1140V DSTATCOM的控制系统研究.docx

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1140VDSTATCOM的控制系统研究

1140VDSTATCOM的数学模型

ModelingOFDSTATCOMin1140VofLowVoltage

摘要:

随着煤矿机械化程度的提高，采煤机械设备功率大幅度增加，供电距离不断加长，这些都使系统中的无功缺损加大，导致井下供电质量下降。

因此，对煤矿井下进行无功补偿至关重要。

本文主要对1140V电压等级下DSTATCOM控制系统进行设计，建立了静止同步补偿器在不同坐标系下的数学模型。

运用MATLAB/Simulink仿真工具建立了DSTATCOM的仿真模型，仿真了在恒定感性负载、变化的感性负载，以及在恒定容性负载和负载由感性到容性变化的情况。

仿真结果表明，本文设计的数学模型在恒定负载下具有良好的补偿效果，并且在负载性质发生变化以及突加负载和突甩负载情况下具有较快的动态响应速度和良好的跟踪能力。

验证了本文所述模型的正确性和有效性。

关键词：

配电网静止同步补偿器；MATLAB仿真；

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofmoderncoalmine,themechanizationdegreerisesfast,thepowerofminingmachineryequipmentgreatlyincreases,andthedistanceisextendedfromthepowersupply,whichresultinginthedeteriorationofpowersupplyqualityandreactivedefects.Therefore,thereactivecompensationisessentialforthecoalmine.ThethesiscreatesthesimulationmodelofDSTATCOMusingMATLAB/Simulinksimulationtool.Itsimulatesthesituationsinconstantinductiveload,inductiveloadchanges,theconstantcapacitiveloadandtheloadchangeingfromtheinductivetocapacitive.SimulationresultsshowthatthecontrolsystemofDSTATCOMhasgoodcompensationeffectinconstantload,andhasexcellenttransientstabilityinchangeingloadandsuddenaddingorsuddenrejectingload.ControlmethoddescribedinthisarticledemonstratethecorrectnessandThesimulationresultsprovethecorrectnessandeffectivenesofthecontrolstrategy.

Keywords:

DistributionStaticSynchronousCompensator；MATLABsimulation

1引言

随着现代化矿井快速发展，井下机械化程度不断提升，采煤机械设备功率大幅度提高及供电距离不断加长，我国煤矿井下工作面供电电压等级也相应地逐步提高，1140V电压等级已成为我国煤矿井下的主要供电电压等级之一。

井下1140V电压等级下所带的用电设备大多是感性负荷，如采煤机、绞车、皮带机等，各种感性负荷与电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，无功功率对电网的影响主要有以下几个方面：

（1）功率因数降低，设备容量利用少。

（2）增大线路和变压器的电压降，对于冲击性的无功功率负载来说，还可能使电压产生剧烈波动，严重降低供电质量，造成电机启动困难或频繁烧毁,特别是在大功率电动机使用上表现尤为明显。

（3）增加设备的容量。

（4）设备及线路损耗增加。

由此可以看出，大量无功功率的存在，会造成井下供电质量恶化，同时无功损耗带来电能浪费严重。

煤矿井下使用无功补偿装置，其作用主要表现在以下几个方面[1]：

（1）提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；

（2）稳定受电端及电网的电压。

（3）抑制谐波，净化电网；

（4）减少电气事故率，延长设备使用寿命。

经过无功补偿后，系统电流下降，所有电气设备承受实际电流减少，减少了因电流大造成各类电气事故的几率。

然而，现阶段对煤矿井下动态无功补偿装置的研究很少，对井下配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）装置的研究还处于初始阶段。

目前，煤矿井下投入使用的无功补偿装置大多是TCR或TSC,长期以来，这些功率补偿装置在现场应用中存在可靠性低，响应速度慢的缺点，且不能很好地实现无功双向动态补偿的要求。

