电网电压不对称对D_STATCOM的影响分析及抑制.pdf

2009 年8 月 电 工 技 术 学 报 Vol 24 No 8 第 24 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug 2009 电网电压不对称对 D STATCOM 的 影响分析及抑制 涂春鸣 李 慧 唐 杰 罗 安 湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082 摘要 分析了电网电压不对称对配电网静止同步补偿器 D STATCOM 电压输出性能的影 响 指出电网电压不对称将导致 D STATCOM 直流侧电容电压出现 2 倍频波动 使得交流输出电 压出现负序和三次谐波 严重影响 D STATCOM 输出性能 并且由此产生的负序和 3 次谐波电流 将造成装置过流 针对此问题 提出一种改进开关函数调制法 抑制了 3 次谐波电流 改善了 D STATCOM 的电压输出性能 提出一种负序电压前馈控制的不对称控制策略 抑制了 D STATCOM 因负序电压分量造成的过流 保障了装置的安全可靠运行 仿真实验结果表明 本 文提出的方法是行之有效的 关键词 D STATCOM 电网电压不对称 电压输出性能 装置过流 改进开关函数调制法 负序电压前馈控制 中图分类号 TM76 Analysis and Suppression of Influence on D STATCOM Under Unbalanced Voltage of Power System Tu Chunming Li Hui Tang Jie Luo An Hunan University Changsha 410082 China Abstract Under unbalanced voltage of power system the influence on voltage output performance of distribution network static synchronous compensator D STATCOM is analyzed Two times frequency wave occurs in voltage of capacitor at DC side of D STATCOM under unbalanced voltage which result in negative sequence and 3 times harmonics in AC voltage and converter may be overcurrent caused by negative sequence current and 3 times harmonic current According the problem above improved switching function modulation is proposed to improve voltage output performance of D STATCOM and suppress 3 times harmonic current An unbalanced control strategy of feed forward control for negative sequence voltage is also carried out to suppress converter overcurrent caused by negative voltage in order to make D STATCOM safe Simulation results show the good performance Keywords D STATCOM unbalanced voltage of power system voltage output performance converter overcurrent improved switching function modulation feed forward control for negative sequence voltage 1 引言 配电网静止同步补偿器 D STATCOM 1 4 作 为一种新型的动态无功补偿装置 是用户电力技术 CusPow 中的一种重要的设备 旨在提高用户侧 的电能质量 相对于输电系统的静止同步补偿器 STATCOM 5 9 而言 配电网的 D STATCOM 的电压 及容量较小 适用于配电网 同样能有效地动态补 偿无功功率 