基于电流间接控制的STATCOM系统仿真研究

摘要：静止同步补偿器(STATCOM)因具有无功补偿响应速度快、连续调节范围宽等优点，已经现代电力系统中重要的补偿设备之一。对不同控制策略STATCOM的补偿效果进行研究是谊领域值得关注的关键问题。在此对STATCOM主电路进行四重化的结构优化，有效降低谐波含量，控制策略上采用电流间接控制方法，在Matlab／Simulink平台上实现了补偿系统的建模和仿真，通过比较补偿前后系统功率因数的变化，验证了所采用控制策略的正确性和有效性。
关键词：静止同步补偿器；电流间接控制；电流直接控制；柔性交流输电系统

    随着工业化进程的加速，对电能质量要求也日益严格，如何提高现代电力系统可靠性、可控性、快速性已成为亟待解决的问题。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是柔性交流输电系统(FACTS)的重要设备之一，在稳定系统电压、提高功率因数、增加传送容量等方面发挥着重要的作用，代表着无功补偿技术的发展方向。STATCOM主电路架构不同、控制策略不同的对应着不同的补偿效果和成本。

1 STATCOM工作原理简述
    采用STATCOM进行补偿无功具有连续调节范围大、控制响应精准快、运行经济可靠等优点。其工作原理图如图1所示。STATCOM主电路由逆变器和直流侧电容构成，经变压器接入电力系统。在理想情况下STATCOM装置等效为“可控电压源”，设其输出电压为UI，系统电压为US，两者同相位。当UI>US时，电流从系统流向STATCOM且电流相位超前系统电压90。，装置输出感性无功；反之，当UI<US时，电流从STATCOM流向系统且电流相位滞后系统电压90°，装置吸收感性无功；当UI=US时，系统与STATCOM之间的电流为0，不交换无功功率。

     稳态时，STATCOM从系统吸收的有功功率和无功功率的计算公式如下：
   
    式中：US是系统电压；R是系统等效电阻；δ是系统电压和装置输出电压之间的相位差。当δ<0，Q<0吸收容性无功；当δ>0，Q>0吸收感性无功。通过调整δ，就可对STATCOM的无功功率进行连续调节。

2 STATCOM的间接电流控制策略
    根据是否直接控制输出电流来分，STATCOM可分为电流直接控制和电流间接控制两种控制策略。间接电流控制是指对STATCOM装置中逆变器所产生的交流电压基波的相位和幅值的控制，以此来间接控制STATCOM交流侧电流。间接电流控制分为单δ控制和δ与θ配合控制。采用单δ控制时，虽然简单有效，但忽略了对θ的控制，使得直流侧电容电压稳定困难、损耗增加。在δ与θ配合控制中，δ角的控制用于无功功率控制，而对θ角进行控制可起到维持电容电压稳定的作用。因此可对无功功率控制采用逆系统非线性PI方法，对STATCOM直流侧电容电压采用传统的PI控制方法，两个控制环互相独立，互不干扰。 

    图2为δ与θ配合的逆系统PI控制框图。图中，三相瞬时电压uA,B,C和瞬时电流iA,B,C，经过α，β变换和瞬时无功功率计算得到补偿无功功率Q，并与参考补偿无功功率Qref进行比较，经过PI环节得到控制量δ，参考电压uref与直流侧电压udc进行比较，经过PI环节得到控制量θ，将控制量δ和θ作为控制参数输入STATCOM控制系统。

3 系统模型搭建及仿真结果分析
    通过以上对STATCOM的原理和控制策略的分析，在此将在Matlab／Simulink环境下对其进行系统级的建模仿真。Matlab／Simulink被广泛应用于电力系统的建模和仿真中。
3．1 系统模型搭建
    按照图3所示，在Matlab／Simulink中搭建基于间接电流控制的STATCOM的系统仿真模型。图中用无穷大系统电压的有效值为，频率为50 Hz，额定负荷为S=9 000+j9 000。STATCOM的主电路48脉冲变流器(48 Pulses Inverter)组成。系统仿真可采取离散化处理来加快仿真速度，仿真步长设定为TS=2．5×10-5s。

3．2 仿真结果分析
    仿真中，系统负荷为三相平衡负荷，因此可取A相电压和电流波形作为代表进行观察。图4为补偿前系统A相电压电流相位比较图。在图中，电压波形的幅值较电流波形的幅值大，电压相位超前电流相位90°。图5为系统补偿前的功率因数，其数值保持在0．707，与理论计算值相符合。
    图6为补偿后系统A相电压电流相位比较图，电压和电流波形相位已基本趋于一致，因此可以获得较高的功率因数。

    图7给出的系统补偿后功率因数曲线的也证明了这一点。因变流器直流侧电容需要进行充电，所以在起始阶段功率因数发生振荡，完成电容充电后振荡很快消失(在0．06秒附近)，之后STATCOM进入稳态工作区，功率因数接近于1。

4 结语
    本文对电流间接控制策略进行了分析，实现了基于电流间接控制方法的STATCOM的系统仿真，仿真结果验证了所建立模型的正确性和有效性。电流间接控制方法的优点在于结构相对简单，技术也比较成熟，但与电流直接控制方法相比，间接控制方法存在控制精度较低，电流响应速度较慢。应针对其优缺点做进一步研究，根据不同场合合理选择。