而DSTATCOM因其响应速度快，能对系统无功功率进行双向动态补偿，而成为现代静止无功补偿技术研究的热点。

2DSTATCOM数学建模

2.1概述（Introduction）

煤矿井下供电系统的生产负荷，一般都处于供电网络的最末端，其用电设备大部分都是由1140V低压系统供电。

因此，用电负荷变化较大，功率因数只有0.6-0.7,有时甚至更低。

井下各用电设备长期在功率因数较低的情况下运行,电网的线路损耗所造成能源浪费极大。

随着煤矿机械化程度的提高，采煤机、运输机的装机功率都达1000kW以上。

而且，由于工作面走向增加，导致供电距离加长，这些，都使系统中的无功损失加大。

同时，因设备容量大、供电距离远、设备起动力矩降低的问题也无法解决。

因此，提高功率因数，选用最佳的无功补偿是至关重要的。

以某矿综采工作面变电站低压侧连接设备为例,变压器容量630kVA,二次侧额定电压1140V，负载参数见表1。

表1负载参数表

Table1Tableofloadparameter

负载

数量

设备容量/kW

功率因数

皮带机

1台

75*2

0.65

绞车

1台

180

0.65

备用

——

——

——

（1）胶带机、绞车同时运行时，设备容量为330kW，线路电流

；

（2）当只有皮带机运行时，设备容量为150kW，线路电流

；

将DSTATCOM装置安装在煤矿井下低压侧1140V的供电系统如图1所示：

无功补偿装置安装在低压馈电开关的输出端（或井下皮带运输机或其它用电设备的开关的前级）。

图1DSTATCOM安装位置

Figure1InstallationsiteofDSTATCOM

2.2DSTATCOM数学模型（MathematicalModelingofDSTATCOM）

研究模型前，在不影响准确性的前提下，通常作以下假设：

（1）电网电动势为三相对称的纯正弦波电动势；

（2）A，B，C三相电路参数对称，且系统中的电感、电容等都是线性的，不考虑饱和。

（3）将系统中的其它有功和无功损耗（例如功率器件的发热等）全都折合叠加到阻抗支路上。

（4）为简化一般数学描述，可忽略开关函数描述模型中的高频分量，即只考虑其中的基波分量。

2.2.1三相静止坐标系中的数学模型

DSTATCOM其等效电路图如图2。

其中，

分别为电网侧三相电压，

为DSTATCOM向电网提供的三相补偿电流。

分别为逆变器输出的三相电压，L为交流侧滤波电感，R为连接电感等效电阻和功率开关管损耗等效电阻的和。

图2DSTATCOM的等效电路

Figure2EquivalentmodelofDSTATCOM

采用开关函数法研究DSTATCOM的数学模型，其逆变器的拓扑结构如图3所示：

图3逆变器拓扑结构图

Figure3Topologystructureofinverter

首先定义单极性二值逻辑开关函数：

（2-1）

根据基尔霍夫电压定律，a相回路方程为：

（2-2）

当上桥臂

导通而下桥臂

关断时，

。

当上桥臂

关断而下桥臂

导通时，

。

由于

，式2-2可改写成

（2-3）

同理，可以得到b相和c相的回路方程：

（2-4）

（2-5）

对于一个三相对称系统，有：

（2-6）

（2-7）

联立式（2-3）到式（2-7），可以得到：

（2-8）

直流侧电流

可以描述为：

（2-9）

联立以上各式，可得DSTATCOM在三相静止坐标系下的开关函数模型：

（2-10）

主要参数为装置的等值电感L，等值电阻R（代表损耗），DSTATCOM直流侧电容参数C及其电压

。

控制量为

，改变

就可以控制DSTATCOM产生电流的大小和方向，从而控制DSTATCOM产生的无功功率的大小和性质。

2.2.2两相静止坐标系中的数学模型

本文采用等功率坐标变换，遵循变换前后系统功率不变。

有变换矩阵

和

（2-11）

（2-12）

设三相电路电压及电流分别为：

（2-13）

（2-14）

式中，

——相电压的峰值；

——相电流的峰值。

由式（2-11），将三相abc坐标系下的电压电流量分别变换至αβ坐标系可得：

（2-15）

（2-16）

经

变换后，可得DSTATCOM在两相静止坐标系下的数学模型：

（2-17）

式中，

，

2.2.3两相旋转坐标系中的数学模型

经过Park变换后，空间矢量以电网角频率ω速度旋转。

假设

坐标的

轴在初始时刻和电网电压矢量重合，则静止坐标系与旋转坐标系之间的变换如图4。

从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵为:

