配电网电压不平衡下级联型DSTATCOM控制方法研究

汪浩川，黄云辉

（1.中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518000；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

1 研究背景及意义

近年来，作为一种性能优越的无功补偿设备，配电静止同步补偿器（DSTATCOM）越来越多地应用于配电系统的无功调节。DSTATCOM主要用于调节功率因数、稳定电网电压、稳定潮流以及提高电力系统动态性能[1]。目前，级联多电平结构的DSTATCOM在配电网中得到了广泛应用，优点在于：输出多电平电压，减少谐波含量，提高电压等级；避免开关器件串联带来的问题；可直接并网，不需要升压变压器，节约成本[2]。

然而，在工程实际的运行中，DSTATCOM经常会面临配电网电压不平衡问题。文献[3]表明，在美国有部分配电网电压的不平衡度超过3%。在中国，一方面由于工业现场电焊机等单相负荷和电弧炉等不平衡负载的大量应用，导致了电网电压不平衡问题[4]；另一方面电动汽车和分布式光伏电源等多元负荷的广泛接入，可能会加剧配电系统的负荷峰谷差和三相不平衡问题[5]。超过一定程度的配电网电压不平衡将对并网装置产生不利影响，包括感应交流电机、变速驱动系统以及其他的电力电子设备。在传统的控制方法中，DSTATCOM一般被控制成正序电压源。由于DSTATCOM的负序等效电路的阻抗很小，当电网电压出现不平衡时，自身将流过非常大的负序电流，如果不采取保护措施，可能会烧毁开关元件[6]。此外，运行在配电网电压不平衡条件下，DSTATCOM会出现二倍频的直流电压分量和三倍频的交流电流分量，严重影响控制动态性能和无功补偿能力[7]。

可见，配电网电压不平衡是DSTATCOM必须面对的重要问题。DSTATCOM一方面要保证自身正常运行不脱网，另一方面要保证向电网提供无功支持，减缓电网不平衡给负载带来的负面影响。部分文献对电网不平衡时DSTATCOM采用的控制方法进行了研究。文献[8]针对电压不对称工况通过改变正序和负序无功功率指令值的比例，在电压不对称工况下柔性地调节输出的正序和负序无功功率，改善公共连接点电压。在无功功率分序控制的基础上，文献[9]研究利用瞬时对称分量法对各个采集电气量进行序分解，构建正、负序等效电路，根据直接功率控制算法分别对无功和三相不平衡负荷补偿，消除了DSTATCOM在电网电压不对称时可能产生的过流威胁。

本文主要研究一种配电网电压三相不平衡条件下级联多电平DSTATCOM的控制方法。全文各章节安排如下：第2节研究级联多电平DSTATCOM的数学模型及控制方法；第3节针对配电网电压不平衡条件，提出基于负序控制、零序电压注入和直流电压均衡控制结合的控制方法；第4节对所提出的方法进行了仿真验证，验证该方法的适用性和有效性；第5节对全文进行总结。

2 级联多电平DSTATCOM的数学模型及控制方法

2.1 级联多电平DSTATCOM的数学模型

级联多电平结构是由多个电平合成阶梯波以逼近正弦电压。这种变换器由于输出多电平电压，可以减小谐波，优化输出电压频谱，减小每个开关管受到的应力大小，可以避免dv/dt过大而导致的过压过流问题。本文采用级联型多电平逆变器构成三相DSTATCOM的主电路，每相由3个H桥变换器级联而成，三相之间采用星形连接。基于线电压和相电流的瞬时值，星型连接的级联多电平DSTATCOM的数学模型可以表示如下：

其中，ua、ub和uc分别表示各相变换器输出的电压，且Lga=Lgb=Lgc=L。

由式（1）、式（2）和式（3）可以得到：

变换器输出的零序电压分量为：

因为ia+ib+ic=0，所以式（4）可以写成：

同理，另外两相的电压也能得到这种形式。因此，星型连接的级联多电平DSTATCOM的电压方程可以表示为：

2.2 级联多电平DSTATCOM的常规控制方法

级联多电平DSTATCOM的常规控制方法，如图1所示。根据分层控制思路，可以分为上层控制和下层控制。

图1 级联多电平DSTATCOM控制框图

上层控制采用内、外环级联控制，外环为直流电压控制和无功控制，内环为矢量电流控制。直流电压控制的作用是维持直流电压的稳定，保持直流侧功率平衡。无功控制的作用是对电网电压提供无功支持，维持电网电压的稳定。直流电压控制的输出是d轴电流的参考值；无功控制的输出是q轴电流的参考值。电流控制的作用是跟踪外环的输出值，并提供快速准确的电流保护。直流电压控制器通过改变d轴电流指令值向电网吸收少量有功功率来补偿装置上的有功损耗并为直流电容充电。上层控制产生的三相调制信号传输到下层控制。下层控制主要包括调制模块，通过一定的调制方法将触发信号按照一定的规律分配给每个开关，从而对开关的开闭进行有效控制。

