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基于FBD法的DSTATCOM装置控制策略研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 基于 FBD 法的 DSTATCOM 装置控制策略 http://www.paper.edu.cn 研究 齐敦金，唐轶** （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要：为更好的对无功功率补偿与控制，本文提出一种基于 FBD 法的 DSTATCOM 装置控制策 略，并搭建了完整的三相电力仿真系统。该仿真系统负荷调整过程为 50Kvar 感性-零无功 -50kvar 容性，所设计 DSTATCOM 装置能够实时有效的调整补偿电流输出，完全补偿系统无 功损失，暂态过程过渡稳定，动态响应时间在半个周波以内。经过本文大量仿真验证，该算 法计算量较小，适合于硬件实现。 关键词：电力系统及其自动化；FBD 法；DSTATCOM；控制算法；仿真 中图分类号：TM762 Research of control algorithm for DSTATCOM based on FBD-Method QI Dunjin, TANG Yi JiangSu XuZhou 221008) (School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Abstract: For better reactive power compensation and control, this paper presents a method to control DSTATCOM based on FBD theory, and build a complete three-phase power simulation system. The change process of load is 50Kvar inductive reactive power-the zero power-50Kvar capacitive power. The compensation current of DSTATCOM will tracking the reference current and compensate the reactive power loss of system. The transient process of compensation is stability and the time of dynamic response is less than 25ms. Through a large number of simulation experiment, the results could prove the correctness of control algorithm based on FBD theory and feasibility of implementation with Microcontrollers. Keywords: electric power system and its automation; FBD-Method; DSTATCOM; control algorithm; simulation 0 引言 近年来，各电力用户对电能质量的要求越来越高，对电能应用过程中出现的各种质量问 题越来越重视[1]。这是因为，现代化生产过程中所使用的各种先进设备对供电敏感度不断增 加。要解决电能质量问题，通常的措施是对干扰源进行隔离、补偿，从而消除其影响。研究 表明[1]，如果干扰来自系统侧，串联补偿方式效果较好；如果干扰是用户自己产生的，则应 采用并联补偿方式。而属于用户电力概念范畴的 DSTATCOM 装置具有动态响应速度快，补 偿电流不依赖于系统电压、谐波抑制能力强，有功损耗小，占地面积小等优点，得到了广泛 的研究和应用[1-10]。 FBD( Fryze-Buchholz-Dpenbrock) 法是一种时域功率理论,由德国学者 S.Fryze 提出,经过 F.Buchholz 和 M.Dpenbrock 等人的进一步研究,逐渐形成体系[2],该方法实时性好、适用范围 广，近些年有国内外学者将 FBD 法和三相电路瞬时无功功率理论进行比较,指出三相电路瞬 时无功功率理论可以看作 FBD 法的特例[3,4]，并将其用于实时电流检测，取得了良好的效果。 作者简介：齐敦金，（1984-），男，硕士研究生，主要从事电能质量设备控制器的研究 通信联系人：唐轶，（1957-），男，教授，主要从事电力系统及其自动化和电能质量控制领域的研究、教 学工作. E-mail: tangyi@cumt.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 本文将其应用于 DSTATCOM 装置检测基波无功电流，仿真验证基于 FBD 法设计的 DSTATCOM 装置无功补偿效果较好，动态响应快，具有一定的实用性。 1 FBD 法矢量描述 45 FBD 法基本思路是[5]：把实际电路中的负载等效为理想电导元件，认为电路中的功率都 消耗在这个等效电导上，根据等效电导对电流分解，讨论各电流分量的性质。 把一个实际电路等效为 m 相系统，能量从源系统传递到负载系统。等效电路如图 1 所 示。 50 55 图 1 m 相等效系统 Fig.1 m-wire equivalent system 令系统电压矢量为 u = u u ( , 1 2 , , u m )T 素分别为各相电压、电流瞬时值。