CN102157948A - 一种基于瞬时功率平衡的静止无功补偿装置电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于瞬时功率平衡的静止无功补偿器电流检测方法，具体为：对变压器低压侧A相相电压及STATCOM补偿点A相相电压进行锁相；将变压器低压侧三相电流根据变压器低压侧相电压旋转矢量的方向进行abc/pq变换，得到负载电流的无功直流分量；根据瞬时功率平衡原理，将负载电流无功直流分量转换为STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量，以此作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i _qref；再将i _qref根据STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向进行abc/pq反变换，即可得到STATCOM的三相输出无功电流指令值，以此控制STATCOM的实际输出电流。本发明解决STATCOM补偿点与负载电流检测点跨越变压器所带来的电流检测问题，STATCOM的安装位置十分灵活，同时无功电流检测算法具有很好的响应速度。

Description

一种基于瞬时功率平衡的静止无功补偿装置电流检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统无功补偿技术，具体涉及一种静止无功补偿装置电流检测方法。

背景技术

在电力系统中，为改善电网的电能质量，提高电网电源侧的功率因数，通常在变压器的低压侧设置无功补偿装置。静止无功补偿器(Static var compensator，以下简称STATCOM)是一种广泛应用的动态无功补偿装置。在STATCOM运行中，当负载所需的无功功率发生变化时，要求STATCOM能够快速地进行动态跟踪补偿，这首先依赖于STATCOM指令电流的实时检测计算方法。

目前，STATCOM指令电流检测计算方法广泛采用基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q运算方式。i_p-i_q运算方式具有实时性好、检测结果不受电压波形畸变的影响等优点，图1所示为传统检测无功电流的i_p-i_q运算方式原理图，其工作原理为：首先将负载三相电流i_a、i_b、i_c按照式(1)进行变换，得到pq旋转坐标系下负载电流的有功直流分量i_p与无功直流分量i_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C\·C_{32}\·\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，

pq旋转坐标系的p轴方向与负载处相电压旋转矢量

的方向一致，如附图2所示。矩阵C中ωt表示与负载处A相电压同相位的相角信号。然后将无功直流分量i_q按照

式(2)进行变换，即可得到负载电流的无功分量i_aq、i_bq、i_cq：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{aq}}\\ i_{\mathrm{bq}}\\ i_{\mathrm{cq}}\end{array}\right]=C_{23}\·C\·\left[\begin{array}{c}0\\ i_q\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中， $C_{23}=\sqrt{\frac{2}{3}}\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right].$

将检测得到的无功电流分量i_aq、i_bq、i_cq作为STATCOM输出无功电流的指令值，即可控制STATCOM输出的无功电流跟踪负载无功电流的变化，达到STATCOM动态补偿负载无功功率的目的。

传统的i_p-i_q无功电流检测方法由于直接把负载电流的无功分量作为STATCOM输出无功电流的指令值，因此其仅适合于STATCOM补偿点与负载电流检测点位于同一位置的情况，STATCOM补偿点被限制在负载电流检测点。如果补偿点与负载电流检测点位于不同位置，如跨越变压器两侧，由于STATCOM补偿点与负载电流检测点的电压幅值及相位存在偏差，致使传统的i_p-i_q无功电流检测法不再适用。因此，传统的i_p-i_q无功电流检测方法限制了STATCOM补偿点的位置，不利于补偿方式的灵活选取。

发明内容

本发明方法的目的在于解决STATCOM补偿点与负载电流检测点跨越变压器所带来的补偿装置电流检测问题，提供了一种基于瞬时功率平衡原理的改进的i_p-i_q无功电流检测方法，实现补偿装置补偿点的灵活设置。

一种基于瞬时功率平衡的静止无功补偿装置电流检测方法，具体为：

(1)采样当前时刻变压器低压侧的三相相电压和三相电流，及静止无功补偿器STATCOM补偿点的三相相电压；

(2)依据变压器低压侧三相相电压的采样值计算变压器低压侧A相相电压的相位

得到变压器低压侧相电压旋转矢量的方向；依据STATCOM补偿点三相相电压的采样值计算STATCOM补偿点A相相电压的相位

得到STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向；

(3)将变压器低压侧相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，对变压器低压侧三相电流进行abc三相坐标系到pq旋转坐标系的坐标变换，简称abc/pq坐标变换，得到负载电流的无功直流分量i_qL；

