CN102638049A - 一种链式三角形连接statcom直流母线相间均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，在三相电源和非线性负载之间连接链式STATCOM，链式STATCOM的主电路采用三角形连接方式，通过向三角形连接的三相输出零序分量指令，在三角形连接的三相附加零序环流使三相直流母线电压达到平衡，不额外向电网注入负序电流。

Description

一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法

技术领域

本发明属于电网无功补偿领域，特别涉及面向电网无功负序抑制的一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法。 

背景技术

随着我国现代工业的迅速发展，无功补偿成为电力部门和电力用户共同关注的热点。电力系统中的无功功率补偿装置从最早的电容器发展到今天，历经电容器、同步调相机、静止型无功补偿器(SVC)、静止型无功发生器(STATCOM)。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，STATCOM的调节速度更快，运行范围更宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，STATCOM使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。 

链式STATCOM采用级联多电平结构，多个H桥模块串联之后经连接电抗器接入电网系统，H桥模块直流侧只需并联电解电容，省去了独立的直流电压源，结构简单，非常适合应用于中压电网无功补偿领域，目前得到了广泛的应用。在中压电网中有很多大容量的三相不平衡负荷，例如电力电弧炉等，这些负荷带来的电压、电流不平衡会给电力系统和电力用户造成多种危害。采用△型连接的链式STATCOM非常适合补偿不平衡负载，输出负序电流对电网的负序无功进行补偿。 

理想条件下，链式三角形连接STATCOM的开关器件和无源器件在工作的过程中不存在能量损耗，STATCOM和电力系统之间并不进行有功功率的交换，只进行无功功率的交换，各个H桥模块的直流母线电压只存在2次波动，一个电网周期内的平均值并不改变。然而，实际的链式STATCOM总是存在损耗，这些损耗就会导致直流母线电压的下降，由于三相之间的损耗存 在差异性，各相直流母线电压也会存在较大的差异。而且，当链式三角形连接STATCOM需要补偿负序电流时，各相直流母线电压会出现明显偏移。如果不加以控制，直流电压偏高的相超额工作，此相的开关器件存在过压损坏的危险，而直流电压较低的相又常常欠额工作，此相的效用不能充分的发挥。 

对于链式STATCOM三相之间直流母线电压均衡控制，以传统的dq解耦控制为基础，各相根据自己直流母线电压与参考值的差值，在d轴上叠加一个微调量，q轴的值共用原值，这样可以保证三相直流母线电压相等，并且可以输出给定的无功功率。为了实现在每相的d轴上叠加微调量，需要建立三个虚拟的dqo-abc变换，变换后每相都有对应于A、B、C相的三个值，各相只需取与该相对应的值，而忽略其他两个值即可；d轴微调量的补偿器是整定d轴占空比到直流母线电压的传递函数得到的，可以保证足够的幅值和相位裕量。根据Chong Han(Chong HanAlex Q.Huang.A Generalized Control Strategy of Per-Phase DC Voltage Balancing for Cascaded Multilevel Converter-based STATCOM[C].Power Electronics Specialists Conference，Orlando，USA，2007.)提到的方法，当三相直流母线电压不相等时，各相微调自己d轴量来调节从电网中吸收的有功功率，这样会造成三相吸收的有功电流幅值不相等，含有负序分量；当变流器需要补充负序无功时，变流器又会向电网注入大量的负序电流来达到自身直流母线电压平衡；因此该方法是通过牺牲电能质量为代价来达到均衡三相直流母线电压的目的。 

Yidan Li(Yidan Li，Bin Wu.A Novel DC Voltage Detection Technique in the CHB Inverter-Based STATCOM[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2008，23(3)：1613-1619.)采用输出交流电压相位微调法对三相吸收的有功功率进行调整，该方法需要三个电压环分别控制三相直流母线电压，该方法存在如下问题：当三相直流母线电压严重不平衡时，三相的输出电流的幅值不相等，含有负序分量并且相位不再是依次相差120°，直流母线电压均衡的 实现是以向电网注入负序电流为代价的；当电网要求补偿负序电流时，为了维持直流母线电压的均衡，电能质量控制器将会向电网注入负序电流，因此补偿负序功率的能力很差。Akagi H(Akagi H，Inoue S，Yoshii T.Control and perfoemance of a transformerless cascade PWM STATCOM with star configuration[J].IEEE Trans.On Industry Applications，2007，43(4)：1041-1049.)建立dq解耦的控制体系，用于控制总体的有功和无功功率，然后检测各相的直流侧电压，与指令值比较，差值送入调节器，调节器的输出作为相变流器交流输出电流的微调幅度，dq解耦控制的d轴指令电流叠加上各相的微调电流作为各相的指令输出电流幅值，然后乘以各相的相位作为各相总的输出电压指令，经过微调后的各相输出电压可以调节三个单相与电力系统交换的有功功率，进而保证三相之间直流母线电压的平衡。Laxman Maharjan，Shigenori Inoue，Hirofumi Akagi.A Transformerless Energy Storage System Based on a Cascade Multilevel PWM Converter With Star Configuration[J].IEEE Trans.onIndustry Electronics，2008，44(5)：1621-1630.的控制方法和上述方法类似，这两种方法同样存在不足：当三相电压严重不均衡时，经过三相均衡控制的微调作用，三相变流器交流输出电压的幅值相差较大，含有较大的负序成分，这部分负序电压又会产生负序电流注入电网，因此该方法是以牺牲电能质量为代价来达到三相直流母线电压的均衡的。 

