STATCOM输出滤波器结构设计及参数优化

2008年4月 第23卷第4期 电工技术学报 TRANSACTIoNSOFCHINAELECTROTECHNICALSoCIETY V01．23NO．4 Apr． 2008 STATCOM输出滤波器结构设计及参数优化 荣 飞 罗 安 汤 赐 盘宏斌 (湖南大学电气与信息工程学院 长沙410082) 摘要 分析了静止同步补偿器(STATCOM)LC输出滤波器的滤波特性，指出在滤波电容上 串联一个小电阻能有效抑制STATCOM装置与电网发生的谐振；从无功补偿能力和瞬态电流跟踪 能力两方面讨论了输出滤波器对STATCOM装置的影响，并以此为基础提出运用改进遗传算法进 行输出滤波器参数的优化设计，将各优化目标对装置的影响程度考虑到适应度函数中。仿真结果 表明，与根据经验设计的参数相比，采用本文所提出的设计方法，能更好地满足系统无功补偿的 要求。 关键词：输出滤波器 无功补偿能力 瞬态电流跟踪能力 遗传算法 参数优化 中图分类号：TM711 StructureDesignofOutputFilterinSTATCOMandIts ParameterOptimization RongFeiLuoAnTangCiPanHongbin (HunanUniversityChangsha410082China) AbstractThecharacteristicofLCoutputfilterinSTATCOMisanalyzedinthispaper，andthen thatthephenomenaoftheoutputfiltercansuppresstheresonanceeffectivelywhenconnectingasmall resistancetothecapacityispointedouttoo．Furthermore，theoutputfilter’SinfluencetotheSTATCOM isdiscussedfromtheabilityofreactivepowercompensationandtransientcurrenttracking，andan optimizationmethodtodesigntheoutputfilterisputforward．Theoptimizationmethodusedthe improvementgeneticalgorithmbyconsideringtheinfluenceofeachoptimizedgoaltotheSTATCOM． Thesimulationresultsshowthattheoutputfilterdesignedbyoptimizationmethodcanmeetthe requirementofthereactivepowercompensationbetterthanthatdesignedjustbyexperience． Keywordsz Outputfilter,reactivepowercompensationability,transientcurrenttrackingability， geneticalgorithm，parameteroptimization 1 引言 电压型逆变器(VSI)是静止同步补偿器 (STATCOM)赖以工作的核心元件，通过控制VSI 各桥臂的通断即可以控制STATCOM注入到电网的 无功电流，从而实现提高功率因数，稳定电压，抑 制闪变等功能⋯。由于逆变器的输出不可避免地会 产生高频谐波，因而必须采取适当的方法予以滤 除【2】。目前为了消除STATCOM输出的谐波，主要 国家自然科学基金(60474041)和国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (2004AA001032) 资助项目。 收稿日期2007．01．05改稿日期2008．01．04 在主电路结构上采用多电平技术[3-5]及增加输出滤 波器【6。9】。就多电平技术，从理论上来说，只要电平 数足够多，就可以完全消除逆变器输出的谐波，但 其控制复杂、成本较高。相比之下，输出滤波器以 其简单的结构、良好的滤波性能逐渐成为 STATCOM谐波滤波的一条重要途径。但现有的文 献大多定性的分析在STATCOM中应该采用什么样 的输出滤波器，而没有给出具体的设计方式。