(4)计算STATCOM补偿点所需注入无功电流的直流分量i_qT＝i_qL/K，K为STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值，以i_qT作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref；

(5)将STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，对STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref进行pq旋转坐标系到abc三相坐标系的坐标变换，简称abc/pq坐标反变换，得到STATCOM的三相输出无功电流指令值。

进一步地，为了控制STATCOM直流侧电容电压稳定，所述步骤(5)还将控制STATCOM直流电容电压的比例积分环节的输出作为STATCOM输出参考电流的p轴直流分量i_pref，对i_pref和i_qref一起进行abc/pq坐标反变换得到STATCOM总的三相输出电流指令值。

本发明方法首先对变压器低压侧A相相电压及STATCOM补偿点A相相电压进行锁相；将变压器低压侧三相电流根据变压器低压侧相电压旋转矢量的方向进行abc/pq坐标变换，得到负载电流的无功直流分量；根据瞬时功率平衡原理，将负载电流无功直流分量转换为STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量，以此作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref；并将控制STATCOM直流电容电压的比例积分环节的输出作为STATCOM输出参考电流的p轴直流分量i_pref；再将i_pref和i_qref根据STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向进行abc/pq坐标反变换，即可得到STATCOM的三相输出电流指令值i_aref、i_bref、i_cref，以此来调节控制STATCOM的实际输出电流。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明方法进一步拓展了传统的i_p-i_q无功电流检测方法，突破了传统i_p-i_q算法中STATCOM补偿点与负载电流检测点位于同一位置的局限性，从而使STATCOM的安装位置不受限制，可以灵活选择补偿点的位置。

(2)灵活选择补偿点的位置可以合理选定STATCOM的输出电压大小，从而可以降低电力电子器件的耐压要求，简化STATCOM主电路拓扑结构，降低成本，同时还可以提高电力电子器件的开关频率，改善电流波形。

(3)本发明方法基于瞬时功率平衡原理，确保STATCOM完全补偿负载所需的无功功率，实时性好，动态响应快；同时，本发明方法不受系统电压畸变的影响，当系统电压发生畸变时，仍然具有准确的检测结果。

附图说明

图1为传统检测无功电流的i_p-i_q运算方式原理图。

图2为电压电流旋转矢量、abc三相坐标系、pq旋转坐标系的关系示意图。

图3为基于瞬时功率平衡原理的STATCOM改进的i_p-i_q无功电流检测方法原理图。

图4为包括直流电压控制的STATCOM指令电流计算方法原理图。

图5为STATCOM仿真模型及控制算法示意图。

图6为仿真模型变压器高压侧A相电压、电流波形图。

图7为仿真模型STATCOM补偿点A相电压及补偿电流波形图。

具体实施方式

本发明首先将变压器低压侧三相电流根据变压器低压侧相电压旋转矢量的方向进行abc三相坐标系到pq旋转坐标系的变换，简称abc/pq坐标变换，得到负载电流的无功直流分量i_qL；然后根据功率平衡原理，将i_qL转换为STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量i_qT，以此作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref；再将i_qref根据STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向进行abc/pq坐标反变换，即可得到STATCOM的三相输出无功电流指令值。以此来控制STATCOM的输出电流，可以确保STATCOM输出的无功功率和负载所需的无功功率相等，从而达到补偿负载无功、提高电网功率因数的目的。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

附图3所示为本发明所提的基于瞬时功率平衡原理的STATCOM改进的i_p-i_q无功电流检测方法原理图，附图4所示为包括直流电容电压控制的STATCOM指令电流计算方法原理图，附图5所示为STATCOM仿真模型及控制算法示意图。

在本发明所提的基于瞬时功率平衡的STATCOM改进的i_p-i_q无功电流检测方法中，STATCOM的补偿点位置不受负载电流检测点的限制，可以灵活设置。附图5所示为负载电压和电流检测点设在变压器低压侧L处，STATCOM补偿点设在变压器高压绕组中间抽头T处的情况，下面以附图5所示情况进行说明，当补偿点设置在其他位置时，计算步骤和下述步骤相同。

在整个过程中，需要对变压器低压侧L处的三相相电压和三相电流、STATCOM补偿点T处的三相相电压及STATCOM输出三相电流进行采样，得到当前时刻上述电压、电流的瞬时值。