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，以达到不通过牺牲电能质量为代价来达到三相之间直流母线电压平衡，在链式STATCOM需要补偿负序无功时，变流器达到自身相间直流母线电压平衡不会向电网注入额外大量负序电流。 

本发明是通过以下技术方案来实现： 

一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，包括以下 步骤： 

在三相电源和非线性负载之间连接链式STATCOM，链式STATCOM的主电路采用三角形连接方式，通过向三角形连接的三相输出零序分量指令，在三角形连接的三相附加零序环流使三相直流母线电压达到平衡，不额外向电网注入负序电流； 

在总的有功功率控制下，零序分量指令的输出使得三相直流母线电压的相间平衡控制，再通过每相内部各模块直流母线电压的控制以及输出补偿电流的跟踪控制，得到整个链式三角形连接STATCOM总的输出指令电压，将其输出。 

所述的零序分量指令的输出为： 

1)检测链式三角形连接STATCOM的AB、BC、CA三相所有H桥单元模块直流侧电压u_{dc_abi}、u_{dc_bci}、u_{dc_cai}(i＝1，2...N)，得3N个直流侧电压值，计算各相N个H桥单元模块直流侧电压的和 

并对这3个值求平均，得三相直流侧电压之和的平均值 

2)将 

与链式三角形连接STATCOM的AB相直流侧电压之和 

经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出 

将 

与链式三角形连接STATCOM的BC相直流侧电压之和 经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出 

3)通过锁相环得到 的相位及其正弦值和余弦值； 

4)通过下式得到附加零序环流的参考值 

$i_{\mathrm{ref}}^0=I_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(13\right)$

其中： 

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{2}\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}(\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0+2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0)}{\sqrt{3}}---\left(12\right)$

5)检测AB、BC、CA各相的电流i_ab、i_bc、i_ca，并通过dq0变换得到实际零序电流值i⁰，将零序环流的参考值 

与实际零序电流值i⁰经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例调节器调整，单路比例调节器的输出作为链式三角形连接STATCOM控制系统中零序分量指令。 

所述通过以下步骤得到附加零序环流的参考值 

4.1)零序电流频率的确定 

设电网电压为： 

$u_s=\sqrt{2}U\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ψ})---\left(1\right)$

其中U是电网电压的有效值；ψ＝0，-120°，120°分别代表三相电网电压的初相位； 

零序电流为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

其中θ代表零序电流相对于电网A相电压的相位，n代表零序电流的次数。 

零序电流对单相变流器功率的影响为： 

p⁰＝u_s·i⁰＝UI⁰{cos[(n-1)ωt+(θ-ψ)]-cos[(n+1)ωt+(θ+ψ)]}    (3) 

使零序功率中产生直流分量，则零序电流在各相变流器产生有功功率，此时n等于1，也就是零序电流和电网同频率； 

4.2)零序电流指令值的确定 

当n＝1时，式(2)的零序电流表达式变换为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(4\right)$

链式三角形连接STATCOM主电路的三相呈三角形连接，三相网侧电压为： 

$u_{\mathrm{ab}}^s=\sqrt{6}U\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

零序电流对网侧功率的影响为： 

$p_{\mathrm{sab}}^0=\sqrt{3}{\mathrm{UI}}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]$

当以上三个式子的和为零时，零序电流并不改变电能质量控制器吸收的有功功率，只引起三相之间有功功率的转移，则各相变流器交流侧的功率为： 

$p_{\mathrm{ab}}^0=p_{\mathrm{sab}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sab}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$=\sqrt{3}U{I}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]-\mathrm{\ωL}\·I^{0^2}\sin (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

$p_{\mathrm{bc}}^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$p_{\mathrm{ca}}^0=p_{\mathrm{sca}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sca}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

对(7)求周期平均得： 

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

式(8)三个式子的和为零，线性相关，只用前两个式子进行计算： 

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{2}\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}}{\sqrt{3}U}---\left(9\right)$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}(\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}+2\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0})}{3U}$

令： 

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0=I^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(10\right)$

则式(8)前两个等式变换为： 

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0---\left(11\right)$

将(11)代人(9)得： 

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{2}\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}\left(\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0+2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0\right)}{\sqrt{3}}---\left(12\right)$

将(12)代人(4)得零序电流指令的表达式为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=I_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(13\right)$

其中sin(ωt)和cos(ωt)由锁相环提供，得到附加零序环流的参考值 

所述的链式STATCOM包括多个H桥单元模块和多个进线电感，H桥单元模块由直流侧储能元件和电压源型PWM变换器组成。 

所述的直流侧储能元件由电力电容器串并联构成，电压源型PWM变换器为全控器件。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 