3 配电网电压不平衡条件下级联多电平DSTATCOM的控制策略

常规的级联多电平DSTATCOM控制方法不足以应对配电网电压不平衡时的情况。负序电流的增大及子模块直流电压的不稳定会损害DSTATCOM正常运行甚至损坏元器件。在常规控制方法基础上，本节提出了基于负序控制、零序电压注入和子模块直流电压均衡控制结合的控制方法，以使DSTATCOM在电网不平衡时正常运行。

3.1 负序控制

配电网电压不平衡下的负序控制分为两部分：一部分是负序电流指令计算，如图2（a）所示；另一部分是负序电网电压计算，如图2（b）所示。负序电流的指令值通过检测三相直流电容电压Vca、Vcb、Vcc计算出dq分量Vcd和Vcq，然后将dq分量引入PI控制器进行微调，最后进行坐标变换得到。将负序电流指令值与正序电流指令值相加，作为电流控制其的指令值。采集三相不平衡的电网电压，将其进行正负序坐标变换，分离正序电压分量upα、upβ和负序电压分量unα、unβ，并通过低通滤波器滤除低频谐波。将滤波后的正负序电压分量进行坐标变换得到正负序dq分量upd、upq和udα、uqβ，分别相加得到最后的电网电压前馈补偿值ugd、ugq。

图2 负序控制框图

3.2 零序电压注入

通过计算零序电压补偿到变换器三相输出电压上，可以有效调节每相的有功功率，有利于直流电压的调节，计算为：

通过注入合适的零序电压分量，可以达到控制每相功率的目的。其中，U0和φ0表示零序电压矢量U0的幅值和相位，Uga、φga和Ugb、φgb表示A相电网电压矢量Uga和B相电网电压矢量Ugb的幅值和相位，Ia、φia和Ib、φib分别表示A相电流矢量Ia和B相电流矢量Ib的幅值和相位。如果零序电压注入能合适地补偿变换器的输出电压，电网或负载不平衡时产生的零序电压可以被抵消。星型连接的DSTATCOM系统可以分为3个独立的单相，有利于电网或负载不平衡时负序电流的跟踪控制。

3.3 子模块直流电压均衡控制

子模块直流电压的均衡控制方法是通过微调每个模块的有功功率实现每相每个模块直流的电压平衡。图3显示了电网不平衡下直流电压均衡控制方法。以A相为例给予说明。首先，每个子模块直流电压Vca1、Vca2、Vca3与平均直流电压(Vca1+Vca2+Vca3)/3作差，将误差送入PI控制器，得到微调变量ΔVca1、ΔVca2、ΔVca3；将这些微调变量与A相参考电流irefa相位的正弦相乘得到补偿电压值Uacom、Ubcom、Uccom；将补偿值加到每一子模块的内电势上，得到每个子模块需要产生的调制信号，通过载波移相调制产生开关脉冲信号。设计的直流电压均衡控制方法为闭环控制，原理是调节子模块有功功率与电网的交换，因此该方法具有一定的实用性。

图3 直流电压均衡控制框图

4 仿真分析与验证

为了验证方案的可行性，按照提出的控制方法在MATLAB/Simulink中构造一个连接到配电网的级联多电平的DSTATCOM仿真系统，系统参数如表1所示。

表1 DSTATCOM仿真系统参数

图4显示了配电网电压不平衡工况下级联多电平DSTATCOM系统输出电流和A相3个子模块直流电压的动态响应。DSTATCOM系统进入稳态运行后，在第2 s由于单向故障，A相电网电压下降40%，为0.6 p.u.，该故障在2.06 s时被切除。故障期间，电网电压幅值出现不平衡，如图4（a）所示。图4（b）表现了DSTATCOM系统三相输出电流受不平衡扰动后的动态响应波形，可见电流在0.1 s内基本恢复了稳态，且谐波含量较少。图4（c）显示了DSTATCOM系统A相3个子模块的直流电压动态响应波形。可见，直流电压受到扰动后在0.2 s时间内都恢复了稳定，且对二倍频波动的抑制效果很好。

在三相不平衡电压下通过一定的控制策略要实现两个目标：（1）要实现自身直流侧电压均衡，从而使系统正常运行；（2）能跟踪补偿合适的无功电流，降低输出电流的谐波成分。通过仿真显示，以上两个控制目标基本完成。

5 结 论

本文研究了配电网电压不平衡工况下级联多电平DSTATCOM的控制方法。首先，讨论对级联多电平DSTATCOM的原理和数学模型，说明其传统的控制方法。其次，在常规控制方法基础上，提出了基于负序控制、零序电压注入和子模块直流电压均衡控制结合的控制方法，以使DSTATCOM在电网不平衡时正常运行。最后，在MATLAB/SIMULINK中搭建连接到电网的级联多电平DSTATCOM时域仿真系统，在三相配电网电压不平衡下对DSTATCOM动态响应特性进行仿真。仿真结果显示，该方法实现了自身直流侧电压均衡，对二倍频波动的抑制效果很好，能跟踪补偿合适的无功电流，降低输出电流的谐波成分。