实质 上，如果输出滤波器设计得不合理，一方面不能有 效抑制高频毛刺谐波通过连接电抗器注入到电网 中，另一方面还会影响整个STATCOM装置的无功 补偿能力【l01。 万方数据 138 电工技术学报 2008年4月 为此，本文首先分析了目前使用较多的LC输 式中 出滤波器的滤波特性，提出对滤波电容串联一个阻 值不大的电阻以有效抑制与电网发生的谐振；然后 从无功补偿能力和瞬态电流跟踪能力两方面分析了 输出滤波器对STATCOM装置的影响，并以此为基 础提出运用改进遗传算法进行输出滤波器参数的优 化设计，将各优化目标对装置的影响程度考虑到适 应度函数中。实例设计表明该方法能够确保输出滤 波器更好地满足整个系统的要求。 2输出滤波器的设计 采用LC输出滤波器的STATCOM装置结构如 图1所示，其中us表示电网电源电压，zs表示传 输线路阻抗，ZL表示负载阻抗，T表示STATCOM 与电网之间的连接变压器，L。、G构成逆变器的输 出滤波器，C是逆变器直流侧电容。 图1 STATCOM装置结构 Fig．1StructureofSTATCOM 2．1 LC滤波器滤波特性 采用LC滤波器的STATOM装置单相等效电路 如图2所示，其中断代表连接变压器的等效漏抗， Uinv代表逆变器输出电压。 Fig．2Single—phaseequivalentcircuitofSTATCOM 根据欧姆定律，可以求得输出滤波器对“i。，和 U。的增益分别为 州神=蚓=厩可丽IZco网] (1) 啄妫=件—I(ZL+型Z。)B+一ZLZs[㈤ A=芝Z鬲sZL+Zbr 占：砻簪+％zc0+毛叼 (3) z幻=j峨 zco=志 ZLT=j以k 为了考察输出滤波器的滤波特性，图3给出了 不同负载情况下Hl(动和H2(动的频率响应曲线，其 中曲线1、2、3分别是电阻为10．6Q、电感为19．5mH， 电阻为1．06Q、电感为1．95mH及电阻为0．106Q、 电感为0．195mH下的波特曲线。其他元件参数见表 1，设线路长10km。 -= 里 害 5 (a)Hl(妫的频率响应曲线 (b)珑(动的频率响应曲线 图3 LC输出滤波器频率响应曲线 1．足=10．6Q，L=19．5mH2．R=I．06Q，L=I．95mi-I 3．R=0．1060，L=O．195mH Fig．3FrequencyresponsecurveofLCoutputfilter 表1元件参数表 Tab．1Parametersofcomponent 元件参数 参数值 输出电感／mH 输出电容／gF 变压器等效漏抗／mH 线路电阻／(c1／km) 线路电抗／(mH／km) l 60 0．02 O．Ol O．3 万方数据 第23卷第4期 荣 飞等 STATCOM输出滤波器结构设计及参数优化 139 从图3中可以看出： (1)三种情况下，都有一个明显的谐振点，增 益达到50db，如果逆变器在该频率附近有毛刺输 出，将会被严重放大。 (2)随着负载的变化，其谐振点也随之移动， 因而难以通过设计滤波器参数刻意避开。 (3)进一步分析还可知线路阻抗、输出滤波器 参数都对频率响应曲线有影响，但都存在谐振现象。 为此必须改进LC输出滤波器，使其在各频段 都有较好的滤波效果。 2．2 改进LC滤波器的设计 为了抑制谐振，本文将LC滤波器的电容串联 一个电阻，其输出电流对Ui。，和U。的增益依然如式 (1)、式(2)所示，但 Zco2志艄 “， 式中，尺为串联电阻值，其他参数如式(3)所示。 图4给出了负载电阻为10．6f／、电感为19．5mH 时，串联不同电阻情况下的频率响应曲线。其中曲 线1、2、3分别是R=0．1f／、R=lf／、R=10f2时的响 应曲线。从图中可以看出，三种情况下的增益都远 小于0db，表示能有效抑制谐振现象，并且随着尺 的增大抑制效果更好；但随着R的增大，在更高频 段，其谐波抑制能力不如较小的R值，此外过大的 R值将会带来很大的损耗，因此，在实际使用过程 中，月的取值在If／左右即可。 40 20 ．——0 墨一20 善一40 一一60 -80 一100 40 20 O 《一20 面一40 善一60 t'xl一80 一loo —120 谐波次数 (a)Hl(动频率响应曲线 谐波次数 (b)／／2(劫频率响应曲线 图4改进LC滤波器频率响应曲线 1．R=0．1Q 2．R=ln 3．R=lOQ Fig．