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1、 基于虚拟磁链基于虚拟磁链的的 STATCOM 定频定频直接功率控制直接功率控制 Direct Power Control with Constant Switching Frequency for STATCOM Based on Virtual Flux 上海交通大学电气工程系（上海上海交通大学电气工程系（上海 200240200240） 刘世超刘世超 杨兴武杨兴武 姜建国姜建国 (Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China) Liu Shichao Yang Xingwu Jiang Jianguo 摘摘 要要：本文提出一种基于
2、虚拟磁链的无电网电压传感器瞬时功率检测方法，用以对 STATCOM 进行直接功率控制（DPC） 。针对传统开关表 DPC 因 PWM 变流器开关频率变化造成的滤波器设计困难等问题，本文采用电压空间矢量调制（SVPWM）方式实现定频控制。理论分析及仿真结果表明，基于虚拟磁链的 STATCOM 定频 DPC 系统具有结构简单、抗干扰能力强、动静态特性好等优点，实现了无功功率的快速检测和动态补偿。 关键词关键词：静止同步补偿器 虚拟磁链 直接功率控制 电压空间矢量调制 Abstract：An instantaneous power detection method without line volt
3、age sensor is proposed based on the virtual flux and is used for the direct power control (DPC) of STATCOM device. To solve the difficulty of filter design caused by variable switching frequency of PWM converter in traditional switching table DPC method, this paper adopts voltage space vector modula
4、tion to achieve constant switching frequency control. Theoretical analysis and simulation result show that DPC system with constant switching frequency for STATCOM based on virtual flux has several advantages, such as a simple configuration, strong anti-interference ability, good dynamic and stable
5、performance, moreover, it realizes fast reactive power detection and compensation.Keywords：STATCOM virtual flux direct power control voltage space vector modulation 1 1 引言引言 电压源型变流器由于具有能量双向流动、输入电流谐波含量小、功率因数可控等优点，在电力传动、FACTS、再生能源发电等领域得到了广泛应用1。近年来，在对电压型 PWM 整流器的研究中，基于虚拟磁链的控制策略受到了国内外学者的关注2-6。这种控制策略通过引入
6、虚拟磁链的概念间接获得电压信息，对于优化控制系统结构、减少传感器数量、实现主电路与控制电路的隔离、抑制谐波干扰、改善功率因数、提高可靠性和减少控制系统成本等均具有重要意义2。 本文将基于虚拟磁链的PWM整流器控制策略引入STATCOM控制系统，在无电网电压传感器的瞬时功率检测方法基础上，研究 STATCOM 的直接功率控制。针对传统开关表直接功率控制的缺点，本文采用电压空间矢量调制方式实现定频控制。理论分析和仿真结果证明了基于虚拟磁链的 STATCOM 定频直接功率控制策略的可行性和优越性。 2 2 基于虚拟磁链的基于虚拟磁链的瞬时瞬时功率检测功率检测 2.12.1 虚拟磁链观测器虚拟磁链观测
7、器 图 1 为 STATCOM 主电路原理图，若从电网公共连接点向STATCOM 装置观察，不难发现 STATCOM 装置可以等效为一个同步电机模型。其中公共连接点电压相当于同步电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势，而电阻和连接电抗器则相当于定子绕组的电阻和漏抗。由于这个气隙磁场由等效电机模型得出，实际并不存在，故称作虚拟磁链。 siCfLfRdcuLLLRsLsRciliaebecesausbuscuSTATCOMiauibuicuLoad图图 1 STATCOM 主电路原理图主电路原理图 在坐标系下，忽略线路和连接电抗器的电阻，可以列出STATCOM 系统的数学方程： c sfic s
8、fidiuLudt diuLudt （1） 式中：su、su、ci、ci、iu、iu分别为公共连接点电压、STATCOM 吸收电流和交流侧电压的，轴分量；fL为连接电抗器的电感值。 STATCOM 系统稳态矢量图如图 2 所示。 根据磁链和电压的关系，得到网侧虚拟磁链估计式： 21()321 2ssf cif cdcABCssf cif cdcBCu dtL iu dtL iUSSSdtu dtL iu dtL iUSSdt （2） 式中：s、s为网侧虚拟磁链的，轴分量，AS、BS、CS表示逆变器三相桥臂的开关状态（iS=1 时相应桥臂上管导通，下管关断；iS=0 时相应桥臂下管导通， 上管关
9、断，i=A、 B、 C） ，dcU为逆变器直流侧电压。 可见，由 STATCOM 装置吸收电流和输出电压即可得到电网电压虚拟磁链分量值，而无需检测电网电压。其中，STATCOM 装置的输出电压可由直流侧电压和开关状态得出。 sssilsususuiulf cuj L ici qdstcicicdicqi图图 2 d 轴虚拟磁链定向的轴虚拟磁链定向的 STATCOM 稳态矢量图稳态矢量图 注意到，式（2）的虚拟磁链估计中存在积分环节。若积分初值选取不当，将会在估计出的虚拟磁链中引入直流偏置，导致坐标系中的磁链圆轨迹圆心偏离坐标原点4。如果采用此虚拟磁链估计值，将会影响瞬时功率检测和逆变器脉冲控制
10、信号的准确性，恶化 STATCOM 的性能。为了获得准确的虚拟磁链估计值，文献56提出了用级联惯性环节代替纯积分环节的改进虚拟磁链观测器。如图 3 所示级联惯性环节的传递函数为 221( )cccNNN sH sssss （3） ccNN ssL+iuiucicisLccNN sss图图 3 改进的虚拟磁链观测器改进的虚拟磁链观测器 取代纯积分环节时应保证幅值无差别且无相移。根据这两个条件可得 2N，c （4） 由式（3）可以发现，级联惯性环节相当于一个纯积分器加上一个二阶带通滤波器。由于二阶带通滤波器的通频带在基频附近，故这种改进的磁链观测器能够有效地消除直流偏置，得到满意的积分效果。 2.
