坐标系下的d －q 分量，id、iq分别是STATCOM 交流侧三相电流在d －q旋转坐标系下的d －q 分量，ω 为电网电压角频率，是通过PLL 锁相环对电网电压锁相得到的。

从式(3)中可以看出，d、q 轴电流id、iq受控制量udo、uqo的影响，同时还受到电流交叉耦合相ωLiq、ωLid和电网电压的影响，为了便于控制，消除电流耦合和电网电压扰动对控制的影响，可以将式(3)做如下改动

式中

从式(5)可以看出，vd、vq与id、iq呈现的是一阶微分关系，所以可以采用PI 控制器来控制id、iq，其PI 控制方程式为

式(5)中，Δud、Δuq作为d、q 轴电压耦合的补偿项，对上述非线性微分方程顺利实现了解耦，于是可以得到最终的控制方程为

上述控制方程中，i'd、i'q分别是三相交流电流在d －q 坐标系下的有功和无功电流参考值，KP1、KP2、KI1、KI2为PI 控制器参数。通过控制id和iq即可实现对有功和无功功率的解耦控制如图2 所示。

图2 级联型STATCOM 总体控制框图

2．2 总有功功率和电容电压均衡控制

从图2 中可以看出，级联型STATCOM 的控制策略主要包括两部分:无功功率控制和有功功率控制。由于IGBT 等开关器件频繁的开断和导通需要消耗一部分的有功功率，如果不加控制则H 桥单元直流侧电容电压将会逐渐下降。图2 中的有功功率控制就是为了补偿链式STATCOM 自身消耗的有功功率，维持STATCOM 储能能量的平衡。该有功控制可以分为两个部分:

(1)总体有功功率控制;

(2)电容电压平衡控制。

H 桥单元直流侧电容储存能量的多少与电容电压成正比，所以直流侧电压的减少量反应了模块需要的有功功率的大小，每个H 桥单元直流侧电压降低的总和与系统所需要的总的有功功率成正比。各相所有H 桥单元直流侧电压的平均值与参考值作差，然后通过PI 控制器即可得到总的有功功率控制指令，其控制框图如图3 所示，图中uref表示H 桥单元直流侧电压参考值;udc，ai，udc，bi和udc，ci分别表示实际检测到的级联型STATCOM 三相的第i 个模块的电压值。通过上述方法可以及时的向模块中注入所需要的有功功率来补偿级联型STATCOM 自身的功率损耗。但是该控制算法只能保证总体有功功率的平衡，并不能保证所有H 桥单元直流侧电压的均衡。如果不采取电压均衡控制，可能会导致有的H桥单元过充电，有的H 桥单元过放电，H 桥单元之间的电压严重不均衡，甚至失控，最终导致系统不能正常工作。

图3 总的有功功率控制框图

图4 直流侧电容电压均衡控制框图

本文提出一种新型的电压均衡控制算法，该控制的基本思想是:每个H 桥单元直流侧电压的大小只与该单元吸收的有功功率有关，一相中各H 桥单元吸收的有功功率不同，将导致直流侧电容电压的不均衡。同一相中流入各H 桥单元的电流为同一个电流，那么可以通过控制各H 桥单元输出电压的有功成分来控制H 桥吸收的有功功率。如果某H桥单元直流侧电压较低，可以在其调制波中叠加一个与相电流相位相同的分量;同理，如果直流侧电压高于参考值，就在调制波中叠加一个与相电流相位相反的分量，其控制框图如图4 所示。从图4 中可以看出，该电压平衡控制策略不会改变该相总的输出电压，所以电压均衡控制不会对总体有功功率控制产生影响。

3 仿真和实验研究

3．1 仿真验证

为了验证本文所提出的级联型STATCOM 控制算法的正确性和可行性，利用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真实验平台。仿真系统参数设置如下:电网电压usx=380 V，滤波电感L =2 mH，H 桥单元直流侧电容C =3 300 μF，电容电压参考值为uref=200 V，开关频率为fs=2 000 Hz，负载为感性负载，各H 桥单元并联了一个纯电阻来模拟该单元的功率损耗，其阻值分别为500 Ω，600 Ω，700 Ω。

