CN102624006A - 一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法，在直流侧总电压外环和电流跟踪内环组成的双闭环瞬时值控制的基础上，引入基于虚拟电阻的直流侧电压平衡控制，在各级联单元输出端构造可控的虚拟电阻；将各级联单元直流侧电压实际值与设定值比较，并根据比较结果调整各虚拟电阻的大小，独立地调节各级联单元从电网获得的输入功率，以满足各级联单元因损耗不同而对输入功率的不同需求，达到直流侧电压平衡控制的目的，本发明在不增加硬件电路的情况下，能够实现补偿器输出电流的跟踪控制和各级联单元直流侧电压的平衡。

Description

一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法

技术领域

本发明涉及单相级联型静止同步补偿器，特别是一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法。

背景技术

受功率器件电压等级和功率等级的限制，目前适用于中高压大功率静止同步补偿器(STATCOM)的主电路结构主要有：基于器件串联的三相桥式结构、钳位式多电平结构和级联结构。

其中，级联型静止同步补偿器主电路结构：以单相全桥逆变电路为级联单元，由多个级联单元在输出端直接串联，再经连接电抗器与电网相接。其工作原理是通过适当地调节各级联单元输出电压的相位和幅值，使补偿器吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。级联型静止同步补偿器广泛采用载波移相脉宽调制，由一组移相的三角载波与调制信号相比较，生成多路PWM波，用于控制级联单元中开关器件的通断。级联型静止同步补偿器目前的研究热点和工程应用的主要趋势，具有以下优点：所需器件数量少，不需要钳位器件；容易实现模块化，易于扩展，适用不同的电压等级；载波移相脉宽调制能够保证各开关器件负荷平衡，在较低的开关频率实现低谐波电压输出。

理论上，静止同步补偿器与电网只进行无功功率的交换，一个电网周期内交换的能量为零。但是由于功率器件并非理想器件，存在开关损耗，静止同步补偿器需从电网获得一定的有功功率维持直流侧电压稳定。级联型静止同步补偿器各个级联单元直流侧电容相互独立，参数的分散性、开关损耗的不同以及脉冲延时的差异会造成直流侧电压不平衡。

直流侧电压不平衡现象，一方面，会增加装置输出电流的谐波含量；另一方面，不平衡现象特别严重时，会造成一些级联单元直流侧电压过高，达到器件的耐压水平，威胁到整个装置的安全运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法，实现补偿器输出电流对指令电流的跟踪控制，保证各级联单元直流侧电压的平衡，抑制不平衡现象。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法，包括单相级联型静止同步补偿器，单相级联型静止同步补偿器包括多个级联单元，每个级联单元包括一个单相全桥逆变电路和一个直流侧电容，电容与单相全桥逆变电路并联，多个级联单元输出端串联后经电抗器接入电网，该方法为：在直流侧总电压外环和电流跟踪内环组成的双闭环瞬时值控制的基础上，引入基于虚拟电阻的直流侧电压平衡控制，在各级联单元输出端构造可控的虚拟电阻；将各级联单元直流侧电压实际值与设定值比较，并根据比较结果调整各虚拟电阻的大小，独立地调节各级联单元从电网获得的输入功率，以满足各级联单元因损耗不同而对输入功率的不同需求，达到直流侧电压平衡控制的目的。

单相级联型静止同步补偿器的控制方法具体包括以下步骤：

1)采用直流侧总电压外环和电流跟踪内环的双闭环瞬时值控制生成电压调制信号u_r；

2)将各级联单元直流侧电压实际值U_dci与设定值U_ref/n比较，得到各级联单元直流侧电压误差，经PI环节生成虚拟电阻R_i′；其中n为级联单元数量；

3)将虚拟电阻R_i′与补偿器输出电流的瞬时值i_inv相乘，生成电压调制信号的修正量Δu_i，即Δu_i＝R_i′×i_inv；

4)将电压调制信号的修正量Δu_i与双闭环控制生成的电压调制信号u_r叠加，生成各级联单元最终的电压调制信号u_i，即u_i＝u_r+Δu_i；

5)对电压调制信号u_i进行载波移相调制，生成多路PWM波。

电压调制信号u_r的表达式为：

$u_r=K_{p\_i}({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})+\frac{K_{p\_i}}{T_{i\_i}}\∫({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})\mathrm{dt},$