定义瞬时总电压 ( ) 荷功率 效电导 ( ) t∑ ，瞬时总有功功率 P ( ) pG t ，有功电流 pi ，零功率电流 zi 等数学描述如下[6]： pP ，系统电流矢量为 u ( ) t∑ ，瞬时零功率 zP ( ) , i = i 2 i ( , 1 ，矢量的元 )T t∑ ，瞬时总电流 ( ) i , m t∑ ，瞬时总负 i t∑ ，等效电导平均值G ，等 u 2 n ; i ∑ t ( ) = + m ∑ n 1 = t ( ) t ( )) 2 i 2 n ; ; ∑ P ∑ u ( ; G t ( ) p = i u i n n ; = m ∑ n 1 = m = ∑ n 1 = P t ( ) − z i i = − m ∑ = n 1 = n = i i u i G u ( n ∑ ; t ( ); p i u i n ; z m ∑ 1 = t ( ) = + n ∑ P t ( ) ∑ u t ( )) t ( ) = u i , ( 2 u ∑ G = P ∑ = P p t ( ) u i , ∑ P P p i G t u i ; p = i ( ) t ( ) p z P z P z t ( ) = u i , z t ( ) 0; = ∑ ∑ = ∑ ∑ ∑ t ( )) ; 2 （1.1） ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭ P ( ) 其 中，总 负荷 功率 t∑ 与 瞬时总 有功 功率 t∑ 主 要区别 就在 于瞬时 变 量 t∑ 。假定负荷电流的所有无功部分可以忽略的话，则补偿器的瞬时功率可以表示为 t∑ ，它主要由储能元件电容充放电时电容储存能量波动 造成[6]，稳态情况 t∑∫ zP ( ) ( ) ( ) ( ) pP zP zP 60 - 2 -
    中国科技论文在线 下为一周期函数。 http://www.paper.edu.cn 上面的结果都是在瞬时条件下得到的，因而从理论上讲，若有一个合适的功率补偿装置 与负载并联，就可以实时地补偿 zi 。 2 基于 FBD 法的指令电流检测方法 sau sbu scu TL TL TL TR TR TR abcu abci dcu conL conL conL ai * bi * ci * conR conR conR + 65 图 2 DSTATCOM 装置无功补偿等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of reactive power compensation with DSTATCOM 图 2 中，DSTATCOM 装置连接电感和电阻分别用 conL 和 conR 表示，电源侧变压器等效 70 电感和电阻分别用 TL 和 TR 表示。三相电源电压为 u s = u u u ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ SA SB SC ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ≡ Us sin( sin( sin( wt wt wt ) − + ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ 2 π 2 π 3.) 3.) （2.1） 假设功角为ϕ，此时三项负载电流为 i L = i ⎡ ⎢ i ⎢ i ⎢ ⎣ LA LB LC ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ = Im ⎡ sin( ⎢ ⎢ ⎢ sin( ⎢ ⎢ sin( ⎢ ⎣ ) ω ϕ − t ω ϕ − − t ω ϕ − + t ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ 2 π ) 3 2 π ) 3 （2.2） 75 80 依据 FBD 法关于瞬时功率平均值和瞬时总电压定义，得到 P p Imcos Pϕ u i , t ( ) const = = = （2.3） u ( t ( )) 2 = u u , 2 Us U = const （2.4） ∑ ∑ Us 3 3 2 = 本系统采用无穷大电源，三相电压对称，随着 DSTATCOM 装置的投入，DSTATCOM 需要从电源吸收有功功率用以补偿自身功率损耗，同时保证支撑电容电压维持在整定值，引 入装置功率损耗 ( ) ∑ P P = const 负荷等效电导为 lossP t 和 ( ) cP t 。此时总的瞬时功率为 u i , + （2.5） P t ( ) loss P t ( ) c t ( ) = + - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn G t ( ) p = ∑ t p ( ) ∑ t u ( )) ( 2 = u i , u u , = P const U const （2.6） + P t ( ) c （2.7） （2.8） t ∆ （2.9） p 2 = ( = ( const G t ( ) G t ( ) ∆ DSTATCOM 装置等效电导为 P t ( ) loss U =∑ p t ( ) ∑ t u ( )) 此时，功率电流为 i + ∆ p 由功率守恒关系 1 ( C u ∆ 2 由式（4）、（7）、（9）化简得到 dcu ∆ K G t G t u ( )) P t loss P t ( ) c ( )* ( )) ∆ = 2 ) = ( * + dc p p s 85 90 t ∆ （2.10） 为保证直流电容电压维持在稳定值，引入 PI 调节器调节 DSTATCOM 装置直流电容电 压，如式（11）所示。 + G t ( ) ∆ K u ∆ = p dc K i u ∆∫ dc （2.11） 3 仿真分析 95 3.1 系统参数选取 DSTATCOM 装置设计容量为 baseS = 50 var k ，系统额定电压为 baseU = V 380 ，计算得 到 I base = S base U 3 * base = 75.97 A ， Z = base 3.1.1 等值损耗电阻 conR 的选择 U 3 * base I base = 2.888 Ω 。 100 105 110 等值损耗电阻 conR 代表 STATCOM 本身的损耗，分析取值时比较复杂。其包括功率 器件的开关损耗和通态损耗，线路损耗和电抗器损耗等，一般情况下小于 5%，取为连接电 抗的 20%左右[7]。假设输出 50Kvar 无功时，本装置有功损耗为 3%，计算得到等值电阻 conR = 3.1.2 连接电感 conL 的选择 Ω 。 0.07 在 D-STATCOM 系统中，连接电抗器起着重要的作用。连接电抗器的首要任务是缓冲 电网电压与逆变器输出电压之间的差异，同时对逆变器输出电压中的谐波分量起到滤波作 用。文献[8]分析了连接电感对补偿器的器件选择、结构设计、谐波特性、抗干扰能力及功率 损耗等方面的影响，提出从装置的谐波特性和经济性来考虑，滤波电抗的标幺值的合理范围 为 0.2~0.5。本文选择连接电抗为 22%，计算得到连接电感 。 mH 2 = conL 3.1.3 支撑电容 C 的选择 直流侧电容用于为电压型逆变器提供一个稳定的直流电压源。从理论上讲，它可以有很 - 4 -
    115 120 125 130 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 宽的取值范围，但直流电容值对 DSTATCOM 装置的运行特性和造价有很大的影响[9]。当直 流电容选择太小，由于储能小，电容电压波动大，出口电压电流谐波含量大，对系统不能起 到很好的稳定作用。当电容选择太大时，动态响应时间较长，工程造价高。参考文献[7,9,10] 中的相关选择方法，通过仿真实验验证，支撑电容 C 为 3200uF 时，直流电容参考电压为 700V 时电容电压波动较小，出口电压电流谐波含量较小，动态响应较快。 3.2 仿真结果 采用本文所给出基于 FBD 法的指令电流检测方法设计控制结构如下图所示： abcu pG t ( ) ∑ P t ( ) ∑ u t ( )) ( 2 i Labc dcu * dcu i * abc Saturation i Cabc 图 3 DSTATCOM 控制系统结构 Fig.3 The control system structure of DSTATCOM 基于上述模型，本文采用 MATLAB 软件设计仿真系统。首先，负荷给定 50Kvar 感性 无功功率，开通 DSTATCOM 装置进行无功补偿，0.2S 时刻之后投入约 50Kvar 容性无功功 率，系统负荷恢复到零无功状态，0.3S 时刻再次投入约 50Kvar 容性无功功率，系统负荷变 为容性，即整个负载调整过程为感性—零无功—容性。给出系统整个调整过程（调整时间 0.1S-0.4S）如所示，各图依次为负荷电压电流波形（电压单位为 V，电流单位为 A），补偿 后节点电压电流波形（同上），DSTATCOM 装置输出电压电流波形（同上），DSTATCOM 支撑电容电压电流波形（同上），补偿前后系统功率因数（红色线条为补偿后系统功率因数， 同上），补偿前后系统无功功率波形（红色线条为补偿后系统无功功率波形，同上），补偿 电流跟随指令电流情况（红色线条为补偿电流波形，同上），三相负荷电流（同上），三相 补偿后电源电流（同上），三相 DSTATCOM 装置输出电流（同上）。 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0.1 负荷电压电流 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 补偿后电压电流 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0.1 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 直流电容电压电流 DSTATCOM电压电流 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 补偿前后系统功率因数 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 补偿后三相电源电流 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 300 200 100 0 -100 -200 -300 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 x 104 补偿前后系统 无功功率 6 4 2 0 -2 -4 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 -6 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 补偿电流跟踪指令电流过程 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.1 