CN102222922B - 采用下垂控制策略的statcom控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用下垂控制策略的STATCOM控制系统及其控制方法，采用下垂控制策略的STATCOM控制系统包括直流侧电容、三相逆变桥和电感一电容滤波器，直流侧电容与三相逆变桥并联后与电感一电容滤波器连接，电感一电容滤波器通过三相开关K经耦合变压器T并入电网公共连接点PCC，本发明的控制方法包括实时信号采集、有功功率参考值P^*计算、无功功率参考值Q^*计算、频率参考值ω^*、电压调制幅值参考值E^*计算、相位参考值δ^*计算、电压调制信号

计算，由于只有一个PI调节器，两个下垂调节系数需要调节，使得整个控制方法简单易于实现，有利于电力系统安全、优质、经济地向用户供电。

Description

采用下垂控制策略的STATCOM控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量领域，特别涉及一种电力系统同步补偿器控制系统。

背景技术

2003年8月14日北美大停电事故之后，电力系统安全稳定问题凸显，智能电网的概念相继提出，电力电子技术在电力系统中的应用越来越引起人们的关注，而柔性交流输电系统(Flexible AC TransmissionSystem——FACTS)技术为大区域互联系统提高输送容量、调节潮流分布、增强系统阻尼、改进电能质量等提供了有力手段。静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator：STATCOM)作为“柔性交流输电系统”和“定制电力”(Custom Power)系统中的新型重要元件，能增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电或配电性能。

自日本三菱公司1980年成功研制20Mvar静止同步补偿器起，STATCOM作为FACTS家族的重要成员已引起各国电力工业界的重视。日本三菱、美国西屋电气、日本东芝、德国西门子、瑞士ABB、美国阿尔斯通等在国际大型研制单位均已投入运行。我国首台±20Mvar STATCOM也于1999年由河南省电力局和清华大学共同研制成功。STATCOM在运行范围、可控性和响应速度等方面较传统的无功补偿系统(如SVC、调相机)具有明显的优势，从而能有效地提高电力系统的传输容量并增强其静、暂态稳定性，对STATCOM控制策略的研究自然成为热门课题。

传统的STATCOM控制以补偿电网无功电流为主要思路，通过PI调节得到逆变器参考电压值，达到稳定直流侧电容电压和发出与电网无功电流大小相等、相位相同的无功电流目的。这种控制方案虽然思路简单清晰，但是PI调节过多，系统调试过于复杂，往往需耗费调试人员大量时间，工程实现难度大。

发明内容

本发明的目的是克服现有STATCOM控制技术的不足和针对电力系统中无功存在问题，提出一种采用下垂控制策略的STATCOM控制系统及控制方法，保证STATCOM输出负载所需无功并稳定直流侧电容电压。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种采用下垂控制策略的STATCOM控制系统及其控制方法，采用下垂控制策略的STATCOM控制系统包括直流侧电容、三相逆变桥和电感-电容滤波器，直流侧电容与三相逆变桥并联后与电感-电容滤波器连接，电感-电容滤波器通过三相开关K经耦合变压器T并入电网公共连接点PCC。

采用下垂控制策略的STATCOM控制方法为：

(1)实时信号采集。检测三相电压型逆变器的直流侧电容电压U_dc，电网公共连接点PCC负载侧三相电压Vabc、三相电流Iabc，电网电压实时频率ω将其送人DSP进行实时信号采集。

(2)有功功率参考值P^*计算。当STATCOM投入电网时，采集得到的实时直流侧电容电压I_dc与

进行比较，其差值U_{dc_err}经PI控制器(其比例、积分系数分别为k_p0、k_i0)得出有功功率参考指令值P^*。因此有功功率参考指令值P^*的离散控制率为：

P^*(k)＝P^*(k)+k_p0[U_{dc_err}(k)-U_{dc_err}(k)]+k_i0U_{dc_err}(k)