其中：K_{p_i}、T_{i_i}分别为电流跟踪控制的PI参数，i_inv和i_inv ^*分别为补偿器输出电流的瞬时值和补偿器指令电流。

虚拟电阻R_i′的计算公式为：

$R_i^{\′}=K_{p\_\mathrm{dcb}}(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})+\frac{K_{p\_\mathrm{dcb}}}{T_{i\_\mathrm{dcb}}}\∫(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})\mathrm{dt},$

其中：K_{p_dcb}、T_{i_dcb}分别为直流侧电压平衡控制的PI参数，U_dci为各级联单元直流侧电压，1≤i≤n。

本发明的有益效果在于：实现了补偿器输出电流对指令电流的跟踪控制；能够保证各级联单元直流侧电压的平衡；在补偿器输出电流动态调节时，对不平衡现象也有一定的抑制作用，各级联单元直流侧电压超调量小。

附图说明

图1为单相级联型静止同步补偿器主电路结构图；

图2为本发明一实施例单相级联型静止同步补偿器双闭环控制框图；

图3为本发明一实施例基于虚拟电阻的直流侧电压平衡控制等效原理图；

图4为本发明一实施例虚拟电阻的实现框图；

a)为虚拟电阻R_i′生成示意图；

b)为电压调制信号修正示意图；

图5为引入虚拟电阻后的单相级联型静止同步补偿器控制框图。

具体实施方式

图1是单相级联型静止同步补偿器主电路结构图，以单相全桥逆变电路为级联单元，由多个级联单元在输出端直接串联，再经连接电抗器L与电网相接。其工作原理是通过适当地调节各级联单元输出电压的相位和幅值，使补偿器吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。u_inv1、u_inv2…u_invn为各级联单元输出端电压，U_dc1、U_dc2…U_dcn为各级联单元直流侧电压，i_inv为补偿器输出电流的瞬时值。

图2是单相级联型静止同步补偿器双闭环控制框图。采用直流侧总电压外环和电流跟踪内环的双闭环瞬时值控制生成电压调制信号u_r，分别与n个移相的三角载波比较，最终，生成n路PWM信号。n个级联单元需要2n路独立的PWM信号，另外n路PWM波由各级联单元的调制信号取反后与三角波比较获得。

其中，无功指令电流i_Q根据不同的控制目标(稳定系统电压、功率因数补偿或者三相不平衡补偿)由采集到的电压、电流信息计算获得；有功指令电流i_P由直流侧总电压

与直流侧总电压设定值U_ref的误差经直流侧总电压控制生成；补偿器器指令电流信号i_inv ^*由无功指令电流i_Q和有功直流电流i_P合成；电压调制信号u_r由补偿器指令电流i_inv ^*与补偿器实际输出电流i_inv的误差经电流跟踪控制生成。直流侧总电压控制和电流跟踪控制采用比例-积分(PI)控制。

有功指令电流i_P、补偿器指令电流信号i_inv ^*和电压调制信号u_r表示如下：

$i_P=K_{p\_\mathrm{dc}}(U_{\mathrm{ref}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{dci}})+\frac{K_{P\_\mathrm{dc}}}{T_{i\_\mathrm{dc}}}\∫(U_{\mathrm{ref}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{dci}})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

i_inv ^*＝i_P+i_Q    (2)

$u_r=K_{P\_i}({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})+\frac{K_{p\_i}}{T_{i\_i}}\∫({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中，K_{p_dc}、T_{i_dc}分别为直流侧总电压控制的PI参数；K_{p_i}、T_{i_i}分别为电流跟踪控制的PI参数。

