一种单周控制的配电网静止同步补偿器的实现

摘要：为了提高配电网静止同步补偿器的动态响应速度和稳态补偿精度，将单周控制应用于无功补偿装置的控制器设计中，并对逆变器开关管工作过程中的死区影响进行了补偿。

关键词：单周控制；配电网静止同步补偿器；死区补偿；响应速度

前言

　　配电网静止同步补偿器DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator）是一种相对复杂和成本较高的装置，设计者不仅要考虑装置本身的实现，而且更主要的是研究装置接入电力系统之后与系统间的相互作用，寻求合理的控制方法及算法，进而对控制策略及保护系统的动作方式进行综合考虑，才能使装置达到预期的效果[1]。传统DSTATCOM的控制是从无功电流检测来进行控制的，文献[2]分析了电能指令控制中无功电流的检测方法，并将其应用到无功补偿装置中取得了一定的效果，但是该控制方法计算量大，需要使用高速的控制和高性能的采集器，使得电路结构复杂。

　　单周控制将非线性控制与开关电路有机结合，可以实现快速的瞬态响应。单周控制与空间矢量脉宽调制具有等效性，单周控制发出PWM波的实际效果与SVPWM控制发出PWM波的实际效果完全相同，同时单周控制的算法简单、运算量小，并减少了信号采样的数量，不需要采样参考电流基准[3]。本文将单周控制应用于DSTATCOM控制系统，与传统的静止同步补偿器相比，采用单周控制方法的静止同步补偿器具有对系统的频率偏差不敏感，装置的鲁棒性更高，不需要产生基准电流，只要对输入电压、电流和DSTATCOM直流侧电压进行检测即可，从而减少了信号采样和繁杂的计算，控制简单的优点[4]。

单周控制

　　单周控制的目的是使输出跟踪任意的波形。图1是单周控制的基本控制电路[3]。其主要控制部分由一个积分器和一个比较器组成。图中K1、K2为一对互补的模拟开关，开关K2

图1 单周控制电路

在的频率下按开关函数工作。

　　式中TS为时钟脉冲周期。在每一个开关周期的开始，时钟脉冲信号到，使得K2闭合、K1断开，输出Y(t)=X(t)，积分器开始对输出信号Y(t)积分。当经过时间Ton，积分值达到Vref，比较器输出翻转，通过控制器控制使得K2断开、K1闭合，积分器复位。若控制频率远大于输入信号X(t)的频率，也远大于参考电压的波动频率，则在一个控制周期内，X(t)和Vref(t)都可以看成是常数，即有：

　　式中，为一个控制周期的占空比。

图1 单周控制电路由于在开通时间的积分和在一个控制周期的积分相等，从而有：

进一步有：

　　Ton实际上是有效的电压输出时间，Y(t)和Vref(t)在一个控制周期积分等效。因此，如果控制周期足够小，输出会准确跟踪Vref(t)，且动态响应也很快。

单周控制静止同步补偿器

　　图2所示为一个单周控制DSTATCOM装置[4]，作为一种无功补偿装置，其向电力系统注入一定量的超前或滞后的无功电流，达到调节功率因数和稳定系统电压的目的，其中给出了DSTATCOM的主电路和a相控制电路的结构图，b，c相控制电路和a相控制电路基本相同，其中Qi（i=1,2,3,4,5,6）为主电路开关管Mi（i=1,2,3,4,5,6）的驱动信号。图2中虚线框1内部分是一个比例积分环节，积分的时间常数为Tm，比例环节的放大系数为1/R，此比例积分环节相当于一个虚拟的负载，它对装置接入点电压VS进行比例积分作用后，可得到一个模拟的控制电流，其大小可由下式算得：

图2 单周控制DSTATCOM结构图

　　当DSTATCOM有效工作时，网侧电流与模拟控制电流的和的波形跟踪电压波形，即实际系统和虚拟负载的阻抗之和等效为线性电阻负载，等效电阻为，其中表示虚拟负载中的电阻部分，Re表示逆变器有功损耗的等效电阻。由此，理想的控制目标可表示为：