式中k表示第k个时刻。

(3)无功功率参考值Q^*计算。采集得到的三相电压V_abc和三相电流I_abc经过从abc坐标到dq0坐标变换得出dq0坐标下的电压值V_d、V_q及电流值I_d、I_q，再经计算得含谐波分量的无功功率参考值。含谐波分量的无功功率参考指令值

离散计算式为

式中k表示第k个时刻。

所得到的含谐波分量的无功功率参考值

经过截止频率为5Hz的IIR二阶Butterworth直接II型滤波器得到无功功率参考值Q^*，其传递函数为

$\frac{Y_{\left(Z\right)}}{X_{\left(Z\right)}}=K\frac{z^2+2z+1}{z^2-1.99557z+0.99556}$

对应的离散控制系统的差分方程为

$\left\{\begin{array}{c}u\left(n\right)=x\left(n\right)+1.99557x(n-1)-0.99556x(n-2)\\ y\left(n\right)=\mathrm{Ku}\left(n\right)+2\mathrm{Ku}(n-1)+\mathrm{Ku}(n-2)\end{array}\right.$

(其中K＝0.00000246193)

无功功率参考指令值Q^*的离散计算式为

其中K＝0.00000246193，k表示第k个时刻。

(4)频率参考值ω^*、电压调制幅值参考值E^*计算。计算得到的有功功率参考值P^*、无功功率参考值Q^*经过下垂控制器计算得到频率参考指令值ω^*、电压调制幅值参考指令值E^*。频率参考指令值ω^*、电压调制幅值参考指令值E^*的离散计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{*}\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_0+k_p{P}^{*}\left(k\right)\\ E^{*}\left(k\right)=E_0+k_q{Q}^{*}\left(k\right)\end{array}\right.$

k表示第k个时刻。

式中，ω₀为STATCOM有功功率输出为0时系统的频率；E₀为STATCOM无功功率输出为0时STATCOM的逆变器输出基波电压幅值；参数k_p，k_q分别为有功功率和无功功率的下垂斜率；其计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\min }-{\mathrm{\ω}}_0}{P_{\max }}\\ k_q=\frac{E_n-E_{\min }}{Q_n-Q_{\max }}\end{array}\right.$

ω_min为STATCOM输出最大有功功率时允许的最小频率；P_max为STATCOM在频率下降时允许输出的最大有功功率；E_min为允许的最小电压幅值；Q_max为STATCOM在电压下降时允许输出的最大无功功率；E_n为STATCOM行时的额定电压；Q_n为STATCOM在额定输出电压下的额定输出无功功率。

(5)相位参考值δ^*计算。计算得到的频率参考值ω^*经积分器可得相位参考指令值δ^*。相位参考指令值δ^*的离散计算式为

δ^*(k)＝δ^*(k-1)+ω^*(k)-ω^*(k-1)

k表示第k个时刻。

(6)电压调制信号

计算。将电压调制幅值参考值E^*，电网电压实时频率ω，相位参考值δ^*计算得到电压调制信号

电压调制信号的离散计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)]\\ E_b^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)-2\mathrm{\π}/3]\\ E_c^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)+2\mathrm{\π}/3]\end{array}\right.$

k表示第k个时刻。

所得到的电压调制信号

与三角载波经PWM发生器发出调制信号，通过驱动电路控制IGBT通断来控制STATCOM，实现控制目的。

(7)重复以上步骤，直到完全达到发出负载所需无功并稳定直流侧电容电压目标。

本发明的有益效果是：本发明提出的采用下垂控制策略的STATCOM控制新方法只有一个PI调节器，两个下垂调节系数需要调节，使得整个控制方法简单易于工程实现，动态响应好，能实时补偿系统所需无功，防止电网电压大幅跌落或者抬升，且具有较强鲁棒性。当STATCOM并入电力系统后，能够根据负载无功需求吸收或者发出相应无功，提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，还能够有效维持受电端和电网公共接入点PCC的电压的稳定，提高供电质量，有效避免了电网因长距离输送大量无功而引起的损耗。有利于电力系统安全、优质、经济地向用户供电。

