摘要：為了提高配電網靜止同步補償器的動態響應速度和穩態補償精度，將單周控制應用于無功補償裝置的控制器設計中，并對逆變器開關管工作過程中的死區影響進行了補償。

關鍵詞：單周控制；配電網靜止同步補償器；死區補償；響應速度

前言

　　配電網靜止同步補償器DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator）是一種相對復雜和成本較高的裝置，設計者不僅要考慮裝置本身的實現，而且更主要的是研究裝置接入電力系統之后與系統間的相互作用，尋求合理的控制方法及算法，進而對控制策略及保護系統的動作方式進行綜合考慮，才能使裝置達到預期的效果[1]。傳統DSTATCOM的控制是從無功電流檢測來進行控制的，文獻[2]分析了電能指令控制中無功電流的檢測方法，并將其應用到無功補償裝置中取得了一定的效果，但是該控制方法計算量大，需要使用高速的控制和高性能的采集器，使得電路結構復雜。

　　單周控制將非線性控制與開關電路有機結合，可以實現快速的瞬態響應。單周控制與空間矢量脈寬調制具有等效性，單周控制發出PWM波的實際效果與SVPWM控制發出PWM波的實際效果完全相同，同時單周控制的算法簡單、運算量小，并減少了信號采樣的數量，不需要采樣參考電流基準[3]。本文將單周控制應用于DSTATCOM控制系統，與傳統的靜止同步補償器相比，采用單周控制方法的靜止同步補償器具有對系統的頻率偏差不敏感，裝置的魯棒性更高，不需要產生基準電流，只要對輸入電壓、電流和DSTATCOM直流側電壓進行檢測即可，從而減少了信號采樣和繁雜的計算，控制簡單的優點[4]。

單周控制

　　單周控制的目的是使輸出跟蹤任意的波形。圖1是單周控制的基本控制電路[3]。其主要控制部分由一個積分器和一個比較器組成。圖中K1、K2為一對互補的模擬開關，開關K2

圖1 單周控制電路

在的頻率下按開關函數工作。

　　式中TS為時鐘脈沖周期。在每一個開關周期的開始，時鐘脈沖信號到，使得K2閉合、K1斷開，輸出Y(t)=X(t)，積分器開始對輸出信號Y(t)積分。當經過時間Ton，積分值達到Vref，比較器輸出翻轉，通過控制器控制使得K2斷開、K1閉合，積分器復位。若控制頻率遠大于輸入信號X(t)的頻率，也遠大于參考電壓的波動頻率，則在一個控制周期內，X(t)和Vref(t)都可以看成是常數，即有：

　　式中，為一個控制周期的占空比。

圖1 單周控制電路由于在開通時間的積分和在一個控制周期的積分相等，從而有：

進一步有：

　　Ton實際上是有效的電壓輸出時間，Y(t)和Vref(t)在一個控制周期積分等效。因此，如果控制周期足夠小，輸出會準確跟蹤Vref(t)，且動態響應也很快。

單周控制靜止同步補償器

　　圖2所示為一個單周控制DSTATCOM裝置[4]，作為一種無功補償裝置，其向電力系統注入一定量的超前或滯后的無功電流，達到調節功率因數和穩定系統電壓的目的，其中給出了DSTATCOM的主電路和a相控制電路的結構圖，b，c相控制電路和a相控制電路基本相同，其中Qi（i=1,2,3,4,5,6）為主電路開關管Mi（i=1,2,3,4,5,6）的驅動信號。圖2中虛線框1內部分是一個比例積分環節，積分的時間常數為Tm，比例環節的放大系數為1/R，此比例積分環節相當于一個虛擬的負載，它對裝置接入點電壓VS進行比例積分作用后，可得到一個模擬的控制電流，其大小可由下式算得：

圖2 單周控制DSTATCOM結構圖

　　當DSTATCOM有效工作時，網側電流與模擬控制電流的和的波形跟蹤電壓波形，即實際系統和虛擬負載的阻抗之和等效為線性電阻負載，等效電阻為，其中表示虛擬負載中的電阻部分，Re表示逆變器有功損耗的等效電阻。由此，理想的控制目標可表示為：

　　式中VS為裝置接入點網側輸入相電壓；

　　為實際網側電流與模擬控制電流之和。

　　對于單周控制的開關周期為TS，占空比D(t)，以A相橋臂為例，當0

　　式中RS為電流采樣電阻值；VC為逆變器直流側電壓。

　　考慮到開關頻率遠大于電網電壓頻率，在一個開關周期內Vm基本不變，式（7）所表述的關系可通過單周控制的方式實現。取單周積分常數為，則可推出單周控制方程為：

　　根據控制方程（9）得到的單周控制DSTATCOM 控制電路如圖2所示，圖中Vref(t)為電壓環基準，用于調節VC的大小，Vm可由電壓換PI調節得到。控制電路在每個開關周期均對Vm進行積分，當積分值符合單周控制方程（4）時，開關信號翻轉，積分電路復位，等待下一個周期重新積分，從而得到滿足式（9）的占空比D(t)。結合式（5）和以上控制原理易知，要調節裝置輸出無功電流的幅值和性質，只需要改變參數Tm的大小和符號即可。由上可見，單周控制靜止同步補償器DSTATCOM因其獨特的原理，具有控制簡便、無需專門產生電流基準，且只需檢測電流和電壓量等優點，在中低壓功率電力電子系統的無功補償方面具有推廣價值。

　　由于逆變器主電路中的功率開關元件不是理想開關，為防止逆變器發生直通故障，必須在其驅動信號中設置一段死區時間，以保證同一橋臂上下兩功率管能先關斷后開通。由于死區時間的存在，DSTATCOM由于死區效應產生的誤差電壓中含有大量基波和諧波成分，這對裝置輸出無功電流的大小和波形都會產生消極影響，從而影響其無功補償的效果。在圖2所示單周控制的基礎上只需增加一個增益為2K的比例環節和一個測量電流is極性的符號檢測模塊即可實現控制要求，從而達到死區補償的目的。

實驗及分析

　　經過以上理論分析，在實驗室搭建了DSTATCOM無功補償裝置的試驗平臺，并設計了基于單周控制策略的DSTATCOM控制器，通過對指令信號的檢驗，控制了DSTATCOM裝置在實現動態無功補償時的動態響應速度和穩態補償精度。圖3給出了裝置啟動的同時還要求其實現發出無功功率的功能，從該圖可見裝置能夠在很短的時間內完成輸出指定無功功率的功能，并且直流側電容電壓在經過較小幅度調整后很快重新達到穩態值。圖4給出了DSTATCOM裝置的動態補償過程。從該圖可以很清晰地看出，采用單周控制策略設計的控制器，當負載需求無功發生變化時，裝置的動態響應速度非常快，經過大概不到三個基波周期的時間，DSTATCOM裝置能夠從吸收無功功率工作狀態過渡到發出無功功率工作狀態，而且基本達到給定無功功率的量值。

圖3 直流側電容電壓和無功電流

圖4 DSTATCOM的響應過程

結語

　　根據靜止同步補償器逆變橋工作過程中橋臂非線性開關的特點，設計了基于單周控制的DSTATCOM控制器。從基于單周控制的DSTATCOM無功補償的實驗波形來看，單周控制能夠較大幅度地提高無功補償裝置的動態性能，同時也實現了對直流側電容電壓的穩定控制的目的；基于單周控制的DSTATCOM無功補償裝置的控制器具有發出或者吸收無功功率的動態響應速度較快、穩態補償精度基本能夠達到工程中無功補償的要求。

參考文獻：
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