抑制电压波动和闪变等电能质量问题 国家 973 计划 2009CB219706 国家自然科学基金 60774043 湖南省自然科学基金 06JJ50102 和湖南省科技计划 2007TP4035 资助项目 收稿日期 2007 12 11 改稿日期 2008 11 03 第 24 卷第 8 期 涂春鸣等 电网电压不对称对 D STATCOM 的影响分析及抑制 115 是目前国内外的研究热点之一 电网电压不对称现象在实际配电网中普遍存 在 特别是不对称故障的几率很大 电力系统公共 连接点正常电压不对称度允许值为 2 短时不得 超过 4 D STATCOM 通常是按照三相对称工况设 计 如 果 系 统 的 不 对 称 度 过 大 将 严 重 影 响 D STATCOM 的输出电压 并且将导致很大的负序 电流流过 D STATCOM 对装置的性能和安全运行 造成危害 甚至因过流而退出运行 因此 必须分 析电网电压不对称对 D STATCOM 的影响 研究抑 制影响的方法 提高 D STATCOM 的性能和可靠性 这是实现 D STATCOM 装置应用的关键技术难点 本文在分析电网电压不对称对 D STATCOM 输 出性能影响的基础上 针对 D STATCOM 输出电压 出现的负序和三次谐波以及由此导致装置因负序电 流和三次谐波电流而过电流的问题 提出一种改进 开关函数调制法 有效改善了电网电压不对称情况 下 D STATCOM 的电压输出性能 并抑制了三次谐 波电流 提出一种负序电压前馈不对称控制策略 抑制了装置因负序电压造成的过电流 上述两种方 法的综合运用 提高了装置在电网电压不对称条件 下的可靠性 2 电网电压不对称对 D STATCOM 的影 响分析 2 1 对 D STATCOM 电压输出性能的影响 D STATCOM 原理图如图 1 所示 图中 电压 型逆变器通过连接电抗器 L 接入电网 C 为逆变器 直流侧电容 u is il和 i 分别为电网电压 电网电 流 负载电流和补偿电流 下标 a b c 分别表示 三相 Zs为电网系统阻抗 PCC 为公共连接点 图 1 D STATCOM 原理图 Fig 1 Structure of D STATCOM 设不对称的三相电网电压为 aPN bPN cPN cos cos cos 2 3 cos 2 3 cos 2 3 cos 2 3 uUtUt uUtUt uUtUt 1 式中 UP UN分别为三相电网电压的正序和负序分 量的幅值 为相应的相角 当电网电压不对称时 对于采用对称控制的 D STATCOM 来说 其输出电流中也含有负序分量 因此 D STATCOM 的输出电流可表示成 aPN bPN cPN cos cos cos 2 3 cos 2 3 cos 2 3 cos 2 3 iItIt iItIt iItIt 2 式中 IP IN分别 D STATCOM 的输出电流的正序 和负序分量的幅值 为相应的相角 将电网电压 ua ub uc 和 D STATCOM 的输 出电流 ia ib ic 表示成 坐标系中空间矢量的形 式为 j j PN ee tt uUU 3 j j PN ee tt iII 4 由式 1 和式 2 可得到 D STATCOM 公共 连接点的视在功率表达式为 j j P PNN j ee spqUIUI ui j 2 j 2 NNN P ee tt UIUI 5 从式 5 可以看出 当电网电压不对称时 由 于电压和电流正 负序分量的交叉导致了公共连接 点的瞬时功率 包括瞬时有功功率和瞬时无功功率 出现了有 2 倍频的功率脉动现象 而 D STATCOM 逆变器交流侧的瞬时有功功率应该和直流侧电容的 充电功率相等 因此公共连接点瞬时有功功率的 2 倍频功率脉动现象会导致直流侧电容电压的 2 倍频 波动 下面采用开关函数法分析 D STATCOM 逆变器 直流侧电容电压 2 倍频波动对 D STATCOM 逆变器 输出的影响 设 D STATCOM 逆变器的三相开关函数分别为 Sa Sb和 Sc 将其展成傅里叶级数并表示成矢量形 式为 1 a b 1 c 1 sin sin 2 3 sin 2 3 ni n ni n ni n Ant S SAnt S Ant S 6 116 电 工 技 术 学 报 2009 年 8 月 式中 An为各次谐波幅值 n i为逆变器的各次输 出角频率 为便于分析 只考虑基波分量情形 并 设开关函数的傅里叶展开式中的基波幅值为 A 基 波角频率为 则式 4 可改写 a b c sin sin 2 3 sin 2 3 SAt SAt AtS S 7 当 D STATCOM 逆变器直流侧电容电压有 