4FrequencyresponsecurveofadvancedLCfilter 3输出滤波器对STATCOM装置的影响 输出滤波器一方面能有效滤除逆变器输出的高 频毛刺分量，另一方面也起到将逆变器输出的电压 转化为无功电流的作用。因此，输出滤波器的设计 对STATCOM有很大的影响。 本文从输出滤波器对STATCOM装置无功补偿 能力及瞬态电流跟踪能力的影响进行分析。 3．1 无功补偿能力 图5给出了串联电阻后的STATCOM装置的单 相等效电路，并用电压源U。。。代替接入点电压。 图5 改进STATCOM装置的单相等效电路 Fig．5Single-phaseequivalentcircuit ofnewSTATCOM 尺是串联在滤波电容上的电阻。从图中可以看 出，iL为逆变器输出的电流，该电流分为两部分： 一部分经滤波电容Co旁路，另一部分注入电网起到 补偿电网无功的作用。为了使得STATCOM装置的 无功补偿能力高，需保证在相同的逆变器输出电流 下，注入电网的无功电流尽可能大。为此，定义iT／iL 作为评价STATCOM装置无功补偿能力的性能指 标。 根据欧姆定律可解得 生： 垒二里 (5) 屯 C+(A—B)D 其中 A：——————————兰鱼坐生L————————一 Z幻(Zco+R)+ZLoZLT+(Zcb+尺)ZLT B： !兰!±堡!±墨鉴!! ZLo(Zco+R)+ZLoZLT+(Zco+尺)ZLT C：——堡业 ZLo+zco+R D： 生!±墨 Z￡o+Zcb+R 分析式(5)可知，G越大，其无功补偿能力 越弱。这是由于滤波电容越大，大部分无功电流都 经滤波电容旁路，严重影响了装置的无功补偿能 力。 万方数据 140 电工技术学报 2008年4月 3．2瞬态电流跟踪能力 为了分析输出滤波器对STATCOM装置瞬态电 流跟踪能力的影响，写出电路的微分方程： IUin、，=k鲁+Rfc吼 』co孥=fc (6) lt=‘+电 卜一H肛=k面dZ+岛誓 式中，‰表示滤波电容两端电压，解得 砰=Ke一函cos(cot+咖+G2(f)(7) 式中第一部分表示解的暂态部分，G2(f)表示解的稳 态部分。由于具体的求解过程比较复杂，本文只给 出反映瞬态电流跟踪能力的万 万：—R(Lr—+Lo) (8) 2Lrk 从上式可知，随着L0的减小，暂态分量的衰减 变快，考虑在＆时间内要求暂态分量衰减到旯，则 必须满足 墨!鱼±生2△f e 2卸k ≤名 (9) 4参数优化 输出滤波器的主要作用是抑制逆变器开关器件 产生的高频谐波电流注入到电网之中，设逆变器的 开关角频率为纰，产生的主要高频谐波次数在k。到 ‰之间，则要求谐波畸变率最小，即 “ Min∑日1(砚) (10) f_七l 综合前述分析可知，输出滤波器参数优化问题 是一个典型的多目标优化问题： E(匕，Co)=Min∑Hl(q) 如(k，c0)：MaXf善] (11) 弓(k)=Min(e肖半血) 传统的遗传算法对优化目标直接构造适应度函 数，没有考虑各个目标对输出滤波器的影响程度是 不一样的。为此，本文对适应度函数进行了修改。 以Fl为例，设当Fl>F1。。时，输出滤波器完 全不能满足要求：当Fl五。。。 五=忙+(1一嘶’瓦Flmjax-iFIE一≥五≥巧曲(12) 【 1 巧 、 ≈ 邕 ·硼 ≤ ·o 煺 脚 > ’ ≈ 出 ·曾 更 迥 馨 嚣 霉 时间／s (a)未投入STATCOM’装置时仿真波形 时间／s (b)采用经验参数补偿后波形 墨。 墨。 萎o (c)采用优化参数补偿后波形 图6仿真结果 Fig．6Resultsofsimulation 基波(50Hz)--94．94,THD=1．11％ 谐波次数 (a)采用经验参数补偿后的电流频谱 基波(50Hz)--9494，THD=111％ 谐波次数 (b)采用优化参数补偿后的电流频谱 图7电流波形频谱分析 Fig．7Frequencyspectraofthecurrent (2)采用优化参数的STATCOM补偿器对电 网的谐波污染更小，畸变率为1．11％，大大优于采 用经验参数时的1．57％。 (3)在投入STATCOM装置后，接入点电压有 所抬高，说明经过适当的控制，可以稳定电压。 为了考察串联电阻尺的能量损耗，本文测量了 串联电阻尺上的电流有效值为3．38A，也就是说，R 的功耗约等于11W，满足工程实际要求。 