一种单周控制的配电网静止同步补偿器的实现

 前言

　　配电网静止同步补偿器DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator）是一种相对复杂和成本较高的装置，设计者不仅要考虑装置本身的实现，而且更主要的是研究装置接入电力系统之后与系统间的相互作用，寻求合理的控制方法及算法，进而对控制策略及保护系统的动作方式进行综合考虑，才能使装置达到预期的效果[1]。传统DSTATCOM的控制是从无功电流检测来进行控制的，文献[2]分析了电能指令控制中无功电流的检测方法，并将其应用到无功补偿装置中取得了一定的效果，但是该控制方法计算量大，需要使用高速的控制和高性能的采集器，使得电路结构复杂。

　　单周控制将非线性控制与开关电路有机结合，可以实现快速的瞬态响应。单周控制与空间矢量脉宽调制具有等效性，单周控制发出PWM波的实际效果与SVPWM控制发出PWM波的实际效果完全相同，同时单周控制的算法简单、运算量小，并减少了信号采样的数量，不需要采样参考电流基准[3]。本文将单周控制应用于DSTATCOM控制系统，与传统的静止同步补偿器相比，采用单周控制方法的静止同步补偿器具有对系统的频率偏差不敏感，装置的鲁棒性更高，不需要产生基准电流，只要对输入电压、电流和DSTATCOM直流侧电压进行检测即可，从而减少了信号采样和繁杂的计算，控制简单的优点[4]。

单周控制

　　单周控制的目的是使输出跟踪任意的波形。图1是单周控制的基本控制电路[3]。其主要控制部分由一个积分器和一个比较器组成。图中K1、K2为一对互补的模拟开关，开关K2

图1 单周控制电路

在的频率下按开关函数工作。

　　式中TS为时钟脉冲周期。在每一个开关周期的开始，时钟脉冲信号到，使得K2闭合、K1断开，输出Y(t)=X(t)，积分器开始对输出信号Y(t)积分。当经过时间Ton，积分值达到Vref，比较器输出翻转，通过控制器控制使得K2断开、K1闭合，积分器复位。若控制频率远大于输入信号X(t)的频率，也远大于参考电压的波动频率，则在一个控制周期内，X(t)和Vref(t)都可以看成是常数，即有：

式中，为一个控制周期的占空比。

图1 单周控制电路由于在开通时间的积分和在一个控制周期的积分相等，从而有：

进一步有：

Ton实际上是有效的电压输出时间，Y(t)和Vref(t)在一个控制周期积分等效。因此，如果控制周期足够小，输出会准确跟踪Vref(t)，且动态响应也很快。

单周控制静止同步补偿器

　　图2所示为一个单周控制DSTATCOM装置[4]，作为一种无功补偿装置，其向电力系统注入一定量的超前或滞后的无功电流，达到调节功率因数和稳定系统电压的目的，其中给出了DSTATCOM的主电路和a相控制电路的结构图，b，c相控制电路和a相控制电路基本相同，其中Qi（i=1,2,3,4,5,6）为主电路开关管Mi（i=1,2,3,4,5,6）的驱动信号。图2中虚线框1内部分是一个比例积分环节，积分的时间常数为Tm，比例环节的放大系数为1/R，此比例积分环节相当于一个虚拟的负载，它对装置接入点电压VS进行比例积分作用后，可得到一个模拟的控制电流，其大小可由下式算得：

图2 单周控制DSTATCOM结构图

　　当DSTATCOM有效工作时，网侧电流与模拟控制电流的和的波形跟踪电压波形，即实际系统和虚拟负载的阻抗之和等效为线性电阻负载，等效电阻为，其中表示虚拟负载中的电阻部分，Re表示逆变器有功损耗的等效电阻。由此，理想的控制目标可表示为：

式中VS为装置接入点网侧输入相电压；

　　为实际网侧电流与模拟控制电流之和。

　　对于单周控制的开关周期为TS，占空比D(t)，以A相桥臂为例，当0

式中RS为电流采样电阻值；VC为逆变器直流侧电压。

考虑到开关频率远大于电网电压频率，在一个开关周期内Vm基本不变，式（7）所表述的关系可通过单周控制的方式实现。取单周积分常数为，则可推出单周控制方程为：

根据控制方程（9）得到的单周控制DSTATCOM 控制电路如图2所示，图中Vref(t)为电压环基准，用于调节VC的大小，Vm可由电压换PI调节得到。控制电路在每个开关周期均对Vm进行积分，当积分值符合单周控制方程（4）时，开关信号翻转，积分电路复位，等待下一个周期重新积分，从而得到满足式（9）的占空比D(t)。结合式（5）和以上控制原理易知，要调节装置输出无功电流的幅值和性质，只需要改变参数Tm的大小和符号即可。由上可见，单周控制静止同步补偿器DSTATCOM因其独特的原理，具有控制简便、无需专门产生电流基准，且只需检测电流和电压量等优点，在中低压功率电力电子系统的无功补偿方面具有推广价值。

由于逆变器主电路中的功率开关元件不是理想开关，为防止逆变器发生直通故