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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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FACTS控制器在配电系统电能质量改进中的应用

P.C.Pradhan1, P.K.Ray2, R.K.Sahu3.和J.K.莫哈拉纳4
  1. 印度奥里萨邦克塔克DRIEMS电子工程系助理教授
  2. 印度奥里萨邦BBSR iit EEE系助理教授
  3. 读者，电子工程系，vsut，布拉，奥里萨邦，印度
  4. 教授,部门。EEE, GITA, BBSR，奥里萨邦，印度
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

改善配电系统的电能质量是一个具有挑战性的问题，简单地升级网络可能并不经济。像STATCOM(静态同步补偿器)这样的FACTS控制器提供了一个有吸引力的替代方案，它们具有在有限的资本投资下提供稳态和瞬态电压补偿的潜力。然而，在网络薄弱的情况下，这些系统的运行需要仔细注意，以实现在所有供应条件下的稳定和快速响应。本文提出了一种基于STATCOM的控制策略，以改善配电系统的功率因数和电压调节，使其在各种系统条件下都能正常工作，并直接改善电能质量。仿真结果验证了该控制策略在一定工况下的稳定性和有效性。STATCOM的运行与分配供应系统，使农村消费者健康和富裕。

关键字
电能质量，控制器设计，PI控制器，STATCOM。

我的介绍。
电力公司和重工业面临着许多与无功功率相关的挑战。重工业应用会导致电网不平衡、失真或闪烁等现象。电力公司可能会遇到电压下降、功率因数差甚至电压不稳定的现象。无功功率控制可以解决这些问题。补偿无功功率的最先进的解决方案是使用电压源转换器(VSC)作为无功功率的可变源。与标准的无功补偿方案相比，这些系统具有几个优点。仅由发电机或电容器组产生的无功功率控制通常对于突然的负载变化和要求较高的应用(如风力发电场或电弧炉)来说太慢。与其他解决方案相比，电压源变换器能够提供连续控制，由于快速响应时间和单相控制还补偿不平衡负载而具有非常动态的行为。最终目的是稳定电网电压，最大限度地减少任何瞬态扰动。
静态同步补偿器(STATCOM)本质上是一个交流电压源，其中输出电压的幅度，相位角和频率可以控制[1]。STATCOM的组成部分是一个电压源转换器(VSC)，由连接的半导体阀和直流侧的电容器组成。该装置通过耦合电感并联到网络上，耦合电感通常由变压器泄漏电抗表示。所述基本电路如图1所示。一般来说，STATCOM可以提供功率因数校正、谐波补偿和负载平衡。与传统的静态无功补偿器(SVC)相比，STATCOM的主要优点包括能够在几乎任何网络电压下产生额定电流，更好的动态响应以及在直流侧使用相对较小的电容。电容器的尺寸在稳态无功发电中不发挥重要作用，这导致整体补偿器的尺寸和成本显著降低。不平衡条件下的STATCOM操作发生在补偿器与网络交换负序电流分量时。不平衡条件的来源大致可以分为两种情况。第一种情况涉及电压不平衡，轻微的不平衡是由不平衡负载引起的，而严重的不平衡是电力系统故障的结果。 As a consequence large negative-sequence currents may flow between the compensator and the network. Unbalance in network voltage also causes voltage distortion on the dc side of the converter and consecutively the generation of low order harmonics on the ac side [2, 3]. The second case concerns a compensator that is used for compensation of unbalanced loads. The dc-side voltage distortion and low order harmonics generation are a major problem also in this case. The over-current problem was addressed in some papers [4, 5] and load balancing described in [6–8]. However, the problem of dc-side voltage distortion is not thoroughly analyzed and is usually solved with the use of a sufficiently large capacitor allowing the reduction of the voltage ripple and increasing the size and cost of the device. Moreover, the STATCOM operation under unbalanced conditions is not analytically formulated thus making the development of an effective control algorithm difficult. The power factor PF is defined as the ratio of the active power P to the apparent power S . Thus
Pf = p / s (1)
对于纯正弦电压和电流，得到的标准表达式为
PF = cosΦ
因为在哪里Φ通常被称为位移因子。表中给出了农村消费者一年的功率因数调查。我
图像
可控无功功率允许在系统或负载端快速控制母线电压和功率因数。为了补偿整流器从电网中抽取的失真电流，STATCOM及其电流控制器必须能够跟踪源PWM(脉宽调制)转换器。线性控制更适合于文献[9-11]报道的STATCOM应用。本文提出了一种基于增益和时间常数调节的线性电流控制器和电压控制器，并根据耦合电感和存储电容的参数进行调整。
本文利用控制器参数建立了STATCOM的瞬态性能闭环模型。首先，在第2节中重点介绍了电力系统的建模，在第3节中给出了STATCOM与系统的状态空间模型。其次，在第四节中，设计了电流和电压控制器。在设计控制器参数下的模拟响应在第5节中给出。该方案是对Shauder等人提出的方案的扩展和显著改进。对所得结果进行了比较，并得出了相应的结论。