2 倍 频波动时 直流侧电容上的电压可以表示为 m 1 sin 2 CC UUkt 8 式中 UCm为直流分量的幅值 kUCm则为 2 倍频波 动电压的幅值 其波动频率为 2 k 是 UC的 2 倍 频分量幅值除以直流分量幅值的系数 为 2 倍频 波动电压的初始相位角 k 和 均通过对直流侧电 容电压检测并计算得到 根据开关函数的定义可以得到 D STATCOM 逆 变器的三相输出电压矢量为 a a b cb c C e eU e eS 9 将式 7 和式 8 代入式 9 可得 D STATCOM 逆变器的三相输出电压瞬时值表达式为 m am m m bm m m cm m sincos 2 cos 3 2 22 sincos 323 2 cos 3 23 22 sincos 323 2 cos 3 23 C C C C C C C C C AkU eAUtt AkU t AkU eAUtt AkU t AkU eAUtt AkU t 10 从式 10 可以看出 当电网电压不对称时 D STATCOM 逆变器的输出电压中不仅含有正序分 量 还含有基波负序和 3 次谐波分量 这是我们所 不希望出现的 其中基波负序和 3 次谐波分量的出 现是由于直流侧电容两端波动电压经开关函数调制 映射到 D STATCOM 逆变器输出端的结果 2 2 对 D STATCOM 过电流的影响 D STATCOM 逆变器输出端的基波负序和 3 次 谐波电压进而会导致 D STATCOM 逆变器的输出电 流中也含有基波负序电流和 3 次谐波电流 基波负 序电流和 3 次谐波电流注入电网会给电网造成不良 影响 除此之外 基波负序电流和 3 次谐波电流流 经 D STATCOM 还会对 D STATCOM 的性能和安全 运行造成危害 装置容易因过电流而退出运行 采用对称分量法建立 D STATCOM 系统的正 序 负序和 3 次谐波等效电路对 D STATCOM 装置 进行过电流分析 这里只考虑电网电压的基波分量 情形 图 2 给出了电网电压不对称时 D STATCOM 系统的正序 负序和 3 次谐波等效电路 a 正序等效电路 b 负序等效电路 c 3 次谐波等效电路 图 2 电网电压不对称时 D STATCOM 系统的等效电路 Fig 2 Equivalent circuit of D STATCOM under unbalanced power voltage 图 2 中 R L 为 D STATCOM 连接电抗器的等 效电阻和电感 P a b c u N a b c u 分别为公共连接点电压 的 正 序 分 量 和 负 序 分 量 P a b c e N a b c e 分 别 为 D STATCOM 逆变器输出电压的正序分量和负序分 量 P a b c i N a b c i 分别为 D STATCOM 逆变器输出电 流的正序分量和负序分量 3 a b c e 3 a b c i 分别为 D STATCOM 逆变器输出电压和输出电流的 3 次谐 波分量 在电网电压不对称条件下 当 D STATCOM 采 用对称控制时 D STATCOM 逆变器的输出电压不 仅仅含有三相正序电压 还含有基波负序电压和 3 次谐波电压 根据如图 2 所示等效电路 可以得到 系统正序 负序和谐波电流分别为 以矢量形式给 出 PP P P j EU I RX 11 第 24 卷第 8 期 涂春鸣等 电网电压不对称对 D STATCOM 的影响分析及抑制 117 NN N N j EU I RX 12 3 3 3 j E I RX 13 式中 P N 3 I 为流经 D STATCOM 逆变器的正序 负 序和 3 次谐波电流相量 P N 3 U P N 3 E 分别为电网 电压和 D STATCOM 逆变器输出电压的正序 负序 和 3 次谐波分量 XP XN分别为等效正序和负序电 抗 由式 11 式 13 可得流经 D STATCOM 逆变器的总电流为 PN3 IIII 14 即流经 D STATCOM 逆变器的电流相量为正 序 负序和 3 次谐波电流之相量和 由于电网电压不对称的影响 D STATCOM 装 置实际总电流中增加了负序电流和 3 次谐波电流 容易超过按正常条件下 电网电压平衡 设计的电 流上限 将导致 D STATCOM 装置的过电流 3 电网电压不对称对 D STATCOM 影响 的抑制 3 1 改善电压输出性能的改进开关函数调制法 选取改进的开关函数为 m 1 1sin 2 kt SS 15 由式 7 和式 8 可得 D STATCOM 逆变器 输出的三相电压为 a a b cbm c m 1 