假设各级联单元直流侧电压初始值相同，都等于U_ref/n。采用相同的调制信号u_r。各级联单元输出电压瞬时值为

u_invi＝K_iur    (4)

各级联单元从电网获得的输入功率相同，为

p_ini＝u_invii_inv＝K_iu_ri_inv    (5)

其中，U_invi为第i个级联单元的输出电压的瞬时值，K_i为级联单元的电压放大倍数，p_ini为第i个级联单元的输入功率的瞬时值，i_inv为补偿器输出电流的瞬时值。

然而，功率损耗与脉冲延时的差异总是客观存在的，级联单元功率损耗各不相同，相同的输入功率将无法保证每个级联单元直流侧都维持在设定值。功率损耗大的级联单元从电网获得的输入功率小于功率损耗，直流侧电压将下降。当直流侧下降到一定电压时，输入功率与功率损耗达到平衡，直流侧最终稳定在较低的电压值。反之，功率损耗小的级联单元直流侧将稳定在较高的电压值。

仅采用双闭环控制，将不可避免的存在直流侧电压不平衡现象。

图3是基于虚拟电阻的直流侧电压平衡控制等效原理图。各级联单元由单相全桥逆变电路组成，输出端R₁、R₂…R_n为本发明所构造的虚拟电阻，虚拟电阻可为正值，也可为负值。直流侧电容起电压支撑作用，由电网提供有功功率维持电压稳定，不需要外加独立电压源，U_dc1、U_dc2…U_dcn为各级联单元直流侧电压。u_inv1、u_inv2…u_invn，u_inv1′、u_inv2′…u_invn′为加入虚拟电阻前后各级联单元输出电压瞬时值。引入虚拟电阻后，增加了各级联单元输出电压

Δu_invi＝u_invi′-u_invi＝i_invi×R_i    (6)

增加了各级联单元的输入功率

Δp_ini＝i_inv ²R_i    (7)

虚拟电阻的引入，能够实现各级联单元输入功率的独立调节。当某个级联单元直流侧电压高于设定值时，可将虚拟电阻设置为负值，减少该级联单元从电网获得的输入功率；当某个级联单元直流侧电压低于设定值时，可将虚拟电阻设置为正值，增加级联单元从电网获得的输入功率。达到直流侧电压平衡控制的目的。

图4是虚拟电阻的实现框图。在图4(a)中，各级联单元的虚拟电阻R_i′由级联单元直流侧电压误差经PI环节生成。

$R_i^{\′}=K_{p\_\mathrm{dcb}}(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})+\frac{K_{p\_\mathrm{dcb}}}{T_{i\_\mathrm{dcb}}}\∫(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，K_{p_dcb}、T_{i_dcb}分别为直流侧电压平衡控制的PI参数。

在图4(b)中引入补偿输出电流反馈，与虚拟电阻R_i′相乘形成第i个级联单元电压调制信号的修正量Δu_i，与双闭环控制生成电压调制信号u_r相叠加，生成最终的调制信号u_i。再进行载波移相调制，生成多路PWM波。第i个级联单元的修正量Δu_i和最终调制信号u_i，表示如下：

Δu_i＝R_i×i_inv    (9)

u_i＝u_r+Δu_i    (10)

各级联单元输出电压瞬时值为

u_invi′＝K_i(u_r+Δu_i)    (11)

由于Δu_i相对于调制信号很小，忽略其对静止同步补偿器输出电流的影响。此时，第i个级联单元从电网获得的输入功率为：

p_ini′＝u_invi′i_inv＝K_i(u_r+Δu_i)i_inv    (12)

构造虚拟电阻相当于给每个级联单元增加了输入功率

Δp_ini＝p_ini′-p_ini＝K_iΔu_ii_inv＝K_ii_inv ²R_i′    (13)