2电力系统建模
图像
5总线系统是一个简单的电力系统网络，如图2所示。5总线系统的目的是在一个简单的上下文中说明传输能力的概念以及各种操作对给定传输能力的影响。系统图中的总线1、2是发电机，图中的总线3、4、5是负载。权力的主要流向是从图的顶部到图的底部。负载的反应性需求(由负载箭头的空部分表示)很大。网络有7个支路，每个支路代表一条传输线。该模型为交流潮流模型;它代表了真实功率流和无功功率流以及电力系统非线性。与输电线路流量、电压量级和电压崩溃相关的操作极限被表示出来。5号弱总线连接工业区和当地消费者。 The power factor of this grid (Bus no.5) is poor and hence its power factor can be improved as the model given in Fig.3.
图像

3statcom的建模与分析
A.工作原理:
众所周知，STATCOM是，在原则上，一个静态(电力电子)的替代古老的同步冷凝器。图4是通过耦合电感在PCC上实现STATCOM的示意图。忽略STATCOM端电压中的谐波含量，在工作的感性负载下，STATCOM端电压与PCC处电压的基本相量图如图5所示。理想情况下，将STATCOM终端电压oa V的幅值增加到实用电压sa V的幅值之上，会在PCC处将导(容性)电流ca I注入系统中，如图4所示。
b .建模:
STATCOM的建模虽然众所周知，但为了方便起见，下面几行将对其进行回顾。建模是在以下假设下进行的:
1)所有开关都是理想的
2)电源电压平衡
3) Rs为变换器损耗和耦合电感损耗
4)开关动作引起的谐波含量可以忽略不计
将相距1200的三相平稳abc坐标向量转换为αβ两相固定坐标(在正交中)。α轴与一轴并导对齐β轴和dq均转换为两相旋转坐标。Park的abc到dq变换矩阵如式(3)所示。
图像
C.稳态和瞬态分析:
详细的稳态和瞬态响应与表。我我are given in Fig.6 and responses suggest the static and dynamic conditions of the STATCOM. It can be seen that the transient responses take about one and half power cycle to reach at their steady state values.
图像