　　式中VS为装置接入点网侧输入相电压；

　　为实际网侧电流与模拟控制电流之和。

　　对于单周控制的开关周期为TS，占空比D(t)，以A相桥臂为例，当0

　　式中RS为电流采样电阻值；VC为逆变器直流侧电压。

　　考虑到开关频率远大于电网电压频率，在一个开关周期内Vm基本不变，式（7）所表述的关系可通过单周控制的方式实现。取单周积分常数为，则可推出单周控制方程为：

　　根据控制方程（9）得到的单周控制DSTATCOM 控制电路如图2所示，图中Vref(t)为电压环基准，用于调节VC的大小，Vm可由电压换PI调节得到。控制电路在每个开关周期均对Vm进行积分，当积分值符合单周控制方程（4）时，开关信号翻转，积分电路复位，等待下一个周期重新积分，从而得到满足式（9）的占空比D(t)。结合式（5）和以上控制原理易知，要调节装置输出无功电流的幅值和性质，只需要改变参数Tm的大小和符号即可。由上可见，单周控制静止同步补偿器DSTATCOM因其独特的原理，具有控制简便、无需专门产生电流基准，且只需检测电流和电压量等优点，在中低压功率电力电子系统的无功补偿方面具有推广价值。

　　由于逆变器主电路中的功率开关元件不是理想开关，为防止逆变器发生直通故障，必须在其驱动信号中设置一段死区时间，以保证同一桥臂上下两功率管能先关断后开通。由于死区时间的存在，DSTATCOM由于死区效应产生的误差电压中含有大量基波和谐波成分，这对装置输出无功电流的大小和波形都会产生消极影响，从而影响其无功补偿的效果。在图2所示单周控制的基础上只需增加一个增益为2K的比例环节和一个测量电流is极性的符号检测模块即可实现控制要求，从而达到死区补偿的目的。

实验及分析

　　经过以上理论分析，在实验室搭建了DSTATCOM无功补偿装置的试验平台，并设计了基于单周控制策略的DSTATCOM控制器，通过对指令信号的检验，控制了DSTATCOM装置在实现动态无功补偿时的动态响应速度和稳态补偿精度。图3给出了装置启动的同时还要求其实现发出无功功率的功能，从该图可见装置能够在很短的时间内完成输出指定无功功率的功能，并且直流侧电容电压在经过较小幅度调整后很快重新达到稳态值。图4给出了DSTATCOM装置的动态补偿过程。从该图可以很清晰地看出，采用单周控制策略设计的控制器，当负载需求无功发生变化时，装置的动态响应速度非常快，经过大概不到三个基波周期的时间，DSTATCOM装置能够从吸收无功功率工作状态过渡到发出无功功率工作状态，而且基本达到给定无功功率的量值。

图3 直流侧电容电压和无功电流

图4 DSTATCOM的响应过程

结语

　　根据静止同步补偿器逆变桥工作过程中桥臂非线性开关的特点，设计了基于单周控制的DSTATCOM控制器。从基于单周控制的DSTATCOM无功补偿的实验波形来看，单周控制能够较大幅度地提高无功补偿装置的动态性能，同时也实现了对直流侧电容电压的稳定控制的目的；基于单周控制的DSTATCOM无功补偿装置的控制器具有发出或者吸收无功功率的动态响应速度较快、稳态补偿精度基本能够达到工程中无功补偿的要求。

参考文献：
1．张军利，配电网无功补偿器DSTATCOM的实现，电测与仪表，2008，45（7）：9-11
2．张军利，电能质量控制装置的指令信号检测方法，电子产品世界，2008（7）：80-82
3． 周原、胡伟、申沉等，空间矢量脉宽调制与单周控制的等效性，电力系统自动化，2005，29（12）：19-22
4． 刘定国、罗安、帅智康，单周控制静止同步补偿器的死区补偿策略，电工技术学报，2007，22（12）：159-163
5． 舒泽亮、汤坚、郭育华等，基于空间矢量双滞环策略的STATCOM直接电流控制方法，中国电机工程学报，2007，27（25）：103-106
6． 唐杰、罗安、欧剑波等，配电静止同步补偿器的模糊自适应PI控制策略，电工技术学报，2008，23（2）：120-127
7． Kishore Chatterjee、 Ambrish Chandra、 Kamal AlHaddad, et al. A PLL less Var generator based on one-cycle control[C]. 2004 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2004: 512-518
8． Lai Z, Smedley KM. A new extension of one-cycle control and its application to switching power amplifiers [J] IEEE Transactions on Power Electronics, 1996,11 (1) : 99- 105
9． 张军利，基于开关函数法建立数学模型的DSTATCOM，电测与仪表，2007，44（1）：33-36.