此外，仔细分析图1所示的电路结构可知，R 功耗主要取决于变压器二次电压，设二次电压为“1， 则尺功耗PR大约为 玮：f—坐-1R (13) “卜志j 为此，在高电压等级下，为了降低R功耗，只 需合理设置变压器的电压比，使二次电压较低即可。 6 结论 本文对LC输出滤波器的滤波特性进行了探讨， 提出了在滤波电容上串联一个电阻能有效抑制 STATCOM装置与电网发生的谐振，并指出随着电 阻的增大，其谐振抑制能力逐渐增强，但过大的电 阻会使有功损耗增大，因此取lQ左右即可；此外， 分析了输出滤波器对STATCOM装置无功补偿能力 及瞬态电流跟踪能力的影响，指出过大的滤波电容 将会使无功补偿能力变差，过大的滤波电感将会使 跟踪能力变差，为此采用了遗传算法对输出滤波器 参数进行优化设计，使输出滤波器在有效滤除高频 谐波的同时，能兼顾较好的无功补偿能力和瞬态电 流跟踪能力。但传统的遗传算法对优化目标直接构 造适应度函数，没有考虑各个目标对STATCOM的 影响程度是不一样的，为此，本文对适应度函数进 行了修改，将各个优化目标的影响权重考虑进去。 仿真结果表明，采用本文所提出的设计方法，能更 好地满足系统无功补偿的要求。 参考文献 【l】 王兆安，黄俊．电力电子技术【M】．北京：机械工业 出版社，2004． [2】 罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备【M】． 北京：中国电力出版社，2006． 【3】 罗承廉，纪勇，刘遵义．静止同步补偿器(STAT COM)的原理与实现【M】．北京：中国电力出版社， 2005． 【4】 ZhengChunfang，ZhangBo，QiuDongyuan．Selective 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电工技术学报 英文刊名： TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY 年，卷(期)： 2008,23(4) 被引用次数： 14次 参考文献(11条) 1.王兆安;黄俊 电力电子技术 2004 2.罗安 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 2006 3.罗承廉;纪勇;刘遵义 静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现 2005 4.Zheng Chunfang;Zhang Bo;Qiu Dongyuan Selective harmonic elimination technique based on Walsh transformation for multilevel inverters[期刊论文]-Transactions of China Electrotechnical Society 2006(07) 5.孙宜峰;阮新波 级联型多电平逆变器的功率均衡控制策略[期刊论文]-中国电机工程学报 2006(04) 6.Barrenal J A;Aurtenecheal S;Canales J M Design,analysis and comparison of multilevel topologies for DSTATCOM applications 2005 7.Hyosung Kim;Janghwan Kim;Seung Ksiu A design consideration of output filters for dynamic voltage restorers[外文会议] 2004 8.Eric Wu;Peter W Lehn Digital current control of a voltage source converter with active damping of LCL resonance[外文期刊] 2006(05) 9.Bruno Bolsens;Karel De Brabandere;Jeroen Van den Keybus Model-based generation of low distortion currents in grid-coupled PWM-inverters using an LCL output filter[外文期刊] 2006(04) 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