1sin 2 1 sin2 C C e eU e Ukt kt eS S mC U S 16 可见 D STATCOM 逆变器输出电压与直流侧 电容两端电压的波动部分无关 因此 D STATCOM 输出电压中将不再含有负序和 3 次谐波分量 只有 正序分量 很好地改善了装置的电压输出性能 而且 逆变器输出电流中也不再含有 3 次谐波 电流 达到了抑制 3 次谐波电流的目的 但是 此时由于 D STATCOM 逆变器的输出电 压中将不能映射出电网电压的负序分量 电网电压 中的负序分量相对于 D STATCOM 逆变器来说相当 于短路 也就是说 D STATCOM 装置中的负序电 流仍将很大 这对于 D STATCOM 装置的安全是不 利的 因此 单纯使用改进开关函数还不能彻底解 决问题 必须寻求新的 D STATCOM 控制策略 在 改善其输出性能的同时能有效地抑制电网负序电压 造成的装置过电流 3 2 抑制装置过电流的负序电压前馈控制 3 2 1 基本原理 当 D STATCOM 采用上述改进的开关函数调制 后 D STATCOM 系统的等效电路如图 3 所示 跟 图 2 所示的等效电路相比较 由于采用了改进的开 关函数 D STATCOM 逆变器只输出正序基波电压 所以等效电路中没有出现 3 次谐波等效电路 且负 序等效电路也有所变动 D STATCOM 逆变器相对 于电网电压中的负序分量相当于短路 从图 3b 中还 可 以 看 出 当 采 用 改 进 的 开 关 函 数 后 流 过 D STATCOM 逆变器的负序电流由电网电压中的负 序分量决定 其值为 N N N j U I RX 17 a 正序等效电路 b 负序等效电路 图 3 D STATCOM 系统的等效电路 Fig 3 Equivalent circuit of D STATCOM 可见 D STATCOM 采用对称控制时 由于连 接电抗的等效阻抗值较小 在电网电压不对称条件 下极易产生过电流而退出运行 考虑到采用改进的 开关函数后通过优化 D STATCOM 参数无法达到抑 制 D STATCOM 逆变器过电流的目的 因为此时对 于采用对称控制的 D STATCOM 来说无法输出负序 电压 针对这一问题 为了控制流过 D STATCOM 逆变器的负序电流 本文提出了一种负序电压前馈 不对称控制策略 其基本思想是 D STATCOM 发出一个与系统 负序电压相等的电压 从而使流经 D STATCOM 逆 变器的负序电流为零 此时 D STATCOM 的负序等 118 电 工 技 术 学 报 2009 年 8 月 效电路如图 4 所示 图 4 负序电压前馈控制时的 D STATCOM 负序等效电路 Fig 4 Negative equivalent circuit of D STATCOM applied the negative sequence voltage feed forward control strategy 需要说明的是 图 4 中的逆变器输出电压中的 负序分量 N a b c e与图 2 中的逆变器输出负序电压有本 质的不同 图 2 中的 N a b c e由 D STATCOM 逆变器直 流 侧 电 容 电 压 的 倍 频 波 动 经 开 关 函 数 映 射 到 D STATCOM逆变器输出端引起 而图 4 中的 N a b c e是 由 于 采 用 不 对 称 控 制 策 略 而 引 起 此 时 流 经 D STATCOM 逆变器的负序电流由电网电压中的负 序分量和 D STATCOM 逆变器输出负序电压共同决 定 其值为 NN N N j EU I RX 18 由式 18 可知 如果通过不对称控制策略使 得 D STATCOM 逆变器输出负序电压的幅值和电网 电压中的负序分量相等 相位相同即可实现流经 D STATCOM 逆变器的负序电流为零 达到抑制负 序电流的目的 从而提高了 D STATCOM 装置在电 网电压不对称条件下的可靠性 应用负序电压前馈控制的同时也必须应用改进 开关函数法 否则不能抑制逆变器直流侧电容电压 波动造成的影响 不能消除逆变器输出电流中的 3 次谐波 二者的作用不同 共同保障系统的性能 3 2 2 负序电压检测方法 负序电压检测是实施 D STATCOM 不对称控制 策略时的一个重要环节 本文采用 2 次谐波滤除 法 10 来检测电网电压中的负序分量 将电网电压 ua ub uc 实施基于 的 abc dq0 同步旋转变换 此时 电网电压中的负序分量经 abc dq0 同步旋转变换后 变换为直流量 而正序分量经 abc dq0 同步旋转变 换后变换为 2 