关键字 |
| 同步参考系，瞬时电流分量理论，修正SRF，有源滤波器，谐波。刷驱动器。 |
介绍 |
| 电压不稳定问题越来越受到电力系统运行、规划和控制领域的重视。随着现有输电系统利用率的不断提高和负荷的增加，特别是随着能源需求的不断增加，以及发电和供应需求的竞争性，这些问题正成为一个更加严重的问题。在负荷较大的情况下，系统可能会出现较大的电压降。电压下降可以在任何时刻发生，振幅范围为10 - 90%，持续时间为半个周期到一分钟。电压膨胀不如电压下降重要，因为它们在配电系统中不太常见。电压下降是最常见的电能质量问题之一。当然，对于一个行业来说，停电比电压下降更糟糕，但电压下降更经常发生，并导致严重的问题和经济损失。公用事业公司经常把最终用户设备的干扰作为主要的电能质量问题。这对许多干扰、闪烁、谐波等都是正确的，但电压降主要是在较高的电压水平上产生的。雷电故障是引起架空线路电压下降的最常见原因之一。 |
| 如果由于电压下降造成的经济损失很大，缓解措施可以为客户带来利润，甚至在某些情况下为公用事业公司带来利润。由于没有适用于每个站点的标准解决方案，因此必须仔细规划和评估每项缓解行动。有不同的方法来减轻输配电系统的电压下降、膨胀和中断。目前，广泛的非常灵活的控制器，利用新可用的电力电子元件，正在出现自定义电力应用[3,4]。其中，分布式静态补偿器和动态电压恢复器是最有效的器件，它们都是基于VSC原理。 |
| 随着电力电子技术的进步和新的多电平转换器拓扑结构的出现，有可能在超出经典半导体限制的电压水平下工作。多级变换器通过一系列电压步骤来实现高压开关，每个电压步骤都在单个功率设备的额定范围内。在多电平转换器[1-4]中，级联h桥拓扑结构(CHB)在高压应用中特别有吸引力，因为它需要最少数量的组件来合成相同数量的电压电平。此外，由于其模块化结构，硬件实现相当简单，维护操作比替代多电平转换器更容易。近年来，多电平电压源逆变器被广泛应用于交流电源、静态无功补偿器、驱动系统等工业领域。多电平配置的一个显著优点是在不增加开关频率或降低逆变器功率输出的情况下减少输出波形的谐波[5-11]。多电平逆变器的输出电压波形由电平数组成，通常从电容器电压源获得。所谓多层次是从三个层次开始的。当层数达到无穷大时，输出THD趋于零。然而，可实现的电压电平的数量受到电压不平衡问题、电压夹持要求、电路布局和封装约束的限制。 |
| 如图1所示，STATCOM由一个三级VSC、一个直流储能装置、一个与DS并联的耦合变压器组成。VSC将存储设备上的直流电压转换为一组三相交流输出电压。这些电压是相的，并通过耦合变压器的电抗与交流系统耦合。适当调整STATCOM输出电压的相位和幅度可以有效控制STATCOM和交流系统之间的有功和无功功率交换。这样的配置使设备能够吸收或产生可控的有功功率和无功功率。 |
| 在这里，这种装置被用来使用间接控制的转换器提供连续的电压调节。如图1所示，分流注入电流Ish通过调节系统阻抗Zth上的电压降来校正电压跌落。可以通过调节变换器的输出电压来控制Ish的值。分流器注入电流Ish可以写成， |
 (1） |
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电流控制方式 |
| 提出了一种无不稳定性的峰值电流模式控制(PCM)控制电流的新方法。PCM在占空比超过一半的情况下不稳定。该方法在占空比小于1 / 2时采用PCM控制，在占空比大于1 / 2时改变控制策略。在传统的PCM方法中，电路电流的控制方式是不大于参考电流。当每个周期的电流超过基准时，控制方法将改变开关状态以减小电流。然而，当占空比大于一半时，该算法会导致电流不稳定。新方法将控制电路电流占空比大于一半，以这样一种方式，它不会变得小于参考。因此，当每个周期中的电流穿过基准时，控制方法将改变开关状态以增加电流。因此，根据占空比大于或小于一半的状态，控制器将分别切换到所提出的方法或传统的PCM。这将避免所有占空比[6]的不稳定性。 |
本文提出的电流方法在状态控制器上的应用 |
| 工程总体原理图如图2所示。作为单相STATCOM使用的逆变器的输出电压应与电网电压一致。同时，根据新的电流控制方法对占空比进行控制。为了采用这种方法，应确定占空比是大于一半还是小于一半。为了确定不同电压条件下的占空比，应根据电感压降计算电感电流。如果开关周期内电流增加时的电感压降大于电流减少时的压降，占空比将小于一半。这是因为电流上升到最终值所需的时间比它下降到底部值所需的时间要短。(1)和(2)中电感的电压电流方程很好地说明了这一点。 |
 （3） |