对比公式(7)与公式(13)，需要特别指出的是，此处引入的虚拟电阻R_i′等效为在图2主电路中引入了大小为K_iR_i′的虚拟电阻。采用此方法能够在各级联单元输出端构造可控的虚拟电阻，并且能够根据级联单元直流侧电压实际值与设定值的比较结果调整各虚拟电阻的大小，独立地调节各级联单元从电网获得的输入功率，达到直流侧电压平衡控制的目的。

引入虚拟电阻后的单相级联型静止同步补偿器控制框图见图5。采用直流侧总电压外环和电流跟踪内环的双闭环瞬时值控制生成电压调制信号u_r；各级联单元采用基于虚拟电阻的平衡控制方法生成电压调制信号的修正量Δu_i，与双闭环控制生成电压调制信号u_r相叠加，生成最终的调制信号u_i；分别与n个移相的三角载波比较，最终，生成n路PWM信号。n个级联单元需要2n路独立的PWM信号，另外n路PWM波由各级联单元的调制信号取反后与三角波比较获得。

Claims (4)

1.一种单相级联型静止同步补偿器的控制方法，包括单相级联型静止同步补偿器，单相级联型静止同步补偿器包括多个级联单元，每个级联单元包括一个单相全桥逆变电路和一个直流侧电容，电容与单相全桥逆变电路并联，多个级联单元输出端串联后经电抗器接入电网，其特征在于，该方法为：在直流侧总电压外环和电流跟踪内环组成的双闭环瞬时值控制的基础上，引入基于虚拟电阻的直流侧电压平衡控制，在各级联单元输出端构造可控的虚拟电阻；将各级联单元直流侧电压实际值与设定值比较，并根据比较结果调整各虚拟电阻的大小，独立地调节各级联单元从电网获得的输入功率，以满足各级联单元因损耗不同而对输入功率的不同需求，达到直流侧电压平衡控制的目的。

2.根据权利要求1所述的单相级联型静止同步补偿器的控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)采用直流侧总电压外环和电流跟踪内环的双闭环瞬时值控制生成电压调制信号u_r；

2)将各级联单元直流侧电压实际值U_dci与设定值U_ref/n比较，得到各级联单元直流侧电压误差，经PI环节生成虚拟电阻R_i′；其中n为级联单元数量；

3)将虚拟电阻R_i′与补偿器输出电流的瞬时值i_inv相乘，生成电压调制信号的修正量Δu_i，即Δu_i＝R_i′×i_inv；

4)将电压调制信号的修正量Δu_i与双闭环控制生成的电压调制信号u_r叠加，生成各级联单元最终的电压调制信号u_i，即u_i＝u_r+Δu_i；

5)对电压调制信号u_i进行载波移相调制，生成多路PWM波。

3.根据权利要求2所述的单相级联型静止同步补偿器的控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，电压调制信号u_r的表达式为：

$u_r=K_{p\_i}({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})+\frac{K_{p\_i}}{T_{i\_i}}\∫({i_{\mathrm{inv}}}^{*}-i_{\mathrm{inv}})\mathrm{dt},$

其中：K_{p_i}、T_{i_i}分别为电流跟踪控制的PI参数，i_inv和i_inv ^*分别为补偿器输出电流的瞬时值和补偿器指令电流。

4.根据权利要求2所述的单相级联型静止同步补偿器的控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，虚拟电阻R_i′的计算公式为：

$R_i^{\′}=K_{p\_\mathrm{dcb}}(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})+\frac{K_{p\_\mathrm{dcb}}}{T_{i\_\mathrm{dcb}}}\∫(\frac{U_{\mathrm{ref}}}{n}-U_{\mathrm{dci}})\mathrm{dt},$

其中：K_{p_dcb}、T_{i_dcb}分别为直流侧电压平衡控制的PI参数，U_dci为各级联单元直流侧电压，1≤i≤n。

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