附图说明

图1是本发明所述采用下垂控制策略的STATCOM控制系统的结构示意图；

图2是本发明所述采用下垂控制策略的STATCOM控制系统具体控制示意图；

图3是本发明中功率控制器中有功功率-频率调节特性和无功功率-电压调节特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，由直流侧电容、三相逆变桥和电感-电容(LC)滤波器组成的STATCOM无功补偿系统通过三相开关K经耦合变压器T并入电网公共连接点PCC。当三相开关K闭合STATCOM通过耦合变压器T并入电网，控制器采集三相电压Vabc、三相电流Iabc，电网电压实时频率ω和直流侧电容电压U_dc信号，通过有功无功计算得到有功功率和无功功率参考值，然后再经下垂控制器得到电压调制信号，经过PWM发生器产生PWM波控制STATCOM，从而达到输出负载所需无功并稳定直流侧电容电压的目的。

如图2所示，通过电压、电流互感器检测三相电压型逆变器的直流侧电容电压U_dc，电网公共连接点PCC负载侧三相电压Vabc、三相电流Iabc，电网电压实时频率ω，并将其送人DSP进行实时信号采集。

当STATCOM投入电网时，采集得到的实时直流侧电容电压U_dc与

进行比较，其差值U_{dc_err}经PI控制器(其比例、积分系数分别为k_p0、k_i0)得出有功功率参考指令值P^*。因此有功功率参考指令值P^*的离散控制率为：

P^*(k)＝P^*(k)+k_p0[U_{de_err}(k)-U_{dc_err}(k)]+k_i0U_dc-err(k)

式中k表示第k个时刻。

采集得到的三相电压V_abc和三相电流I_abc经过从abc坐标到dq0坐标变换得出dq0坐标下的电压值V_d、V_q及电流值I_d、I_q，再经计算得含谐波分量的无功功率参考值。含谐波分量的无功功率参考指令值

离散计算式为

式中k表示第k个时刻。

所得到的含谐波分量的无功功率参考值

经过截止频率为5Hz的IIR二阶Butterworth直接II型滤波器得到无功功率参考值Q^*，其传递函数为

$\frac{Y_{\left(Z\right)}}{X_{\left(Z\right)}}=K\frac{z^2+2z+1}{z^2-1.99557z+0.99556}$

对应的离散控制系统的差分方程为

$\left\{\begin{array}{c}u\left(n\right)=x\left(n\right)+1.99557x(n-1)-0.99556x(n-2)\\ y\left(n\right)=\mathrm{Ku}\left(n\right)+2\mathrm{Ku}(n-1)+\mathrm{Ku}(n-2)\end{array}\right.$

(其中K＝0.00000246193)

无功功率参考指令值Q^*的离散计算式为

其中K＝0.00000246193，k表示第k个时刻。

计算得到的有功功率参考值P^*、无功功率参考值Q^*经过下垂控制器计算得到频率参考指令值ω^*、电压调制幅值参考指令值E^*。功率控制器中有功功率-频率调节特性和无功功率-电压调节特性图如附图3所示。

频率参考指令值ω^*、电压调制幅值参考指令值E^*的离散计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{*}\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_0\left(k\right)+k_p{P}^{*}\left(k\right)\\ E^{*}\left(k\right)=E_0\left(k\right)+k_q{Q}^{*}\left(k\right)\end{array}\right.$

k表示第k个时刻。

式中，ω₀为STATCOM有功功率输出为0时系统的频率；E₀为STATCOM无功功率输出为0时STATCOM的逆变器输出基波电压幅值；参数k_p，k_q分别为有功功率和无功功率的下垂斜率；其计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\min }-{\mathrm{\ω}}_0}{P_{\max }}\\ k_q=\frac{E_n-E_{\min }}{Q_n-Q_{\max }}\end{array}\right.$