11、22.2 无电网电压传感器无电网电压传感器的的瞬时功率检测瞬时功率检测 改进的虚拟磁链观测器能够实现快速准确的磁链估计，结合电流采样值便可检测 STATCOM 及负荷的瞬时功率。 STATCOM 装置吸收的瞬时功率用传统功率理论可以表示为 *ReImcsccscpuiqui（5） 其中，公共连接点电压矢量su 由下式得出 j tj tj ts ssssss ssdddueejedtdtdt ddjjdtdt （6） 结合式（5）和（6）得到 ss cccscscss cccscscddpiiiidtdtddqiiiidtdt （7） 当系统满足三相平衡正弦线电压时，磁链幅值对时间的导数为零，式
12、（7）可简化为 cscsccscscpiiqii （8） 同理，负荷吸收的瞬时功率可表示为 lslsllslslpiiqii （9） 可见，通过引入虚拟磁链，该方法实现了无电网电压传感器的瞬时功率检测，有效地克服了因传感器过多带来的检测误差问题，算法简单，易于数字实现。同时，由于虚拟磁链估计中等效积分环节的低通滤波作用，这种瞬时功率检测方法还可以有效地抑制电压、电流谐波干扰6。 3 3 STATCOM 控制系统控制系统 基于虚拟磁链的开关表 DPC 存在开关频率不固定、滤波器设计困难、对采样率和微处理器性能要求高等缺点3，实际应用受到了限制。对此，本文利用 SVPWM 模块取代滞环控制和开关表
13、，实现定频 DPC 并降低了对高采样率的依赖。图 4 示出了基于虚拟磁链的 STATCOM 定频 DPC 原理框图，该控制结构分为直流母线电压外环和功率控制内环。直流母线电压与电压参考值比较的偏差量经由 PI 调节得到有功电流分量，然后与直流电压值一同送入乘法器得到有功功率参考值，无功功率参考值则为负荷侧吸收的瞬时无功功率（取相反数） 。它们分别与 STATCOM 吸收的瞬时有功功率和无功功率比较，产生的偏差量经 PI 调节后，即得到STATCOM 逆变器电压控制信号的p、q轴分量。 siCfLfRLLLRsLsRciliaebecesausbuscuSTATCOMABC lailbilcic
14、aicbiccicici虚拟磁链虚拟磁链 估计估计dcu, ,A B CSss瞬时功率瞬时功率 检测检测cici瞬时功率瞬时功率 检测检测lili母线电压母线电压 采样采样-+dcu* dcuPIcpcqlplqPIPI1-+ -+pqiquipuiuiuSVPWMcrefqcrefpABC sLoad图图 4 基于虚拟磁链的基于虚拟磁链的 STATCOM 定频定频 DPC 原理框图原理框图 经过坐标变换后，得到电压控制信号在、轴上的分量： sincos cossinipississiquuuu （10） 式中s为虚拟磁链s在坐标系中的相位角，s与电压矢量su 相比相位滞后 90 ，如图 2 所示。 2222sin/cos/ssssssss （11） iu、iu可作为 STATCOM 逆变器电压空间矢量调制的参考信号。该系统通过无功功率的快速检测和直接功率控制策略实现了无功功率的动态补偿，同时，电压外环和有功功率的调节保证了直流侧电压的稳定。 4 4 仿真仿真结果及结果及分析分析 为了验证方案的可行性，在 Matlab/Simulink 环境下对图 4 所示的 STATCOM 定频 DPC 系统进行仿真研究。仿真参数为：公共连接点相电压有效值 220 V，频率 50Hz，STATCOM 等效连接电阻 80m，连接电感 5mH，直流侧电容 4
