摘要
基于链式多电平逆变器结构的静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型无功补偿装置，它具有发出容性无功功率和吸收感性无功功率的双向补偿功能。本文研究了在平衡负荷和不平衡负荷条件下静止同步补偿器的控制方法，及适用于链式多电平逆变器结构的PWM新方法。
首先，本文分析了STATCOM的工作原理，建立了链式STATCOM的有功-无功电流暂态模型，通过引进多变量非线性控制逆系统方法，设计了基于逆系统方法和有功-无功电流解耦的非线性动态无功电流控制策略，设计了DSP为核心的控制系统。研究了注入零序矢量对PWM控制的影响，由此得出了适用于链式多电平逆变器结构的三角载波移相-开关频率最优PWM法(PS-SFO-PWM)。
仿真结果表明，基于逆系统方法和有功-无功电流解耦的非线性动态无功电流控制具有良好的动态性能。PS-SFO-PWM法在不提高开关频率的情况下，实现了等效高频载波的效果，并提高了直流电压的利用率。
本文探讨了在负荷不对称条件下的控制策略，提出了根据正序、负序电压开关值合成PWM控制的负序电流补偿方法。该方法有效地补偿了负荷的负序电流。
STATCOM based on cascade multilevel inverters is a new type of reactive power compensator, which can generate or draw reactive power from the power network. The main object of this paper is to deal with the control strategy of STATCOM used in distribution system under balanced loads and unbalanced loads, and new PWM strategy for Cascade STATCOM.
First, the principle of STATCOM is analyzed in detail. By theoretical analysis, the mathematic model based on the i_p-i_q (real and reactive current) is modeled, which reflectsthe characteristics of STATCOM. Then, on the basis of this model, the multivariable nonlinear control method based on inverse-system is introduced. Consequently a pseudo linear i_p - i_q decoupled system is obtained and the fast and decoupled closed-loop control for reactivecurrent is achieved, and the control system based on DSP is designed. Triangular carrier phase shifting-switch frequency optional PWM (PS-SFO-PWM) for Cascade STATCOM is presented. The new PWM strategy brings about the effect of high frequency carrier without the increase of switch frequency, and at the same time improves the use of DC side voltage. Last, the control strategy of STATCOM under the unbalance loads is investigated. The compensation way with the instantaneous value of negative-sequence voltage to adjust the pulse width of balance compensation gains good characteristics, which can compensate negative-sequence current caused by loads effectively and quickly.
引文
[1] 段大鹏．基于IGCT的静止无功发生器的研究．
[2] M. Aredes, G. Santos Jr., "A Robust Control for Multiples STATCOM", Proceedings of IPEC 2000, Vol. 4, pp. 2163-2168, Tokyo, 2000.
[3] H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae, "Instantaneous Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices Without Energy Storage Components", IEEE Trans. Industry Applications, vol. IA-20, May-Jun. 1984.
[4] 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社．2004：164—165，192—205
[5] N.G. Hingorani. "Power Electronics in Electric Utilities: Role of Power electronic in Future Power Systems". Proceedings of IEEE. Vol. 76, No. 4, April 1988.
[6] L.Gyugyi, "Converter-Based FACTS Technology: Electric Power Transmission in the 21th Century". Proceedings of IPEC2000, Vol. 1, pp. 15-26, Tokyo, 2000
[7] 吴文辉，刘会金．静止同步补偿器(STATCOM)技术的研究现状与发展．华东交通大学学报．第22卷第2期2005年04月
[8] N.G. Hingorani, "Flexible AC Transmission", IEEE Spectrum, April 1988.
