2013年AASRI并行和分布式计算与系统：DSTATCOM不同拓扑结构的建模与仿真

© 2013由Elsevier B.V.发布。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 5（2013）249 - 2612013年AASRI并行和分布式计算与系统DSTATCOM不同拓扑结构的建模与仿真Pradeep Kumar*，Niranjan Kumar，A.K.Akella印度贾坎德邦贾姆谢德普尔国家理工学院电气工程系，邮编：831014摘要配电网中的电能质量是通过并联补偿装置--配电网静止补偿器（DSTATCOM）来实现的，本文利用Simulink的SimPowerSystem仿真工具对三种不同的配电网静止补偿器（DSTATCOM）系统拓扑进行了建模和测试。对一个配电系统进行了仿真试验，该系统具有不平衡和非线性负荷。配电网静止无功补偿器（DSTATCOM）的不同拓扑结构可以改善供电系统的功率因数。DSTATCOM控制基于同步参考框架控制。模型化的DSTATCOM拓扑结构可用于开发和测试DSTATCOM的不同控制策略和方法。这些模型也可以帮助教师在教学电能质量课程。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审关键词：配电网静止无功补偿器（DSTATCOM）; Simulink1. 介绍配电网静止补偿器（DSTATCOM）是一种用于提高电源侧功率因数的电力自定义装置[1]。DSTATCOM有一个六桥臂电压源转换器（VSC），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为开关元件。已经进行了不同的研究*普拉迪普·库马尔。电话：+ 91-9905205302;传真：+91-657-2382246。电子邮件地址：juarcs08@gmail.com。2212-6716 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。美国应用科学研究所负责的选择和/或同行评审doi：10.1016/j.aasri.2013.10.086250Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249VSRSLSvtIL不平衡&非线性负载ISIC三相不控整流器CdcLfVDC ILa iLbiLcVtSRF控制器评估DSTATCOM的性能或提出控制策略以改善其性能[2-10]。时域仿真和/或实际实验已被用于执行这些研究。时域仿真已被证明可以提供基于FACTS设备的电压源转换器（VSC）的行为的准确预测[11] 。 有 许 多 软 件 包 可 用 于 建 模 和 仿 真 基 于 VSC 的 FACTS 装 置 ， 如 EMTP ， PSCAD ，MATLAB/SIMULINK，PSIM。MATLAB/SIMULINK是工程科学中使用最广泛的软件包，因为它有许多涵盖所有工程应用的工具箱[12]。利用Simulink的SimPowerSystem仿真工具对三种不同的配电网静止补偿器（DSTATCOM）系统拓扑进行了建模和仿真。DSTATCOM拓扑结构基于同步参考框架（SRF）控制[13]。2. DSTATCOM的系统拓扑DSTATCOM有不同的系统拓扑结构。本文选取了其中的三种。选定的系统是：1-DSTATCOM 与 电 源 侧 连 接 的 整 流 器 如 图 1 所 示 。 （ 系 统 1 ） 2-DSTATCOM与负载侧连接整流器，如图2所示。（系统2）3-DSTATCOM与恒定直流电压如图3所示。 （系统3）这些拓扑所选择的负载是三相不平衡R-L负载和作为非线性负载的二极管整流器。在STATCOM和配电系统之间使用升压Transformer来提高电压。Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249251Fig. 1.带电源侧整流器的DSTATCOM及其Simulink模型是VT1|一Vabc一+一BRABC-电流|+当前1|+-当前2B[答]GotoLa一路+CCB-RBLb-三相V-I测量C通用桥接器LD三相电源RCLC伊萨·维塔电压1+V-31/Z单位延迟1|拉，|LB，|LC|L离散PWM发生器[第二个]三相断路器1/Z单位延迟2离散PWM发生器1ICASRF控制器1/Z装置延迟3离散PWM发生器2ICB|+|ICC一+-当前3++GLF2-当前4IC|BODCRDC一+-=B-当前5DC LINK通用桥接器1伏+V- -一种CIGBT桥2臂+=GABLF1A1+A1B1+A2+A2B2+IGBT桥2臂1+GLF一=BB1C1+C1B2C2+C2IGBT Bridge 2 arm2三相线性TransformerOut3输入1输出2Out1一一BBCC252Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249DC链路3|L|拉，|LB，|LC[第二的Rd+B-LdC通用桥接器图二.