配电网静止同步补偿器直接功率控制

摘要：建立配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)的数学模型，提出一种适用于DSTATCOM的直接功率控制(DPC)方法。该方法采用空间矢量调制直接功率控制(DPC-SVM)，直流侧电压控制采用容性感性补偿控制。采用智能功率模块(IPM)PM300DVA120 IGBT，设计了50kvar的DSTATCOM实验样机。在10kHz PWM开关频率和10kHz信号采样频率下获得良好的实验结果。实验结果表明，该方法可以实现容性和感性无功的灵活控制，系统具有良好的动、静态响应性能。
关键词：静止同步补偿器；直接功率控制；空间矢量调制

1 引言
静止同步补偿器STATCOM作为柔性交流输电系统的重要控制器，动态响应速度快，可实现无功的连续调节，代表着静止无功补偿的发展方向，已成为国内外的研究热点。随着用户对用电质量要求的不断提高，STATCOM已开始应用于配电网，DSTACOM成为用户电力技术的重要装置之一。目前针对STATCOM的控制方法主要是间接电流控制和直接电流控制。
DPC通过对瞬时有功、无功功率的偏差调节，快速实现目标控制，具有结构简单、动态响应性能好、效率高等优点，在PWM整流器、有源电力滤波器(APF)、交流调速等领域得到广泛应用。在此针对无功补偿要求，提出一种适用于DSTATCOM的DPC方法。通过建立DSTATCOM的数学模型，提出DSTATCOM系统的定频DPC方法。数字仿真和实验结果验证了该方法的可行性和正确性。

2 DSTATCOM的系统模型
DSTATCOM的电路结构分为电压型桥式电路和电流型桥式电路。考虑到运行效率，至今大部分DSTATCOM都采用电压型桥式电路，其系统框图如图1所示。

DSTATCOM的主电路由功率开关器件、连接电抗器和直流侧电容器组成。开关器件一般采用IGBT模块，由于配电网电压等级低，可以通过平波电抗器与电网直接相连。电抗器起连接电网和抑制谐波的作用。直流侧电容器起稳定直流电压和储能的作用。控制电路由测量电路、PWM隔离驱动电路、故障检测与保护电路以及DSTATCOM控制器组成。
图2为DSTATCOM主电路结构。图中ua，ub，uc为三相对称电源相电压；ia，ib，ic为网侧相电流；Udc为直流侧电压；L，R为连接电抗器的电感和电阻；Idc为直流侧电流。

为便于分析，将直流侧电容C用2个电容串联等效，其中点记为N’。对于开关管V1～V6，当输入信号为高电平时导通，为低电平时关断，由此可将开关函数定义为：当sk±=1时，对应开关管导通；当sk±=0时，对应开关管关断，其中k=a，b，c。
不计开关损耗或将开关损耗计入电阻R，并定义：sk=sk+-sk-。考虑电网及DSTATCOM电路为三相对称系统，所以有：

以上为用开关函数描述的DSTATCOM函数方程，据此通过输入输出因果关系可方便地在Matlab／Simulink平台下建立DSTATCOM电路的数学仿真模型，通过坐标变换可得其在α，β坐标系和d，q坐标系下的数学模型。

3 DSTATCOM DPC策略
目前，DPC有基于电压定向控制和基于虚拟磁链定向控制两种方法。两者都是通过已设置好的开关表来选择功率器件开关状态，区别在于定向信号的不同。基于开关表进行控制的DPC，以PWM整流器为研究对象，主要是进行直流侧电压稳定控制，以控制有功为主(其无功给定为零，以实现单位功率因数)。因此，其开关表设置不适合于作为无功补偿的STATCOM使用。考虑到开关频率变化不利于系统设计，在此采用基于电压定向控制的DPC-SVM方法。

由于采用基于电网电压矢量进行定向控制，定义d，q旋转坐标系的d轴与电网电压三相系统的合成电压矢量方向一致，由坐标变换得电压矢量和电流矢量示意图如图4所示。

由图4的几何关系，可得：

直流侧电压控制采用容性感性补偿控制，其设定值由式(7)确定：

式中：Usp为电网相电压峰值；Q为DSTATCOM要补偿的无功容量的大小；X为连接电抗阻值；Udch为补偿容性无功时直流侧电压给定值；Udcl为补偿感性无功时直流侧电压给定值。

4 仿真及实验结果
4．1 数字仿真
为验证所提出的DSTATCOM DPC方法，首先在Matlab／Simulink平台下进行计算机数字仿真。仿真参数：电网相电压100 V(最大值)，电抗为1．3 mH，补偿无功±5 kvar，开关频率设置为10 kHz，死区时间为零。图5a为电流ia滞后电压ua的仿真结果，图5b为ia超前ua的仿真结果。可见，所提方法可实现感性和容性无功的灵活控制。

4．2 实验结果
采用IPM PM300DVA120，设计了±50 kvar的DSTATCOM实验样机来测试所提出的算法。控制器采用高性能TMS320F2812型DSP，DSTATCOM主要参数：系统容量为±=50kvar；电网相电压为100V；电网频率为50 Hz；输入电抗为(0．15+j0．41)Ω，1．3 mH；直流侧电容为5 mF／900 V；PWM开关频率为10 kHz；信号采样频率为10 kHz。
根据PM300DVA120的器件特性，设定死区时间为4μs。为便于工程接线，系统直接对线电压进行采样。图6为输出±5 kvar无功时的实验结果。可见，基于DPC方法可实现电流超前电压或滞后电压，从而控制容性或感性无功的产生，对负载进行实时无功补偿。