链式STATCOM物理模拟实验系统的设计

白云飞，万萌

（1.西安西电自动化控制系统有限责任公司，陕西西安710049；2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安710049）

链式STATCOM物理模拟实验系统的设计

白云飞1，万萌2

（1.西安西电自动化控制系统有限责任公司，陕西西安710049；2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安710049）

物理模拟实验是现代电力设备制造及电力系统研究的重要方法，该方法与仿真实验以及数字动模实验相比，能够更好地模拟实际电路系统的真实工况。针对链式STATCOM系统设计了用于进行链式STATCOM物理模拟实验的物模系统，提出了主电路计算方法，设计了基本的电路模块，并进行了相关的实验验证。

物理模拟实验；链式STATCOM；IGBT；研究系统

物理模拟实验是现代电力设备制造及电力系统研究的重要方法。该方法是通过建立与原型电力设备或电力系统中某个子系统的在物理特性上相似的实体模型，然后在特定的环境下组成等效系统来验证控制保护系统功能正确性或系统设计合理性的实验测试方法。物理模拟实验与一般仿真实验相比，最大的优点是物理模拟实验系统（简称“物模系统”）可以反映物理模拟的原型的实际工作过程，且实体现象直观、丰富。与数字动模实验相比，物理模拟实验对控制器系统的检验更加全面，在物理模拟中所使用的控制系统结构与真实控制系统完全相同，既包含了控制系统中的核心控制单元，又包含控制系统中除了控制单元以外的辅助单元，而在数字动模中通常只对核心控制器进行模拟。链式STATCOM（Cascaded Static Synchronous Compensator，STATCOM）物理模拟实验系统是根据模拟理论及相似原理将实际中的原型系统各部分按同比例缩小构建的实验研究系统。

1 结构设计和主要参数的选择

1.1 物模系统中链式STATCOM主电路结构

根据链式STATCOM中链式电路三相所采用的接线方式划分，链式STATCOM可以分为“Y”形接线和“△”形接线2种电路结构。在设备容量和接入的系统电压相同的情况下，这2种不同的电路结构对组成链式STATCOM中电力电子开关器件参数的选择区别较大。本文在设计物模系统时按照实际工程选择了“Y”形接线的链式STATCOM。

1.2 物模系统主电路参数的计算

本文所设计链式STATCOM物模系统所接入的电网电压US为380 V，链式STATCOM电路结构采用“Y”形接线。链式STATCOM物模系统的设计补偿容量为S为±3 kVar，则其最大相电流IcY－max为：

链式STATCOM接入系统的相电压有效值USP为：

接入系统的相电压有效值USP、链式STATCOM中电压源型换流器输出的最大电压有效值UcY－max与电抗器的端电压有效值URe之间满足公式：UpY－max=USP+URe.

链式STATCOM中电抗器的电抗率η通常选择11%～15%，本文设计所的物模系统中，电抗器的电抗率选取14%，则电抗器的端电压有效值URe可由以下公式得出：URe=ηUSP.

由上述可知，链式STATCOM中电压源型换流器输出的最大电压有效值UpY－max取值为250.1 V。由于电压源型逆变器的输出电压实际由各功率单元提供，因此，电压源型逆变器的输出电压的峰值与功率单元直流电容器电压Udc之间满足下列关系：

式（1）中：N为每相功率单元的数量，出于对物模系统实验规模的考虑，每相功率单元的数量为8个。

为了保证链式STATCOM输出波形的谐波含量较低，链式STATCOM控制系统所采用的调制比m一般设定在0.6～0.85之间。因此，电压源型逆变器的输出电压的峰值与功率单元直流电容器电压Udc之间的实际关系应为：

1.3 功率单元关键参数的计算

功率单元中的关键元件包括电力电子开关器件即IGBT元件和直流支持电容器，为了确定2个元件的参数首先需要确定功率单元直流电容器电压Udc.

根据上述计算公式可计算得出物模系统中功率单元直流电容器电压Udc=52 V。IGBT元件的额定电流为3.21 A。直流侧电容电压的构成包含1个直流分量和频率交流系统2倍的分量。直流电容器电压波动的峰值即直流电容器电压的纹波值，由直流支撑电容的电容值决定。直流电容电压的纹波系数取5%，因此，直流支撑电容的电容值为1 675 μF。根据上述计算结果，IGBT元件时选取了额定参数为400 V、25 A的IGBT元件，直流支撑电容器选取了400 V、330 μF的电解电容6个并联的电容器组，等效电容为1 980 μF。

1.4 接入电抗器参数的计算

当系统吸收无功时，系统电压高于链式STATCOM中电压源型逆变器的输出电压低于系统电压，电流滞后系统相电压为90 V。当系统吸收无功时，系统电压高于链式STATCOM中电压源型逆变器的输出电压高于系统电压，电流超前系统相电压为90 V。接入电抗器基准阻抗值为：

由上述计算公式可知，XL=6.6 Ω。另外，由于接入电抗器的电抗率γ=1 4%.则电抗器的基波电抗值XLN=XLγ=0.924 Ω。电抗器电感值L=2.9 mH。

2 物模系统功率单元的硬件设计

物模系统的功率单元由IGBT逆变模块和功率单元控制板两部分组成。

2.1 IGBT逆变模块

IGBT逆变模块的主体结构为单相全桥逆变电路，IGBT逆变模块采用PCB安装的结构。IGBT的驱动电路中的驱动芯片选取国际整流器公司（International Rectifier，IR）的IR2110S驱动芯片，该芯片采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，采用DIP14脚封装，兼有光耦隔离型驱动芯片体积小和电磁隔离型驱动芯片信号传输速度快的优点，是中小功率逆变装置中常用的驱动器件。

2.2 功率单元控制板

功率单元控制板是一种高电位设备，是功率单元和链式STATCOM控制保护系统接口元件。功率单元控制板和链式STATCOM控制保护系统之间采用光纤连接以确保高低电位的电气隔离。功率单元控制板主要功能有IGBT触发脉冲分配、直流电压测量、直流电容器过电压保护、低电压闭锁和IGBT故障闭锁等功能。

3 结论

本文设计的物模系统可以模拟链式STATCOM的实际工况，实现对控制保护系统的功能验证。链式STATCOM物理模拟实验系统的建成为研究链式STATCOM及其控制保护系统的性能提供了重要的研究手段，可以加快链式STATCOM控制保护系统的研发进度。

［1］吴国渝.电力系统仿真［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［2］刘正富.链式静止同步补偿器主电路及控制策略研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

〔编辑：张思楠〕

TP301.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.104

2095－6835（2017）19－0104－02