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1.引言

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

　　據(jù)有關調查顯示，我國與一些發(fā)達國家相比，電網中65%以上的電能損耗在配電側電網中。對于低壓配電網，在配電變壓器380V 側普遍采用集中補償?shù)姆绞�，一般采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，根據(jù)用戶負荷水平的波動，投入相應數(shù)量的電容器進行跟蹤補償，實現(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行實時、連續(xù)地調節(jié)。針對低壓、中小容量應用的D-STATCOM 具有廣闊的發(fā)展空間與應用前景。針對于低壓配電三相四線制系統(tǒng)，為滿足對電網無功動態(tài)補償?shù)囊�，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，通過實驗驗證了該方案的可行性。

　　2.主電路結構

　　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構的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構都是在三相三線制基礎上變化而來，輸入、輸出變量多，控制復雜。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立。此種結構把對三相的控制簡化成了對單相的控制，三個獨立的單相實現(xiàn)了模塊化，有一定的工程應用價值。其結構圖如圖3 所示。

　　3.單相STATCOM

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

　　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)，還需另外構建一相相差90°的單位余弦波，比較復雜。本文雖是三相四線制，但各相相互獨立，仍可看做是單相結構控制。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。

　　設電源電壓是一個純正弦波形，它表示為

　　上式表明，直流側電容電壓udc 的變化量2dc u 可以由cp I 來確定，可以通過控制從電網吸收的有功電流來時時控制直流側電壓。當直流側電壓上升到一個穩(wěn)定值后，若忽略STATCOM 本身的損耗，變換器將不從電網吸收有功電流。但事實上整個補償裝置存在有功損耗，這就需要控制變換器從電網吸收一定的有功電流來彌補變換器的損耗，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)定運行時，其交流側和直流側無功電流的交換，將會引起直流側電壓產生一定的脈動，主要是2 倍頻的脈動。設u~ 是直流電壓的脈動量，則u可近似用下式表示：

　　電容電壓的波動實質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，對于一定的無功負載，可以通過增加直流側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)內部結構的控制方式;3)綜合智能控制方式，包括模糊邏輯控制、非線性魯棒控制、人工神經網絡控制、空間矢量控制等�，F(xiàn)今在工程實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電壓穩(wěn)定。電壓環(huán)調節(jié)器的輸出乘以sint 得到有功電流ip，再加上從負載電流中提取出來的無功分量q i ，一起作為電流內環(huán)的給定*c i 。電流環(huán)PI 調節(jié)器的輸出與固定頻率的三角載波進行比較，產生驅動信號去控制功率管的開通關斷，達到對整個變換器控制的效果。整個變換器的控制，包括對電網電壓相位捕獲、數(shù)據(jù)采樣、負載無功電流計算、電壓環(huán)電流環(huán)調節(jié)、PWM 波形的產生都是通過DSP 數(shù)字芯片來實現(xiàn)。

　　4.仿真分析

　　本文采用Matlab2009a 中的Simulink 構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，補償器連接電抗1mH，直流側電容6600uF。三相負載為阻感負載，電阻4Ω，電感17mH，經計算可得單相電流滯后電網電壓53°。 STATCOM 投入運行前，三相系統(tǒng)中各相電壓電流波形如圖5 所示。

　　當STATCOM 投入運行后，三相系統(tǒng)中電網側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償，電流與電壓同相位。可知在基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM 結構下，能夠很好的實現(xiàn)對負載無功電流的補償。

　　5.實驗驗證

　　研制了一套補償容量為20Kvar 的三相四線制并聯(lián)型STATCOM 樣機，采用TI 公司的TMS320LF2407作為控制芯片。其中單臺電源電壓為220V/50Hz，交流側電感為1mH，直流側電容為兩個3300uF 的電容并聯(lián)，開關管采用的是IGBT(600V,150A)。直流側電壓控制為380V，開關頻率為15kHz。該STATCOM 系統(tǒng)由三臺單相加一個綜合控制箱構成，綜合控制箱主要是協(xié)調三臺單相工作，并通過控制箱上的液晶顯示屏實時監(jiān)測系統(tǒng)中各相的運行參數(shù)，各相與綜合控制箱的通訊通過CAN 來實現(xiàn)。圖7 為系統(tǒng)中的其中一相直流側電壓建立暫態(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階段串入預充電電阻，進行預充電;t1-t2 階段PWM整流控制，給定基準電壓緩慢增加;t2 以后電壓達到設定的穩(wěn)定值380V，暫態(tài)結束進入穩(wěn)態(tài)。

　　圖8、圖9 分別為補償器發(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，并進行了仿真研究和實驗驗證。仿真和實驗結果都表明，本文采用的基于單相模塊組合的三相四線制STATCOM，具有較好的補償電網無功的功能，達到了較為理想的效果，具有一定的工程應用價值。

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