CN101335453B - Statcom的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种STATCOM的控制方法，该方法采用直接电流控制STATCOM，并且STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考值保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。籍此本发明可以通过改变直流电压的大小降低功率器件的开关损耗，降低输出电流的谐波分量，使装置有响应速度快、效率高、注入电网谐波电流小的特点，这些优点已通过仿真和实验证明，可用于中小容量STATCOM的控制。

Description

STATCOM的控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子装置的控制方法，特别是涉及一种STATCOM的控制方法。
背景技术
STATACOM(Static Synchronous Compensator)称为静态同步无功补偿器，又称有源无功补偿器或先进无功发生器，是采用电力电子装置向电网注入连续可调的超前或滞后的无功功率，用以提高电网功率因数、稳定电网电压、减小电网损耗。
STATCOM的主电路原理示意图如图1所示，其核心是一个逆变器，V1、V2、V3、V4、V5和V6是逆变器的功率开关器件，逆变器的直流侧有电容Cd，交流侧通过连接电抗La、Lb和Lc与电网相连。
目前STATACOM的控制方法有两种：间接电流控制和直接电流控制。
间接电流控制STATCOM是通过控制逆变器的电压相位，从而控制输出的无功电流。间接电流控制对直流侧电压不加控制，直流侧电压会根据无功功率的需求自动调节。间接电流控制的特点是开关器的开关频率低，系统响应速度较慢，可以通过多重化技术提高逆变器输出电压波形的质量，从而减少输出电流的谐波大小，适合应用于大功率的STATCOM的控制。
直接电流控制STATCOM是通过电流闭环使STATCOM输出的无功电流跟踪指令电流的变化，同时通过控制STATCOM输出的有功电流保持直流电压的稳定。直接电流控制的响应速度快，但开关器的开关频率较高，适合应用于中小功率的STATCOM的控制。
发明内容
本发明提出一种可变直流电压的直接电流控制STATCOM的方法。该方法根据无功补偿电流的方向和大小改变直流电压参考值，同时通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)技术进一步提高直流电压的利用率。
本发明一种STATCOM的控制方法，所述STATACOM与电网相并联，采用直接电流控制STATCOM，其中STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考值的变化保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。
所述的STATCOM的控制方法，STATCOM的控制是基于电压空间矢量，在控制环路引入STATCOM补偿电流反馈，利用锁相环技术将指令电流变换到电压平面，同时采用SVPWM技术输出脉宽调制信号。
图2是本发明可变直流电压的直接电流控制STATCOM的示意图。通常STATCOM连接电感器的电阻远小于电抗，因此以下分析将忽略电感器的电阻，将电感器的电抗用XL等效。
本发明可变直流电压的直接电流控制STATCOM的主要思想请参阅图2，STATCOM通过电流传感器检测三相负载电流iLabc和STATCOM输出的补偿电流iabc，通过电压传感器和互感器检测三相电源电压Vabc。上述输入的信号经过STATCOM控制器计算后，输出驱动电压源逆变器VSI的脉宽调制信号PWM，使得STATCOM实时补偿负载的无功电流iLq。
其中STATCOM控制器的工作原理分析如下：
通过锁相环PLL，控制器实时检测三相电源电压Vabc的相位信息。通过同步旋转坐标变换(abc/dq变换)，控制器将三相负载电流iLabc转换到dq坐标系下，得到的dq坐标系下的无功分量iLq，iLq即为负载无功电流。iLq通过低通滤波器LPF后滤除谐波等交流分量，得到无功负载电流的直流分量iqref，iqref即为无功补偿电流参考值。将iqref经过“可变直流电压给定”模块即得到直流电压参考值Vref。Vref与直流电压Vdc叠加后经过PI控制器得到有功电流参考值idef，idef与补偿电流iabc变换后的有功分量id叠加后，再经过PI控制器实现电流空间矢量(id，iq)到电压空间矢量(Vd，Vq)的转换，电压空间矢量通过同步旋转坐标逆变换(dq/abc变换)得到三相参考电压VRabc。最后，VRabc通过SVPWM技术输出脉宽调制信号PWM。PWM信号控制电压源逆变器VSI三组桥臂开关管的导通、关断状态的作用时间，从而输出电压脉冲，构成大小和方向不同的电压矢量VCabc。由于连接电抗XL上的电压矢量VXabc＝VSabc-VCabc，而电源电压VSabc是恒定的，因此改变VCabc的大小和方向，就可以改变VXabc。而iabc＝VXabc/XL，因此改变VCabc的大小和方向，就可以改变STATCOM输出的补偿电流iabc的方向和大小。当iq等于iqref时，STATCOM输出的补偿电流iabc也就实时补偿了无功负载电流iLq的变化。
另一方面，电压控制环路通过PI控制器调节STATCOM输出的有功补偿电流id的大小，实现了STATCOM与系统的有功交换，达到控制STATCOM直流电压的目的。因此，STATCOM直流电压Vdc可以跟随直流电压参考值Vref的变化。通过上述的分析，STATCOM控制器实现了具有可变直流电压特性的直接电流控制STATCOM的方法。