1、对变压器低压侧A相相电压进行锁相(PLL)：设当前采样时刻为t₀，根据瞬时功率理论，利用t₀时刻变压器低压侧L处的三相相电压的采样值数据u_aL、u_bL、u_cL计算出t₀时刻变压器低压侧L处A相相电压的相位

计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αL}}\\ u_{\mathrm{\βL}}\end{array}\right]=C_{32}\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{aL}}\\ u_{\mathrm{bL}}\\ u_{\mathrm{cL}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中， $C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\·\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right].$

2、对STATCOM补偿点A相相电压进行锁相：根据瞬时功率理论，利用t₀时刻STATCOM补偿点T处的三相相电压的采样值数据u_aT、u_bT、u_cT计算出t₀时刻STATCOM补偿点T处A相相电压的相位

计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αT}}\\ u_{\mathrm{\βT}}\end{array}\right]=C_{32}\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{aT}}\\ u_{\mathrm{bT}}\\ u_{\mathrm{cT}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

3、将变压器低压侧L处相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，据此对L处t₀时刻的三相相电流采样值i_aL、i_bL、i_cL进行abc/pq坐标变换(如附图3、4所示)，得到负载电流t₀时刻的有功直流分量i_pL和无功直流分量i_qL，其变换矩阵C_pq及变换方程分别如式(5)、(6)所示；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pL}}\\ i_{\mathrm{qL}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{aL}}\\ i_{\mathrm{bL}}\\ i_{\mathrm{cL}}\end{array}\right]---\left(6\right)$

4、根据瞬时功率平衡原理，可以推出任一时刻负载电流的无功直流分量i_qL与STATCOM补偿点T处所需注入的无功电流直流分量i_qT之间存在以下关系：

$i_{\mathrm{qT}}=\frac{i_{\mathrm{qL}}}{K}---\left(7\right)$

其中，K为STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值。按照公式(7)即可将负载电流t₀时刻的无功直流分量i_qL转换为STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量i_qT，将i_qT作为STATCOMt₀时刻输出参考电流的q轴直流分量i_qref；

i_qref＝i_qT            (8)

5、将STATCOM补偿点T处相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，据此对STATCOMt₀时刻输出参考电流的q轴直流分量i_qref进行abc/pq坐标反变换，得到STATCOMt₀时刻的三相输出无功电流指令值i_aqref、i_bqref、i_cqref，反变换矩阵

及变换方程分别如式(9)、(10)所示；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{aqref}}\\ i_{\mathrm{bqref}}\\ i_{\mathrm{cqref}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}0\\ i_{\mathrm{qref}}\end{array}\right]---\left(10\right)$

为了控制STACOM直流电容电压稳定，实施例还加入了直流电容电压控制环节(如附图5中所示)：将t₀时刻电容电压反馈值u_dc与其指令值u_dcref进行比较，误差经比例积分环节调节后的输出作为STATCOMt₀时刻输出参考电流的p轴直流分量i_pref；结合i_pref和i_qref得到STATCOMt₀时刻的三相输出电流指令值i_aref、i_bref、i_cref，如式(11)所示，

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{aref}}\\ i_{\mathrm{bref}}\\ i_{\mathrm{cref}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pref}}\\ i_{\mathrm{qref}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

以i_aref、i_bref、i_cref控制STATCOMt₀时刻的三相输出电流，即可使STATCOM输出的无功功率与负载所需无功功率保持平衡，实现对负载无功功率的实时补偿。

下面为说明基于瞬时功率平衡的STATCOM改进的i_p-i_q无功电流检测方法的正确性及其控制效果，建立仿真模型，模型示意图如附图5所示，模型基本参数说明如下：

系统电源额定电压线电压有效值：V_sl＝800V

电源及输电线路电抗：电阻R_s＝0.14Ω，电感L_s＝3.2mH

三相配电变压器参数：容量S_N＝50kVA，DY11接法，变比K＝800V/380V，短路阻抗X_k％＝4.9％

负载参数：额定线电压380V，有功功率P_L＝30kW，感性无功功率Q_L＝30kVar

STATCOM直流侧电容值：C_dc＝5000μF，电压指令值700V

STATCOM输出LC滤波器参数：L₁＝0.4mH(寄生电阻0.001Ω)，C₁＝20μF(串联电阻3Ω)