带负载侧整流器的DSTATCOM及其Simulink模型是|一VabcVT1一一+C-电流|+当前1|+-当前2一RABB[答]GotoLa+路BCCBLD-RBLb三相V-I测量-三相电源RCLCC通用桥接器伊萨·维塔电压1+V-Out11/Z单位延迟1离散PWM发生器三相断路器输入1输出2ILIla，Ilb，Ilc单位延迟2Out3离散PWM发生器1[第二个]ICASRF控制器单位延迟3离散PWM发生器2ICB|+|一+-当前3ICC+-当前4ICBODCRDC+GLF2|一+-=B-当前5C环球桥1IGBT桥2臂伏+V- -一种+G一LF1=BA1+A1B1+A2+A2B2+IGBT桥2臂1+GLFDC链路一=BB1C1+C1B2C2+C2IGBT Bridge 2 arm2三相线性Transformer1/Z1/Z3一一BBCCPradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249253VSRSLSvtIL不平衡&非线性负载ISICVDC+|LfVDC ILa iLbi LcVtSRF控制器254Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249DC链路3|L|拉，|LB，|LC[第二的Rd+B-LdC通用桥接器ABC三相电源VT1ODCe1一+B-C环球桥伏+V- -一种DC3. 控制方案图三.含Simulink模型DSTATCOM拓扑结构的控制采用同步参考系（SRF）理论。使用以下公式将a-b- c坐标系中的三相负载电流iLdiLq因为t唱Tcost2歌唱t 2cost2歌唱t 2ILaiLb我G（s）iLdG（s）iLqLc（1）（二）233333iLdiLq一是VT1|一Vabc一+-电流|+当前1|+-当前2一RALa+BB[答]Goto路BCBC-RBLDLbC三相V-I测量-RCLCC通用桥接器三相电源伊萨·维塔电压1+V-Out11/Z单位延迟1离散PWM发生器三相断路器3输入1输出2IL1/Z单位延迟2Ila，Ilb，IlcOut3离散PWM发生器1[第二个]ICASRF控制器1/Z装置延迟3DC链路离散PWM发生器2ICB|+|ICC伏+v-+G-当前3+DCLF2-当前4IC|一+=B-当前5IGBT桥2臂+G一LF1=BA1+A1B1+A2+A2B2+IGBT桥2臂1+GLF一=BB1C1+C1B2C2+C2IGBT Bridge 2 arm2三相线性Transformer一一BBCCPradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249255iLdiLq我我Q*Vti Lai Lbi LcVdc*VT我的天Cc Cb Ca见图4。同步参考系（SRF）控制方案增益Kq 定义为S 到QL 并且对于功率因数改善，其值将为零。参考源电流的d-q分量如下获得：i* i iSd Ld Cdi* K i ui单位面积（三）使用以下公式将参考源电流的d-q分量转换为三相a-b-ci*sai*sbcos因为 tt2罪唱Tt2i*sd*i*sccost2歌唱t 2i平方（四）的 可以获得期望的补偿器电流，我我我卡拉萨我我我Cb Lb Sb2 33333VDCA-B-C-D-QVt*+iLqLPFiLd-+iLqiLdKQPLL++uiCq+i*i⑶的平方i*+SD新科斯特D-QA-B-Ci*SC-+i*锑-+i*SaiLaiLbiLc-+LPFP控制器LPFPi控制器我256Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249我我我4. 仿真结果捷克共和国三个DSTATCOM拓扑结构的功率因数改善模式进行了仿真。总的模拟周期为1.0 s。基于模拟结果，可以准备以下分析：(1)系统1的模拟结果如图6所示。负载电流不平衡且非正弦。补偿器电流本质上是正弦的。电源电流和端电压之间的相位角为零度。这保证了功率因数为1，即DSTATCOM接通后功率因数可以提高。如图所示的直流链路电压Vdc继续增加，直到DSTATCOM接通，最终达到稳态值500 V。0.2 s后开始沉降。直流电压Vdc开始在直流电容Cdc上积累。(2)系统2的模拟结果如图7所示。负载电流、补偿器电流、源电流和端电压的波形与图6相同，但负载电流的大小相对增加。DSTATCOM开通后，功率因数得到改善，直流环节电压Vdc随时间呈指数增长，如图所示，直流环节电压不再保持恒定，而是趋于250 V。(3)系统3的模拟结果如图8所示。负载电流、补偿器电流、源电流和端电压的波形与图6相同。在DSTATCOM投入运行后，功率因数可以得到改善。DSTATCOM投入运行前后，直流母线电压保持在500 V。这使得DSTATCOM在几乎不中断负载电流的情况下提高功率因数。图5. IGBT的PWM脉冲Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）24925760050040030020010000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1t（sec）见图6。