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| 根据式(2)计算不同电压条件及其占空比，如表一所示。例如，如果电网电压低于直流电压电源的半单位，则变频器输出产生的电压为零或直流电压的一个单位。为了增加电流，转换器的输出将被赋值为零。另一方面，为了降低STATCOM电流，一个单位的直流电压供应将分配到转换器的输出。在这种情况下，电流增加时电感器压降等于电网电压，电流减少时电感器压降等于电网电压与一个直流电压源之间的差值。由于假定电网电压低于直流电源电压的一半，因此电流增加时电感的压降小于电流减少时的压降。这意味着，如图4所示，电流增加所需的时间比电流减少所需的时间更长，这导致占空比大于表I所示的一半。 |
| 由于变换器的输出电压应与电网电压相一致。这是在电压过零期间改变开关状态的准则。然而，改变开关状态的主要措施是根据上述控制方法跟随参考电流。即根据式(2)定义的占空比状态控制逆变器电流。不同电网电压幅值的占空比状态见表一。在该表中，当电压幅值相对于直流电压电源处于一定范围内时，定义控制器的占空比状态。 |
| 为了在多电平逆变器上操作控制方法，还应确定影响电路电流的条件。应该有一个表来定义应该施加到逆变器输出电压终端的真实电压。有一些措施来选择合适的输出电压。其中一个标准是，电网电压应始终介于可由逆变器产生的最近可用直流电压幅度之间，如表II所示。例如，如果电网电压幅值大于VDC小于2vdc，则变换器输出电压将在VDC和2vdc之间切换，而变换器输出电压将在VDC和2vdc之间切换。 |
| 表二将使用DSP实现控制器。DSP根据上表并测量瞬时电流和电压来决定开关的状态。根据上表，DSP中的控制器框图如图3所示。根据图3，测量并网电压Vg和逆变器电流I，送入DSP。DSP根据上述网络参数和表对交换机进行控制。图3中的电流控制器块通过将PI输出值与领先电网电压90度的正弦信号相乘来生成参考电流。该信号被认为是当前控制器块中的参考信号。 |
| 然后控制器将根据网络条件和上表操作接口电流(I)。然后，控制信号将被馈送到PWM块以激活所选开关。开关真组按表一、表二选择。所提方法的仿真结果如图4和图5所示。图4描述了电容式运行时的逆变器电流(I)(逆变器电流以90度相位领先电网电压)和根据所提准则控制的参考电流。在这个图中，逆变器的电流是根据占空比(D)条件在一个完整的正弦循环中控制的。在图中还提到了占空比(D)条件(小于或大于一半)。 |
Matlab / simulink建模及仿真结果 |
| 本文采用两种拓扑结构进行仿真，三电平STATCOM，五电平多电平变换器STATCOM补偿电压起伏以改善电能质量 |
| A.无补偿器 |
| 图4为不含STATCOM的单相电路的MATLAB/Simulink模型。相应结果如图5和图6所示。 |
| 图5显示了其中凹陷含量的输出波形。这表示在没有STATCOM的情况下的凹陷电压。 |
| 功率因数输出波形如图6所示。很明显，没有统一功率因数，因为没有使用STATCOM。 |
| B.基于STATCOM的三电平逆变器 |
| 图7为带3级STATCOM的单相电路的Simulink电路 |
| 图8为3级逆变器接单相电路时的电网电流。 |
| 图9为单位功率因数的输出波形。很明显，电压和电流是同相的，由于使用了基于3级的STATCOM，所以有统一的功率因数。 |
| 图10显示了所提出的三级STATCOM输出电压。 |
| 图11为5级多级STATCOM单相电路的Simulink电路 |
| 图12为凹陷状态下STATCOM电流的输出波形。 |
| 图13显示了STATCOM电路的栅极电压。 |
| 图14为单位功率因数的输出波形。很明显，由于使用了STATCOM，电压和电流是同相的，并且有统一的功率因数。 |
结论 |
| 提出了一种新的基于3级和5级的Goertzel凹陷检测的多级STATCOM控制器和一种新的电流控制方式，并对其进行了仿真。该方法适用于DSP实现。它不需要像FFT那样进行大量的计算，也不容易受到噪声干扰。本文提出的电流控制方法在简单性和谐波谱方面也优于传统的电压控制方法。它是一种固定频率的方法，不存在滞后方法中的滤波和EMI问题。该控制方法还应用于级联多电平逆变器，实现了多级STATCOM。两种控制器均为单相控制器，可处理所有单相电压跌落干扰。仿真结果表明，3级和5级STATCOM能有效缓解电压跌落，使电压维持在安全范围内。 |
表格一览 |
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| 表1 |
表2 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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- E. Najafi和A. H. M. Yatim，“一种利用Goertzel算法缓解电压下降的静态补偿器的新型电流模式控制器”，能源转换与管理，vol. 52 pp. 1999-2008, 2011。
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