（2-18）

（2-19）

式中，

。

图4αβ/dq的坐标变换

Figure4Coordinatetransformofαβ/dq

经

变换后，可得DSTATCOM在两相旋转坐标系下的数学模型：

（2-23）

式中，

，

3模型的仿真验证与分析

3.1仿真模型的建立

图5DSTATCOM仿真模型

Figure5SimulatesystemofDSTATCOM

为了验证文中的控制方法，利用美国MATHWORKS公司的仿真软件MATLAB7.0进行仿真分析。

DSTATCOM的仿真结构图如图5所示。

具体的仿真参数如下：

电网相电压峰值：

；

频率：

均为50Hz；

相位：

根据三相对称依次设为

；

直流侧电容电压给定值：

；

直流侧电容值：

；

交流侧连接电感值：

；

装置额定无功功率：

400kVar；

整个系统分为三部分：

主电路，测量电路和控制器部分。

主电路主要由三相电压源、连接电抗器、三相桥式电压源型逆变器、直流侧电容以及三相负载组成，其中交流侧的三相负载可以通过断路器投切来模拟其动态变化情况。

测量电路主要用于测量交直流侧的电压、电流。

在该DSTATCOM模型中，控制器是其核心部件，它主要包括电量转换、电流调节、电容电压调节和SVPWM波生成四个模块。

如图6至9所示。

图6电量转换模块

Figure6Electricalparameterstransformationblock

图7电流调节模块

Figure7Currentadjustmentblock

图8电容电压调节模块

Fig8Voltageadjustmentblock

图9SVPWM波生成模块

Fig.9SVPWMpulsesproductionblock

3.2仿真结果分析（SimulationResultsAnalysis）

本仿真主要验证在恒定感性负载及负载动态变化时DSTATCOM的无功补偿性能；为了更全面的验证DSTATCOM的动态补偿性能，另外还仿真了负载为容性以及负载由感性变容性时的补偿能力和无功负荷的跟踪能力。

先给出逆变器输出的相电压与线电压波形，如图10所示：

（a）相电压波形

（b）线电压波形

图10逆变器输出的相电压和线电压波形

Figure10Outputvoltageofinverter

3.2.1恒定负载时

假设只有皮带机运行时，设备容量为150kW。

在第一个工频周期（0.02s内），为直流侧电容充电时间，0.02s时刻，DSTATCOM装置投入运行。

仿真波形如图11所示。

图（a）为补偿前电网侧电压和电流的波形；图（b）为补偿后电网侧电压和电流的波形，图（c）为电网侧电压和DSTATCOM产生的电流的波形。

通过比较可以看出，投入装置前，由于系统所带的三相负载为感性负载，需要从电网侧吸收感性无功，致使系统电流滞后于系统电压，功率因数很低，仅为0.65；在投入DSTATCOM装置之后，装置输出滞后于系统电压900的无功电流，提供了负载所需要的感性无功电流，即在DSTATCOM装置投入运行后，负载所需要的无功电流不必由电源提供而由DSTATCOM装置提供。

大约在半个周波后，系统电流和电压同相位，系统电流变为纯有功电流，而且电流幅值明显减小。

图（d）为直流侧电容电压波形图，可以看出，0.02s后，电压幅值稳定在给定值2300V附近，说明了电容电压调节模块对直流电压的稳定作用；图（e）和图（f）为有功电流和无功电流的跟踪效果图，有功电流给定值为负载有功电流和直流侧电容波动和开关器件的通断所带来的有功电流的和，无功电流给定值为0，补偿效果说明电压和电流环的跟踪效果都是良好的。

（a）补偿前电网侧电压和电流波形（b）补偿后电网侧电压和电流波形

（c）电网侧电压和DSTATCOM电流波形（d）直流侧电容电压波形

（e）有功电流跟踪效果（f）无功电流跟踪效果

图11感性负载下仿真波形

Figure11Simulationwaveformswithinductiveload

3.2.2负载动态变化时

（1）0.1s前，只有皮带机运行时，设备容量为150kW，线路电流

；

（2）0.1s时刻，再投入胶带机负载，胶带机、绞车同时运行，设备容量为330kW，线路电流

；

（3）0.2s时刻，切除所有负载，系统空载运行。

仿真波形如图12所示。

（a）补偿前电网侧电压和电流波形（b）补偿后电网侧电压和电流波形

（c）系统电压和DSTATCOM电流波形（d）直流侧电压电压波形

（e）有功电流跟踪效果（f）无功电流的跟踪效果

图12负载动态变化时的仿真波形

Figure12Simulationwaveformsofdynamicvariationload

图12所示，图（a）为补偿前电网侧电压和电流的波形；图（b）为补偿后电网侧电压和电流的波形，图（c）为电网侧电压和DSTATCOM产生的电流的波形。

通过比较可以看出，在0.1s时刻突加负载时，DSTATCOM装置可以快速跟踪负载变化，过渡过程很小，大约经过一个周波后，装置输出电流波形稳定，从而使系统电压和电流达到同相位。

在0.2s时突甩负载，此时为空载运行，可以看出，系统电流几乎为0。

逆变器的状态由感性运行转变到备用状态，也就是说，DSTATCOM装置既不从系统吸收无功功率，也不向系统注入无功功率。

图（d）为直流侧电容电压波形图，可以看出，0.1s前，电压幅值稳定在给定值2300V附近，说明了电容电压调节模块对直流电压的稳定作用；0.1s时刻，突加负载，在此过程中，直流侧电压有小幅度的波动，但很快达到稳定状态；0.2s后，空载运行，直流侧电压下降。