如图5 所示为当级联型STATCOM 只进行无功功率和总的有功功率控制，不进行电压均衡控制时A 相直流侧电容电压波形。从图5(a)中可以看出直流侧电容电压总和稳定，说明总的有功功率控制良好。但是从图5(b)可以看出各H 桥单元的直流侧电容电压不一致，有的电容过充电，电压逐渐上升，有的电容欠充电，电压逐渐降低，这是由于各H桥单元有功功率消耗不均衡造成的。直流侧电容电压不均衡将会导致级联型STATCOM 输出电压电流发生畸变，THD 增加;长时间运行将会导致系统崩溃，无法正常运行。

当同时控制级联型STATCOM 的有功功率和各H 桥单元的直流侧电容电压均衡时，直流侧电容电压仿真波形如图6 所示。从图中可以看出，总的直流侧电容电压之和恒定，同时各H 桥单元电容电压在200 V 附近波动，一致性较好。

图6 同时进行总的有功控制和电压均衡控制时的电压波形

当0．8 s 时刻电网所带负载突然发生变化，负载无功电流，STATCOM 发出的无功电流以及吸收的有功电流如图7 所示，仿真波形表明:级联型STATCOM 输出的无功电流很好的跟踪负载无功电流的变化，且不影响吸收的有功电流，两者之间实现了很好的解耦控制。如图8 所示为补偿前后电网电压和电流波形，可以明显看出补偿前电网电压和电流之间存在相位差，补偿后电网电流和电压基本同相位，实现了单位功率因数运行。

图7 负载突变前后电流波形

图8 补偿前后电网电压和电网电流波形

3．2 实验验证

为了对本文所提出的电容电压平衡控制策略和无功功率解耦控制算法进行实验验证，设计了一台级联型STATCOM 实验样机，由于受到实验条件的限制，STATCOM 样机每相有2 个H 桥子模块组成，即n=2，所接负载为感性负载，其中电感L =2 mH，电阻R =10 Ω。各H 桥直流侧电容电压为100 V，也就是每相最大输出电压为200 V，采用交流电压源模拟电网电压为40 V(受实验室条件限制);桥臂所串联的电感值为2 mH，每个子模块的电容值为550 μF。开关频率为3 kHz。

图9 为加入本文所提出的电容电压平衡控制策略后的A 相H 桥子模块电容电压波形，可以看出电容电压平衡性较好，维持在100 V 附近波动。

图9 加入控制时的A 相电容电压实验波形

图10 为接入级联型STATCOM 前后电网电压和电网电流波形，通过对比图10(a)和图10(b)可以看出接入级联型STATCOM 之后，实现了电网电压与电网电流同相位。

图10 接入级联型STATCOM 前后电网电压和电流实验波形

4 结论

本文首先介绍了级联型STATCOM 的数学模型及其工作原理，然后提出了一种基于电压前馈解耦的无功功率控制策略。针对级联型STATCOM 自身的功率损耗，提出了一种总的有功功率和电压均衡控制相结合的控制算法。仿真和实验结果表明所提出的控制策略很好的实现了各H 桥之间的电容电压均衡控制以及具有很好的无功补偿性能，所提出的控制算法简单，控制效果良好，可以在实际工程中进一步推广应用。

［1］杨振宇，许胜，许杏桃．高压大容量D－STATCOM 主电路的比较与分析［J］．电力自动化设备，2011，31(6):50 －55．

［2］曹雪祥，赵万云，徐天然，等．1 140 V 链式静止同步补偿器关键技术的研究［J］．电工电能新技术，2013，32(3):62 －66．

［3］王轩，傅坚，滕乐天，等． 链式静止同步补偿器电流控制策略［J］．中国电机工程学报，2012，32(12):1 －6．

［4］王轩，林嘉扬，滕乐天，等． d －q －0 坐标系下链式STATCOM 电流控制策略［J］． 中国电机工程学报，2012，32(15):48 －56．

［5］杨兴武，薛花，徐亚军． H 桥级联STATCOM 直流电容电压平衡控制研究［J］．电力电子技术，2014，48(1):39 －42．

［6］王志冰，于坤山，周孝信．H 桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略［J］． 中国电机工程学报，2012，32(6):57 －65．

［7］汪玉凤，赵鹏，王宇鹏，等．STATCOM 的虚拟磁链定向矢量控制策略［J］．电力电子技术，2014，48(3):16 －20．

［8］江道灼，张振华． 单相H 桥级联静止同步补偿器反馈线性化解耦控制［J］．电网技术，2011，35(11):75 －82．