[9] C.W. Edwards, K. E. Mattern, E. J. Stacey, et al. Advanced Static Var Generator Employing GTO Thyristors. IEEE Trans. on Power Delivery, 1988, 3 C4):1622-1627
[10] 马献鸿．DSTATCOM控制方法的研究．西安理工大学学位论文．2005．3
[11] 刘文华，宋强等．基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制．中国电机工程学报．第24卷第4期2004年4月
[12] 魏文辉，宋强等．基于反故障控制的链式STATCOM动态控制策略的研究．中国电机工程学报．第25卷第4期2005年2月
[13] 戴先中．多变量非线性系统的神经网络逆控制方法．2005年12月
[14] Carlos A. C. Cavaliere, Edson H. Watanabe, Mauricio Aredes等. Multi-pulse STATCOM Operation Under Unbalanced Voltages. Proceedings of IPEC2000, Vol. 1, pp. 15-26, Tokyo, 2000
[15] 魏文辉，刘文华，宋强等．基于逆系统方法有功-无功解耦PWM控制的链式STATCOM动态控制策略研究．中国电机工程学报．第25卷第3期2005年2月
[16] Hanson D J, Horwill C, Gemmell B D et al.A STATCOM based relocatable SVC project in the UK for national grid[A].Power Engineering Society Winter Meeting[C].Shicago, USA, IEEE, 2002:532-537
[17] 费德成，朱幌秋．基于逆系统理论的无轴承永磁同步电机解耦控制研究．中国工程科学．第7卷第11期2005年11月
[18] 许万方，罗安，柳爱美．ASVG在系统不对称情况下的运行及其控制．电工技术杂志．2003年第7期．
[19] F Wang. Sine Triangle vs. Space Vector Modulation for Three-Level PWM Voltage Source Inverters [A].IEEE 2000[C].2000:2482～2488.
[20] 李永东．交流电机数字控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[21] 王鸿雁．多电平逆变器PWM新方法及相关技术．浙江大学博士学位论文．2004年12月．
[22] 吴洪洋，何湘宁．多电平载波PWM与SVPWM法之间的本质联系及其应用．中国电机工程学报．第22卷 第5期 2002年5月
[23] Xianglian Xu, Yunping Zou, Kai Ding, etal. Cascade multilevel inverter with phase—shift SPWM and it s application in STATCOM[C]. The 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, IEEE IECON'04, Busan, Korea, TC1-3, CD-ROM
[24] Yiqiao Liang, Nwankpa CO. A new type of STATCOM based on cascading voltage—source inverters with phase—shifted unipolar SPWM[J]. IEEE Trans on Industry Application, 1999, 35 (5): 111821123.
[25] 姜旭，肖湘宁，尹忠东，马玉龙．基于载波移相SPWM级联式变换器输出谐波分析．电力电子技术，第39卷第5期2005年10月
[26] 朱凌，刘涛，鲁志平，王毅．基于DSP的载波移相多电平PWM实现方法．华北电力大学学报，第31卷第5期2004年9月
[27] 刘文华，宋强，陈远华，谢小荣．NPC逆变器SHE-PWM开关角度的计算方法研究．中国电机工程学报，第22卷第11期2002年11月
[28] 吴洪洋，何湘宁．级联型多电平变换器PWM控制方法的仿真研究．中国电机工程学报，第21卷第8期2001年8月
[29] 李永东，高跃，候轩．大容量多电平变换器PWM控制技术现状及进展．电力电子技术．第39卷第5期2005年10期
[30] 郭涛．基于IGCT的STATCOM主电路结构研究．江苏大学硕士毕业论文．2006．6
[31] 张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制．机械工业出版社：北京．2003．10
[32] 耿俊成，刘文华，袁志昌．链式STATCOM电容电压不平衡现象研究．电力系统自动化．第27卷第16期2003年8月25日
[33] 肖向锋．一种在大功率范围内有广泛用途的新型器件IGCT．冶金自动化．1999Vol．23 No．3
[34] 张卫宁编译．TMS32028X系列DSP的CPU与外设(上)．清华大学出版社．2004．9
[35] 袁志昌，宋强等．±50Mvar链式STATCOM脉冲发生器设计．电力系统自动化．第28卷第10期2004年5月25日
[36] 姜齐荣，刘文华等．±50Mvar STATCOM控制器设计．电力系统自动化．2000．24(23)：24～28
[37] 刘文华 卢军锋 郑征等．基于SHE-PWM的D-STATCOM的控制器和脉冲发生器的设计．清华大学学报(自然科学版)．2002 Vol．42 No．9．
[38] Ekanayake J B, Jenkins N.A three-level advanced static var compensator[J].IEEE Trans on Power delivery, 1996, 11(1):540-545.