次谐波电压 用滤波器滤除电网电压 经 abc dq0 同步旋转变换后的 2 次谐波电压 可得 到经变换后的直流量 即原三相静止坐标系中的负 序分量 达到检测负序电压的目的 若电网电压不对称 且只考虑基波电压情形 则电网电压 ua ub uc 可表示成 p a P p b c p cos 2 cos 3 2 cos 3 t u t uU u t N NN N cos 2 cos 3 2 cos 3 t t U t 19 式中 UP UN分别为正序 负序基波电压的峰值 P N分别为正序 负序电压的初始相角 考虑三相静止坐标系 a b c 和两相同步旋转 坐标系 d q 则式 19 可描述为 PNa dd b2323 PN qq c u uu utt uu u CRCR 20 式中 C23为静止坐标变换矩阵 可表示为 23 10 13 22 13 22 C R t 为正序旋转坐标变换矩阵 cossin sincos tt t tt R R t 为负序旋转坐标变换矩阵 cossin sincos tt t tt R 式中 P d u P q u N d u N q u分别为电网电压的正序 负序的 d q 分量 对式 20 实施基于 的 abc dq0 同步旋转变 换 原三相静止坐标系 a b c 中的负序电压变换 成直流电压 而正序电压变换成 2 次谐波电压 利 用陷波器滤除 2 次谐波电压后可以得到同步旋转坐 标系 d q 中的负序电压分量 对负序电压分量进 行 dq0 abc 的反变换可以直接得三相静止坐标系中 的负序电压 图 5 示出了基于 的 abc dq0 同步旋转变换的 2 次谐波滤除法检测电网电压中负序分量的检测原 第 24 卷第 8 期 涂春鸣等 电网电压不对称对 D STATCOM 的影响分析及抑制 119 理图 图 5 电压负序检测原理 Fig 5 Negative sequence voltage detection 基于 的同步旋转变换矩阵为 abc dq0 coscos 23 cos 23 2 sinsin 23 sin 23 3 ttt ttt T 21 为了便于实现 图 5 中的陷波器采用非理想陷 波器 其传递函数为 22 0 22 00 s F s ss Q 22 式中 0为陷波角频率 Q 为品质因数 3 2 3 控制系统组成 D STATCOM 采用负序电压前馈控制时的控制 系统框图如图 6 所示 整个控制系统由正序控制环 和负序前馈环构成 正序控制器采用的是基于瞬时 功率平衡的模糊自适应 PI 直接电压控制器 11 因篇 幅所限不再赘述 其作用是维持 D STATCOM 公 共连接点电压 UPCC和 D STATCOM逆变器直流侧电 容电压 UC为给定值 负序前馈环的作用是让 D STATCOM 产生一个与公共连接点电压中负序分 量大小相等相位相同的电压 使得 D STATCOM 逆 变器流过的负序电流为几乎为零 有效地防止装置 过流 图 6 D STATCOM 控制系统 Fig 6 D STATCOM control system 当电网电压不对称时 公共连接点电压的参考 值为 22 PP PCCdq Uuu 23 图 6 中电网电压负序分量叠加到模糊自适应 PI 控 制 直 接 电 压 控 制 器 的 输 出 上 共 同 形 成 D STATCOM 逆变器的输出指令电压 abc eee 图 中的 abc dq 变换为基于 的同步旋转变换 dq abc 为其相应的反变换 4 仿真研究 4 1 改进开关函数调制方法仿真 图 7 给出了仿真时公共连接点的不对称电网电 压波形和 D STATCOM 直流侧电容电压波形 a 公共连接点电压波形 b 直流侧电容电压波形 图 7 电网电压波形和直流侧电容电压波形 Fig 7 Voltage waveforms of power system and DC side capacitor 图 7b 中可看出 当公共连接点电压不对称时 D STATCOM 直流侧电容电压出了 2 倍频的波动 图 8 给出了在电网电压不对称条件下 未采用 改进开关函数调制法时 D STATCOM 的输出电流波 形及其一相电流的频谱图 可看出 在电网电压不 对称条件下 未采用改进的开关函数调制法时 D STATCOM 的输出电流有畸变 含有 3 次谐波分 量 从 a 相电流的频谱图还可以看出 除了 3 次谐 波外 D STATCOM 的输出电流中还含有 1 5 次 2 5 次等非特征次谐波 图 9 给 出 了 采 用 改 进 开 关 函 数 调 制 法 后 D STATCOM 的输出电流波形和 a 相电流频谱 可 以看出 采用改进开关函数调制法后 