ω_min为STATCOM输出最大有功功率时允许的最小频率；P_max为STATCOM在频率下降时允许输出的最大有功功率；E_min为允许的最小电压幅值；Q_max为STATCOM在电压下降时允许输出的最大无功功率；E_n为STATCOM行时的额定电压；Q_n为STATCOM在额定输出电压下的额定输出无功功率。

计算得到的频率参考值ω^*经积分器可得相位参考指令值δ^*。相位参考指令值δ^*的离散计算式为

δ^*(k)＝δ^*(k-1)+ω^*(k)-ω^*(k-1)

k表示第k个时刻。

将电压调制幅值参考值E^*，电网电压实时频率ω，相位参考值δ^*计算得到电压调制信号

电压调制信号

的离散计算式为

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)]\\ E_b^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)-2\mathrm{\π}/3]\\ E_c^{*}\left(k\right)=E^{*}\left(k\right)\sin [\mathrm{k\ω}\left(k\right)+{\mathrm{\δ}}^{*}\left(k\right)+2\mathrm{\π}/3]\end{array}\right.$

k表示第k个时刻。

所得到的电压调制信号

与三角载波经PWM发生器发出调制信号，通过驱动电路控制IGBT通断来控制STATCOM，实现控制目的。

重复以上步骤，直到完全达到发出负载所需无功并稳定直流侧电容电压的目标。

Claims (4)

1.一种采用下垂控制策略的STATCOM控制系统的控制方法，所述下垂控制策略的STATCOM控制系统包括直流侧电容、三相逆变桥和电感—电容滤波器，直流侧电容与三相逆变桥并联后与电感—电容滤波器连接，电感—电容滤波器通过三相开关K经耦合变压器T并入电网公共连接点PCC；该方法为：

（1）采集实时信号直流侧电容电压U_dc、电网公共连接点PCC负载侧三相电压Vabc、三相电流Iabc，电网电压实时频率ω，并将其送入DSP处理；

（2）计算有功功率参考值P^*；

（3）计算无功功率参考值Q^*；

（4）计算频率参考值ω^*、电压调制幅值参考值E^*；

（5）计算相位参考值δ^*；

（6）计算电压调制信号

（7）重复步骤（1）至（6），直到完全达到发出负载所需无功并稳定直流侧电容电压目标；

其特征在于，无功功率参考值Q^*计算的方法为：

（1）将采集得到的三相电压V_abc和三相电流I_abc经过从abc坐标到dq0坐标变换得出dq0坐标下的电压值V_d、V_q及电流值I_d、I_q；

（2）含谐波分量的无功功率参考指令值

离散计算式为 $\tilde{Q}\left(k\right)=V_d\left(k\right)I_d\left(k\right)-V_q\left(k\right)I_d\left(k\right),$ 其中k表示第k个时刻；

（3）所得到的含谐波分量的无功功率参考值

经过截止频率为5Hz的IIR二阶Butterworth直接II型滤波器，得到无功功率参考值Q^*。

2.根据权利要求1所述的采用下垂控制策略的STATCOM控制系统的控制方法，其特征在于，有功功率参考值P^*计算方法为：当STATCOM投入电网时，将采集得到的实时直流侧电容电压U_dc与直流侧电容电压参考值

进行比较，其差值U_{dc_err}经PI控制器得出有功功率参考指令值P^*。

3.根据权利要求1所述的采用下垂控制策略的STATCOM控制系统的控制方法，其特征在于，频率参考值ω^*、电压调制幅值参考值E^*计算过程为：将有功功率参考值P^*、无功功率参考值Q^*经过下垂控制器计算得到频率参考指令值ω^*、电压调制幅值参考指令值E^*。

4.根据权利要求1所述的采用下垂控制策略的STATCOM控制系统的控制方法，其特征在于，频率参考值ω^*经积分器计算得到相位参考值δ^*。

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