0.4 三相负荷电流波形 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 DSTATCOM输出三相电流波形 0.4 800 600 400 200 0 -200 -400 0.1 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.1 135 140 145 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 图 4 包含 DSTATCOM 装置三相供电系统仿真结果 Fig.4 Simulation results of three-phase power supply system with DSTACOM 0.4 仿真结果分析： （1）整个负荷调整过程中，DSTATCOM 装置始终能够跟据负载情况做出快速调整（动 态调整时间在半个周波以内）。从补偿后电源电压电流波形可以看出，补偿后电源电流基本 没有变化，仅在 0.2S 和 0.3S 调整之后幅值略有增加（增幅在 1%以内），这是由于增加容 性负荷中少量有功功率造成的。另外，从三相补偿前后电流波形可以看出，分别在 0.2S 时 刻和 0.3S 时刻出现有两相电流超过额定电流两倍的尖峰脉冲，这是由于负荷改变时所引入， 与 DSTATCOM 装置无关。 （2）DSTATCOM 装置输出电流随着负荷变化而变化，谐波含量在 1%以内，主要谐波 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1n ± 次，其中 1, 2 次数为 6 以无静差的跟踪指令电流变化，以达到实时补偿调整的目的。 n = 。从补偿电流跟踪指令电流波形图可以看出，补偿电流可 150 155 160 165 170 175 180 185 （3）直流电容电压能够跟随直流参考电压实时调整，电容电压波动较小，正常情况下 波动为700 5± V，在 0.2S 时刻和 0.3S 时刻，由于负荷做出调整，电容电压波动为700 15± V。 电容充放电电流较大，约为 150A。 （4）从补偿前后功率因数波形可以看出，负荷功率因数变化过程 0.25—0.95—0.25，补 偿后系统功率因数为 1，在 0.2S 和 0.3S 负荷调整时刻功率因数略有变化，但功率因数整个 过程大于 0.95。 （5）从补偿前后系统无功功率波形可以看出，负荷无功功率变化过程为 50Kvar 感性无 功—接近零无功—约 50Kvar 容性无功，经 DSTATCOM 装置调整后，负荷基本为零无功状 态。 4 结论 本文给出一种基于 FBD 法的 DSTATCOM 装置控制策略，和基于其他瞬时无功理论的 实时控制算法相比较，该控制策略仅采用一个 PI 调节器和低通滤波器，算法实现容易，计 算量较小，适合于硬件实现。经过大量仿真验证，本文所给出的控制策略能够有效补偿系统 无功，所设计 DSTATCOM 装置电容电压波动较小，出口端电压电流谐波含量较少，动态响 应速度快。此外，基于 FBD 法的电流检测方法还可以检测负荷电流中的谐波和负序分量， 并能够得到有效补偿，经仿真验证，该装置也可以用于补偿负荷不平衡和负荷谐波电流的情 况，且补偿效果良好。 [参考文献] (References) [1] [1]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2006. [2] [2]黄宇淇，孙卓，姜建新等.FBD 法及其负荷控制在有源滤波器中的应用[J].电力系统及其自动化，2006， 30(7):65-68 [3] [3]孙卓，姜建新,朱东起.三相电能质量调节器的检测及控制新方法[J].清华大学学报(自然科学版)，2004， 44(10):1297 -1301 [4] Paredes, H.K.M, Marafao, F.P, da Silva, L.C.P. A comparative analysis of FBD, PQ and CPT current decompositions - Part I: Three-phase, three-wire systems[A]. 2009 IEEE Bucharest power tech conference[C].Romania:Bucharest. [5] 陈峻岭，姜建新，孙卓等.基于 FBD 法的三相电力系统电流检测方法的应用[J].电力系统及其自动化， 2004，28(24):23 -27 [6] Depenbrock, M, Staudt, V.The FBD-method as tool for compensating total nonactive currents[A].8th International Conference on harmonics and quality of power[C].Greece:Athens. [7] 陈锐坚.低压静止同步补偿器的研究[D].北京：清华大学，2004 [8] 同向前，焦妍莹，申炜.静止同步补偿器滤波电感的选择[J].电力电子技术，2007，41(2):93-95 [9] 欧开健.STATCOM 直流电容值对系统谐波含量和电容电压波动幅值的影响及其选择[J].电力自动化设 备，2004，24(6):6-9 [10] [10]王仲鸿，姜齐荣，沈东.关于新型静止无功发生器模型参数及暂态控制模型选择的讨论[J].电力系统 及其自动化， 1999,23(24):43-45 - 7 -
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