功率因数改善的系统响应（系统1）Vdc（volts）258Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）2492502001501005000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1t（sec）见图7。功率因数改善的系统响应（系统2）Vdc（volts）Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249259Vdc（volts）501500.8500.6500.4500.2500499.8499.6499.4499.24990 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1t（sec）见图8。功率因数改善的系统响应（系统3）260Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）2495. 结论本 文 利 用 Simulink 的 SimPowerSystem 仿 真 工 具 建 立 了 不 同 拓 扑 结 构 的 配 电 网 静 止 补 偿 器（DSTATCOM）的模型。DSTATCOM系统拓扑的控制是基于同步参考坐标系控制。时域仿真已被用来验证这些模型的操作。这些模型可以很容易地修改为：1- 在用户友好的仿真环境中进行不同类型的电能质量研究，用于教学和研究。2- 测试DSTATCOM的控制策略和方法。3- 通过修改现有的建模拓扑，为本文未考虑的DSTATCOM的其他系统拓扑建立模型。致谢我们要感谢NIT Jamshedpur主任为Pradeep Kumar先生完成TEQIP计划下的研究工作提供财政支持。引用[1] 陈炳生，许永永，静止无功补偿器之最小谐波控制器，IEEE工业电子学报，2008年2月，第55卷第2期：第102页。655-664。[2] 放大图片作者：Akagi H，Watanabe E H，Aredes M .瞬时功率理论及其在功率调节中的应用。Hoboken：NJ Wiley;2007.[3] Herrera R S，Salmeron P，Kim H.瞬时无功功率理论应用于有源电力滤波器补偿：不同方法，评估和实验结果。IEEE Trans. Ind. Electron。2008年1月; 55（1）：pp. 184-196。[4] 张文，王文，等.有源串联滤波器在同步发电机中的应用.电力工程学报，2000，24（1）：119 -119.正在进行中EUR. Power Electron. Conf. 1991; pp. 3030-3035[5] Singh B，Verma V.通过电流分解的有源电力滤波器选择性补偿电能质量问题。IEEE Trans. PowerDel. 2008年4月; 23（2）：pp. 792-799[6] Lascu C，Asiminoaei L，Boldea I，Blaabjerg F.有源电力滤波器中选择性谐波补偿电流控制器的频率响应分析.IEEE Trans. Ind. Electron. 2009年2月;56（2）：pp. 337[7] 罗安，帅忠，朱伟，沈振杰.谐波抑制与无功补偿的联合系统.IEEE Trans. Ind Electron. 2009; 56（2）：pp. 418-428[8] 徐国光，杨明杰，陈永民，林永峰.并联型有源电力滤波器系统之模型参考自适应控制设计。IEEETrans. Ind. Electron. 2008年1月; 55（1）：pp. 97比106[9] 吴伟杰，王伟杰.多机电力系统静态补偿器之比例积分型自适应临界设计神经控制器。IEEE Trans.Ind. Electron.Feb. 2007; 54（1）; pp. 86比96[10] 舒正，郭勇，连军，基于FPGA的有源电力滤波器稳态和动态控制算法研究，IEEE工业电子学报，2008年4月，55（4）：pp. 1527-1536年。[11] 森·K K，Keri A J F.基于电压源换流器的FACTS控制器的现场结果和数字仿真结果的比较。2003年1月;18（1）：pp. 300-306[12] https：\\www.mathworks.com[13] 帕迪亚尔河输电和配电中的FACTS控制器。印度：新时代国际出版社，2007年。附录AC线电压：VLL = 415 V，50 Hz，电源电感和电阻：Ls= 42 mH，Rs= 1.57各相不平衡R-L负载：a相- 45，195 mH，b相- 70，220 mH，c相- 30，170 mH二极管电阻和电感- 120，35 mH比例控制器增益：Kp= 0.6，比例增益= -0.2，积分增益=-40Pradeep Kumar等人/ AASRI Procedia 5（2013）249261直流电压：Vdc = 400V，直流电容：Cdc = 3500 μF，直流电阻：Rdc = 5500滤波电感：Lf = 5.0 mH，PWM开关频率：20 kHz