STATCOM直流电压闭环PI控制参数：比例常数K_VP＝0.5，积分常数K_VI＝0.25

STATCOM输出电流控制采用滞环比较控制方法，滞环宽度：h＝±1A

STATCOM补偿点设置在变压器高压绕组中间抽头T处(如图5所示)，则补偿点线电压有效值为V_T＝400V，补偿点相电压与负载相电压的比值为K＝400/380。

STATCOM装置稳定运行中，控制系统根据L处负载电流采样值及A相相电压的相位计算得到负载电流无功直流分量i_qL约为61.03A，根据公式i_qT＝i_qL/K计算得到STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量i_qT约为57.98A，将其作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref；STATCOM直流电容电压稳定值为710V，参考值为700V，两者之差通过电压比例积分控制环节形成STATCOM输出参考电流的p轴直流分量i_pref，约为5A；再根据STATCOM补偿点T处A相相电压的相位，对i_pref和i_qref进行abc/pq反变换，计算得到STATCOM三相输出电流指令值i_aref、i_bref、i_cref。

将STATCOM实际输出三相电流作为反馈电流，与其三相输出电流指令值进行比较，误差值送入滞环比较器，通过滞环比较，生成控制STATCOM中电力电子器件开关的脉冲信号，以此来控制STATCOM交流侧电压和电流。

附图6所示为变压器高压侧A相相电压、相电流波形图。可见，在STATCOM装置投入运行之前，负载所需的有功功率和无功功率全部由系统电源经过变压器提供，变压器高压侧功率因数为0.704；STATCOM投入运行后，两者相位基本一致，功率因数提高到0.999。同时，STATCOM投入运行前，测得变压器高压侧线电压有效值为760.0V，负载线电压有效值为344.1V；STATCOM投入运行后，测得变压器高压侧线电压有效值为794.5V，负载线电压有效值为359.7V。可见，STATCOM既实现了无功功率补偿、提高变压器高压侧功率因数的目的，同时也具有明显的电压支撑作用。另外，图6显示，STATCOM具有很快的响应速度。

附图7所示为STATCOM补偿点A相相电压及补偿电流波形图。补偿电流滞后补偿点相电压90.36°，说明STATCOM主要输出无功功率，同时吸收少量有功功率。另外，补偿点电压选得越高，补偿电流就越小。可见，本发明所提的基于瞬时功率平衡原理的STATCOM改进的i_p-i_q无功电流检测方法具有响应速度快、检测精度高等优点；同时使得STATCOM补偿点位置不受负载电流检测点的限制，STATCOM补偿点位置可以跨越变压器，设置在变压器高压侧、高压绕组中间抽头等位置，这样有利于根据电力电子器件的电压等级及通流能力进行选择补偿点的位置。

Claims (2)

1.一种基于瞬时功率平衡的静止无功补偿装置电流检测方法，具体为：

(1)采集当前时刻变压器低压侧的三相相电压和三相电流，及静止无功补偿器STATCOM补偿点的三相相电压；

(2)依据变压器低压侧三相相电压的采样值计算变压器低压侧A相相电压的相位得到变压器低压侧相电压旋转矢量的方向；依据STATCOM补偿点三相相电压的采样值计算STATCOM补偿点A相相电压的相位

得到STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向；

(3)将变压器低压侧相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，对变压器低压侧三相电流进行abc三相坐标系到pq旋转坐标系的坐标变换，得到负载电流的无功直流分量i_qL；

(4)计算STATCOM补偿点所需注入的无功电流直流分量i_qT＝i_qL/K，其中，K为STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值，将i_qT作为STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref；

(5)将STATCOM补偿点相电压旋转矢量的方向作为pq旋转坐标系的p轴方向，对STATCOM输出参考电流的q轴直流分量i_qref进行pq旋转坐标系到abc三相坐标系的坐标变换，得到STATCOM的三相输出无功电流指令值。

2.根据权利要求1所述的静止无功补偿装置电流检测方法，其特征在于，所述步骤(5)还将控制STATCOM直流电容电压的比例积分环节的输出作为STATCOM输出参考电流的p轴直流分量i_pref，对i_pref和i_qref一起进行pq旋转坐标系到abc三相坐标系的坐标变换，得到STATCOM的三相输出电流指令值。

Images