四、控制器设计
假设系统电压与STATCOM输出电压同相，则式(4)可以修改为式(5)
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A.电流控制器设计:
上述系统的当前控制器设计可以使用策略[12-14]尝试解耦d轴和q轴方程(见(5))，使MIMO系统简化为两个独立的单输入单输出(SISO)系统。因此，控制输入vod和voq配置为
图像
将式(5)替换为式(6)，由表中电路参数Ls和Rs得到式(7)。II、PI参数值如式(8)所示。
图像
B.电压控制器设计:
直流电压dc v与直流电流dc i的关系为
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C.建议的功率因数改善控制策略:
提出的闭环系统框图如图7所示。它有一个内电流控制环和一个外电压控制环。由于明显的原因，内部(电流)控制器比外部(电压)控制器动作快得多。STATCOM电流的无功分量，cq i，与参考无功电流，* cq i(负载电流的无功分量，lq i)进行比较。误差通过pi控制器(在(8)中设计)传递，产生受控电压。STATCOM变换器终端电压的无功分量产生如图7控制方案所示。STATCOM电流的有功分量cd i决定流入变换器的有功功率(弥补系统损耗)。DC-link电压控制器(11)向cdi的piccontroller产生参考电流* cdi。STATCOM变换器终端电压的d轴分量是由cd i的pi控制器的被控电压、串联电感的压降的q轴分量和电网电压的有源分量相加(适当符号)而产生的。生成单位矢量sin wt和coswt，参考矢量沿d轴对齐，这是通过保持相电压v (t) sa与单位矢量sin wt之间的相位差为零来实现的。 Hence, the d and q -axes of the STATCOM converter terminal reference (rotating) voltages, * o,dq v , with unit vectors, are transferred back toα-β固定的变量。6个用于STATCOM开关器件的逻辑脉冲是在α-β空间矢量脉冲宽度调制静止帧
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D.系统模型:
式(12)所示三相PCC电压假设无零序分量，转换为式(13)所示的d-q变量。从PCC端进入网络的等效电压源如图8所示。
图像
图像
PCC电压大小定义为:
图像
将式(16)代入式(15)得到
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E. PCC电压控制器设计:
假设系统平衡，PCC电压带电流控制器如图9所示。如式(18)所示，可以使用pi控制器将任意带宽分配给闭环系统。
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图9的开环传递函数由式(19)给出，Bode图，假设一阶传递函数;PI的参数设计如式(20)所示。
图像
F.建议的调压控制策略:
提出的闭环系统框图如图10所示。该控制块如图7所示，增加PCC控制回路，PCC控制器控制的无功电流作为无功电流控制器的参考。
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五、仿真结果
A.荷载模拟结果:
一个线性负载，用R ï '  L参数(表ii中给出)模拟，连接到网格。在没有STATCOM运行的情况下，电网侧共连接点(PCC)的a相电压(sa v)和电流(sa i)波形如图11所示。可以提到的是，在这里和其他地方(除非另有说明)sa v是按10:1的缩小比例绘制的。在稳态下，功率角为39.640(因此功率因数为0.77)。为了提高功率因数，STATCOM现在将与该系统以及所提议的控制器进行闭环操作。
图像
B. STATCOM提高功率因数的仿真结果:
然后用PI控制器控制直流链路电压，用PI控制器控制STATCOM的d轴和q轴电流，如图7所示。这些控制器工作和STATCOM功能的初始值直流链路电压低于550V。在初始直流链路电压为550V时，相关输出如图12至图18所示。图12给出了在直流链路电压下采用PI控制器后的系统电压和系统电流动态，与图11相比，在一个周期后，系统电压和系统电流的过冲仅为20A，功率因数提高，在STATCOM电流的情况下，系统电压和系统电流的动态也相同，如图13所示。图14和图15显示了直流链路电压和电流在4个周期内的瞬态动态。图16和图17显示，由于参考电流(负载无功电流)的变化，STATCOM电流和直流链路电压的变化很小，显示了控制器的鲁棒性。系统电压和STATCOM电压如图18所示，线性模型显示两者是同相的。如图19所示，该控制器在初始电压为700V时工作良好，无尖峰。图19与图11相比，该控制器对系统功率因数的改善，进而对系统电能质量的改善。
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C. STATCOM调压仿真结果:
从图20 (a)可以看出，在没有补偿的情况下，当负载减小时，电压从167 V增加到174 V，增加了约6%。图20(b)为对图20(a)补偿后的模拟波形。由于电源不平衡，图21 (a)和(b)分别给出了没有STATCOM和有STATCOM的模拟波形。图21(b)与图21(a)相比，电能质量有所改善(无膨胀和凹陷)。图22显示了STATCOM连接到供电系统时的系统响应和注入电流。
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六。结论
STATCOM补偿器是一种FACTS器件，可以在电流控制模式下工作，补偿电压变化、不平衡和无功功率，也可以在电压控制模式下工作，作为电压稳定器。研究了STATCOM在配电系统中提高功率因数和调节电压方面的性能

参考文献














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