[39] 袁志昌，宋强，滕乐天等．大容量链式STATCOM 150Hz优化PWM控制策略的研究[J]．电工技术学报．2004，19(8)：83～87
[40] 魏文辉，刘文华，滕乐天，宋强等．大容量链式STATCOM的基频优化PWM控制。清华大学学报(自然科学版)2004年第44卷第10期。
[41] D. Rathnakumar and J. Lakshmana Perumal T. Srinivasan. A New Software Implementation of Space Vector PWM. 2005 IEEE. 0-7803-8865-8/05
[42] Liu Hao Xiao Xiangning Xu Yonghai. Study on the Simplified Algorithm of Space Vector PWM. IEEE.
[43] Heing Willi Van Der Broeck, Hans Shristoph Skudelny. Analysis and relegation of a pulse width modulator based on voltage space victories Trans. LA, 1998:24(1)
[44] 刘恩东，井元伟等．基于神经网络的STATCOM非线性鲁棒逆推设计．东北大学学报(自然科学版)．第26卷第10期2005年10月．
[45] 郭红霞，吴捷等．基于强化学习算法的静止同步补偿电压控制器．电网技术．第28卷第19期 2004年10月．
[46] 袁志昌，宋强等．±50 Mvar链式STATCOM脉冲发生器设计．电力系统自动化．2004年10期．
[47] 刘文华，卢军锋等．基于SHE-PWM的D-STATCOM的控制器和脉冲发生器的设计．清华大学学报(自然科学版)．．2002年09期．
[48] 姜齐荣，刘文华等．±20 Mvar STATCOM控制器设计．电力系统自动化．2000年23期．
[49] Larsen E V, Miller N, Nilsson S, et al. Benefits of GTO-Based Compensation Systems for Electric Utility Applications. IEEE Trans on PD, 1992, 7(4)
[50] Hingorani N G. Introducing custom power [J].IEEE Spectrum, 1995, 32(6): 41 48.
[51] 栗春，高辉，石建民，等．基于DSP的STATCOM脉冲发生器及控制器的研制[J]．电力系统自动化，1999，23(13)：26～29．
[52] Watanabe E H, Stephan R M, Aredes M. New Concepts of Instantaneous Active and Reactive Powers in Electrical Systems with Generic Loads. IEEE Trans on PD, 1993, 8(2)
[53] S. Mori, K. Matsuno, M. Takeda, M. Seto, "Development of a large var generator using self-commutated inverters for improving power system stability" IEEE Trans. Power Delivery, vol. 8, No. 1, Feb. 1993, pp. 371-377.
[54] Narain G. Hingorani, Laszlo Gyugyi, "Understanding FACTS-Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems", IEEE Press, New York, 1999.
[55] C.A.C. Cavaliere, E.H. Watanabe, "Analysis and Operation of STATCOM in Unbalanced Systems, " IPST 2001, Rio de Janeiro, Brasil, Jun 2001.
[56] Dong Shen, W. Liu, Z. Wang, "Study on the Operation of STATCOM under Unbalanced and Distorted System Voltage", IEEE PES Winter Meeting, Singapore, January 2000.
[57] 栗春，姜齐荣，王仲鸿．STATCOM电压控制系统性能分析．中国电机工程学报．第20卷第8期2000年8月．
[58] G. Escobar, A.M. Stankovic, P. Machiavelli, "Reactive Power and Unbalanced Compensation using STATCOM with Dissipative-Based Control", IEEE Industry Application Conference Records, vol. 4, pp. 2058-2065.
[59] Math. H. J. Bollen, Understanding Power Quality Problems-Voltage Sags and Interruptions, IEEE Press, New York, 1999.
[60] C. Hochgraf, R.H. Lasseter, "Statcom Controls for Operation with Unbalanced Voltages", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 13, No. 2, April 1998.