本发明可以使STATCOM的调制深度保持在0.9以上，并且调制深度与补偿电流的无功分量的方向和大小无关。由于在补偿电流超前和滞后两种情况采用不同的直流电压参考值Vref，因此，两种情况下STATCOM都能够工作在较高调制深度下。另一方面，由于控制环路引入STATCOM补偿电流反馈，并利用锁相环技术将指令电流变换到电压平面，采用SVPWM技术后可以进一步提高直流电压的利用率。
与现有的STATCOM方法相比，由于采用了直接电流控制方法，逆变器输出电流的动态响应速度快；无功有功电流解耦控制，直流电压可通过控制STATCOM的有功电流独立调节；由于STATCOM的直流电压较低、调整深度高，因此其输出电流的谐波小，功率器件的开关损耗低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：
图1是STATCOM的主电路原理示意图；
图2是本发明可变直流电压的直接电流控制STATCOM的方法示意图；
图3是补偿电流超前时系统的相量图；
图4是补偿电流滞后时系统的相量图；
图5是“可变直流电压给定”模块实现方式一的示意图；
图6是“可变直流电压给定”模块实现方式二的示意图。
图中的附图标记为：Cd-电容；V1、V2、V3、V4、V5、V6-功率开关器件；La、Lb、Lc-连接电抗；VSI-电压源逆变器；PLL-锁相环；LPF-低通滤波器；PI-PI控制器；SVPWM-空间矢量脉宽调制；PWM-脉宽调制驱动信号；Vabc-电源电压；VSabc-电源电压；VCabc-输出电压；VXabc-电抗电压；VRabc-参考电压；Vdc-直流电压；Vref-直流电压参考值；iLabc-负载电流；iLq-无功负载电流；iqref-无功补偿电流参考值；iabc-补偿电流；iq-无功补偿电流；id-有功补偿电流；idref-有功电流参考值；IC-补偿电流；US-电源电压；UC-输出电压；UX-电感器电压。
具体实施方式
图3和图4分别是补偿电流超前和补偿电流滞后时系统的相量图。为了说明的简化，不考虑STATCOM与系统的有功电流交换。其中IC、US、UC、UX分别是iabc、VSabc、VCabc、VXabc在dq坐标下的相量表示。
图3是补偿电流超前时系统的相量图，此时STATCOM输出的补偿电流IC超前电源电压US，电感器电压UX与电源电压US方向相反。STATCOM的输出电压UC的大小|UC|＝|US|+|UX|，那么|UC|＞|US|，即输出电压UC要比电源电压US大。而输出电压UC是由STATCOM中的直流电压决定的，因此STATCOM必须采用较高的直流电压。
图4是补偿电流滞后时系统的相量图，此时STATCOM输出的补偿电流IC滞后电源电压US，电感器电压UX与电源电压US方向相同。STATCOM的输出电压UC的大小|UC|＝|US|-|UX|，那么|UC|＜|US|，即输出电压UC要比电源电压US小。而输出电压UC是由STATCOM中的直流电压决定的，因此STATCOM必须采用较低的直流电压。此时，受益于较低的直流电压，STATCOM中逆变器的开关应力降低，开关损耗减小，补偿电流IC的谐波减小，STATCOM的效率、可靠性和稳定性提高。
STATCOM的补偿容量通常由电感器电压UX体现。在补偿电流超前时，电感器电压UX的大小|UX|＝|UC|-|US|；在补偿电流滞后时，电感器电压UX的大小|UX|＝|US|-|UC|。通常电源电压US是恒定的，那么通过控制输出电压UC的大小就可以使STATCOM总能达到额定的补偿容量。
图2中“可变直流电压给定”模块可由以下两种方式实现：
一是最大最小值方式，请参阅图5。这种方式的特点是：在补偿电流超前即iqref＞0时，直流电压参考值Vref选择最大额定值Vmax；在补偿电流滞后即iqref＜0时，直流电压参考值Vref选择最小额定值Vmin。通常最大额定值Vmax和最小额定值Vmin是固定的，这样当补偿电流超前或滞后变化时，直流电压参考值Vref就在两个固定值Vmax和Vmin之间变动。这种方式适合应用于补偿电流的方向改变较少的情况。
二是线性方式，请参阅图6。这种方式的特点是：直流电压参考值Vref根据补偿电流的大小和方向作线性地改变，即Vref＝k×iqref+(Vmax+Vmin)/2，其中参数k为直流电压参考值Vref的变化率，由连接电抗的大小决定。这种方式适合应用于补偿电流的大小改变缓慢的情况。

Claims (4)

1.一种STATCOM的控制方法，所述STATACOM与电网相并联，该方法采用直接电流控制STATCOM，其特征是：STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考值的变化保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。
2.根据权利要求1所述的STATCOM的控制方法，其特征是：STATCOM的控制是基于电压空间矢量，在控制环路引入STATCOM补偿电流反馈，利用锁相环技术将指令电流变换到电压平面，同时采用SVPWM技术输出脉宽调制信号。
3.根据权利要求1所述的STATCOM的控制方法，其特征是：补偿电流超前时直流电压参考值采用最大额定值，补偿电流滞后时直流电压参考值采用最小额定值。
4.根据权利要求1所述的STATCOM的控制方法，其特征是：直流电压参考值根据补偿电流的大小和方向线性变化。
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