D STATCOM 输出电流的波形得到明显改善 3 次谐波电流含量 明显减少 120 电 工 技 术 学 报 2009 年 8 月 a D STATCOM 输出电流波形 b a 相电流频谱图 图 8 未采用改进开关函数法时的仿真结果 Fig 8 Current waveform and spectrum without improved switch function modulation a D STATCOM 输出电流波形 b a 相电流频谱图 图 9 改进开关函数调制法的仿真结果 Fig 9 Current waveforms and spectrum with improved switch function modulation 4 2 负序电压前馈控制策略仿真 图 10 给出了电网电压不对称情况下无负序前 馈控制时 D STATCOM 的输出电流波形 图 11 为 引入负序电压前馈控制后 D STATCOM 的输出电流 波形 图 10 无负序电压前馈控制时的电流波形 Fig 10 Current waveforms without feed forward control for negative sequence voltage 图 11 有负序前馈控制时的电流波形 Fig 11 Current waveforms with feed forward control for negative sequence voltage 从图 10 和图 11 可以看出 采用负序电压前馈 控制后 D STATCOM 的输出电流平衡度得到明显 改善 输出电流的最大幅值也比没有采用负序电压 前馈控制时的电流幅值小 这样能在电网电压不对 称情况有效抑制 D STATCOM 的过流 从而提高 D STATOCM 在电网电压不对称情况下的可靠性 5 结论 本文运用开关函数法分析了电网电压不对称对 D STATCOM 输出性能的影响 运用对称分量法分析 了D STATCOM装 置 的 过 电 流 情 况 针 对 D STATCOM 输出电压中出现的负序和 3 次谐波 提出一种改进开关函数调制法 改善了装置的电压 第 24 卷第 8 期 涂春鸣等 电网电压不对称对 D STATCOM 的影响分析及抑制 121 输出性能 针对负序和 3 次谐波电流会导致装置过 电流的问题 提出一种负序电压前馈不对称控制策 略 有效地抑制了 D STATCOM 的过流 提高了装 置在电网电压不对称条件下的可靠性 仿真结果表 明 本文提出的方法是行之有效的 参考文献 1 Mishra S Panigrahi B K Tripathy M A hybrid adaptive bacterial foraging and feedback linearization scheme based D STATCOM C International Conference on Power System Technology Singapore 2004 275 280 2 Bhim Singh Jitendra Solanki Vishal Verma Neural network based control of reduced rating DSTATCOM C In IEEE indicon Conference Chennai 2005 516 520 3 Twining E Newman M J Loh P C et al Voltage compensation in weak distribution networks using D STATCOM C The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems 2003 1 178 183 4 Su Chen Ceza Joos Direct power control of DSTATCOMs for voltage flicker mitigation C 36th IAS Annual Meeting Industry Application Conference 2001 4 2683 2690 5 Ooi B T Kincic S Wan X T et al Distributed static var system SVS for regulated voltage support of load centers C IEEE Power Engineering Society General Meeting 2003 2 13 17 6 Pranesh Rao Crow M