图（e）和图（f）为有功电流和无功电流的跟踪效果图，0.1s时刻，突加负载，有功电流给定值增大，DSTATCOM发出的有功无功值能快速跟踪其变化并且达到稳定状态，说明其在负载变化时内外环的跟踪效果都是良好的。

3.2.3容性负载时

仿真波形如图13所示。

图（a）为补偿前电网侧电压和电流的波形；图（c）为补偿后电网侧电压和电流的波形，图（e）为电网侧电压和DSTATCOM产生的电流的波形。

通过比较可以看出，由于三相负载为容性负载，在投入DSTATCOM装置前，需要系统提供容性无功来满足运行要求，致使系统电流超前于电网侧电压，功率因数很低，仅为0.65,图（b）所示；投入装置后，装置输出超前于系统电压900的无功电流，提供了负载所需要的容性无功电流。

也就是说，DSTATCOM投入运行后，不必由电源提供负载所需要的无功电流，而是由DSTATCOM装置提供这个容性无功电流。

大约在半个周波后，功率因数为1，如图（d）系所示。

系统电流和电网侧的电压同相位，也就是说系统电流变为纯有功电流，并且电流得幅值也明显减小了。

图（f）为直流侧电容电压波形图，可以看出，，电压幅值稳定在给定值2300V附近，说明了电容电压调节模块对直流电压的稳定作用；图（g）和图（h）为有功电流和无功电流的跟踪效果图，有功电流给定值为负载有功电流和直流侧电容波动和开关器件的通断所带来的有功电流的和，无功电流给定值为0，补偿效果说明两个控制环的跟踪效果良好。

（a）补偿前电网侧电压和电流波形（b）补偿前功率因数

（c）补偿后电网侧电压和电流波形（d）补偿后功率因数

（e）DSTATCOM电压和电流波形（f）直流侧电容电压

（g）有功电流的跟踪效果（h）无功电流的跟踪效果

图13容性负载下仿真波形

Figure13Simulationwaveformswithcapacitiveload

3.2.4负载性质变化时

仿真设定：

在0.1s前，DSTATCOM投入运行，负载为感性；在0.1s时刻，装置仍旧运行，只是将负载由原来的感性变为容性负载。

仿真波形如图14所示。

图（a）为补偿前电网侧电压和电流的波形；图（b）为补偿后电网侧电压和电流的波形，图（c）为电网侧电压和DSTATCOM产生的电流的波形。

通过比较可以看出，在0.1s时刻前，由于负载为感性，需要系统提供感性无功，装置输出滞后于系统电压900的无功电流，系统电流和电网侧电压同相位，其变为纯有功电流，而且可以看出，电流的幅值明显减小了。

在0.1s时刻，将负载由感性状态切换到容性状态，可以看出，装置输出的电流也很快由感性电流变为容性电流。

经过不到一个周期的过渡时间，系统的电流依然是纯有功电流。

同样地，图（d）为直流侧电容电压波形图，在t=0.1s时，由于负载的性质发生了变化，直流侧电压有一个小扰动，但是经过短暂的过渡过渡过程后，其电压稳定在给定值2300V附近。

图（e）和图（f）为有功电流和无功电流的跟踪效果图。

仿真结果表明，DSTATCOM不但具有较高的动态无功补偿性能，而且对负载性质的突变也具有较快的响应速度以及较好的暂态稳定性。

（a）补偿前电网电压和电流波形（b）补偿后电网电压和电流波形

（c）系统电压和DSTATCOM电流波形（d）直流侧电容电压波形

（e）有功电流的跟踪效果（f）无功电流的跟踪效果

图14负载性质变化时仿真波形

Figure14Simulationwaveformswhenloadischarged

4小结（Summary）

本文建立了1140V链式DSTATCOM的数学模型，并运用MATLAB仿真软件，仿真了在恒定感性负载、变化的感性负载，以及在恒定的容性负载和负载由感性到容性变化的情况。

仿真结果表明，本文设计的DSTATCOM控制系统在恒定负载下具有良好的补偿效果，并且在负载性质发生变化以及突加负载和突甩负载情况下具有良好的暂态稳定性。

另外本文只是单独对DSTATCOM装置进行了研究，没有考虑将其放入井下1140V系统中时必须解决的防爆问题和散热问题，这将是下一步研究重点之一。

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