本发明提供的链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，通过向三角形连接的三相输出零序分量指令，在变流器需要补充负序无功时，变流器达到自身直流母线电压相间平衡不会向电网注入额外负序电流，即可以不通过牺牲电能质量为代价来达到三相相间直流母线电压平衡。 

进一步，所述的三相附加零序环流的实现是在零序分量指令输出的基础上，结合已有的总的有功功率控制、每相内部各模块直流母线电压的控制以及输出补偿电流的跟踪控制从而得到链式三角形连接STATCOM总的输出指令电压。尤其是零序分量的合成算法当中包括了电流内环控制，步骤1、2、3、4作为电压外环控制。 

而且，对本发明中方法进行了实验和仿真验证，仿真和实验结果都证明了该方法的正确、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。 

附图说明

图1为链式三角形连接STATCOM主电路结构； 

图2为链式三角形连接STATCOM总的控制系统框图； 

图3为三相之间直流母线电压均衡控制框图； 

图4a～图4b为三相之间直流母线电压均衡控制仿真验证图。 

图5为本发明实验验证结果图。 

具体实施方式

本发明提供的面向电网无功负序抑制的一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，可以保证三相之间直流母线电压均衡，而不额外向电网注入负序电流。实现方法是在三角形连接的三相中附加零序环流使三相之间直流母线电压达到平衡。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 

参见图1，三相电源和非线性负载之间连接链式STATCOM，链式STATCOM的主电路采用△型连接方式，具体的6个H桥单元模块和6个进线电感。H桥单元模块由直流侧储能元件和电压源型PWM变换器组成，其中直流侧储能元件一般由电力电容器串并联构成，电压源型PWM变换器采用全控器件如IGBT、IGCT等组成。 

为了叙述方便，将链式三角形连接STATCOMAB、BC、CA三相电压记为u_ab、u_bc、u_ca，三相补偿电流记为i_ab、i_bc、i_ca，6H桥单元模块直流侧电压分别记为u_{dc_ab1}、u_{dc_ab2}、u_{dc_bc1}、u_{dc_bc2}、u_{dc_ca1}、u_{dc_ca2}；三相负载电流记为i_la、i_lb、i_lc。 

参见图2，在进行均压控制时，通过三相总电压控制，然后对三相之间均衡控制，最后再进行每相各模块之间均衡控制从而实现零序循环。其中，三相总电压控制、每相各模块之间均衡控制可采用已有控制方法，而三相之间均衡控制通过零序电流合成算法计算零序分量指令的输出来实现。 

参见图3，具体的利用零序电流合成算法计算零序分量指令，然后结合 以下控制：在总的有功功率控制下，零序分量指令的输出使得三相直流母线电压的相间平衡控制，再通过每相内部各模块直流母线电压的控制以及输出补偿电流的跟踪控制，得到整个链式三角形连接STATCOM总的输出指令电压，以PWM信号的形式输出。 

所关注的零序分量指令计算如下： 

步骤1，检测链式三角形连接STATCOM的AB、BC、CA三相所有H桥单元模块直流侧电压u_{dc_abi}、u_{dc_bci}、u_{dc_cai}(i＝1，2...N)，得3N个直流侧电压值，计算各相N个H桥单元模块直流侧电压的和 

并对这3个值求平均，得三相直流侧电压之和的平均值 

比如检测u_{dc_abi}、u_{dc_bci}、u_{dc_cai}(i＝1，2)，得6个直流侧电压值，并求出各相2个H桥单元模块直流侧电压的和 

对这3个值求平均，得三相直流侧电压之和的平均值 

步骤2，将 

与链式三角形连接STATCOMA相直流侧电压之和 

经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出作为零序电流合成算法的一个输入 

同样，将 

与链式三角形连接STATCOMB相直流侧电压之和 

经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出作为零序电流合成算法的另一个输入 

步骤3，由锁相环得到 

的相位及其正弦值和余弦值。 

步骤4，由步骤2和步骤3的结果经过零序电流合成算法得到附加零序环流的参考值 

具体的零序电流合成算法为： 

4.1)零序电流频率的确定 

设电网电压为： 

$u_s=\sqrt{2}U\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ψ})---\left(1\right)$

其中U是电网电压的有效值；ψ＝0，-120°，120°分别代表三相电网电压的初 相位； 

零序电流为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

其中θ代表零序电流相对于电网A相电压的相位，n代表零序电流的次数。 

零序电流对单相变流器功率的影响为： 

p⁰＝u_s·i⁰＝UI⁰{cos[(n-1)ωt+(θ-ψ)]-cos[(n+1)ωt+(θ+ψ)]}    (3) 

使零序功率中产生直流分量，则零序电流在各相变流器产生有功功率，此时n等于1，也就是零序电流和电网同频率； 

4.2)零序电流指令值的确定 

当n＝1时，式(2)的零序电流表达式变换为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(4\right)$

链式三角形连接STATCOM主电路的三相呈三角形连接，三相网侧电压为： 

$u_{\mathrm{ab}}^s=\sqrt{6}U\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

零序电流对网侧功率的影响为： 

$p_{\mathrm{sab}}^0=\sqrt{3}{\mathrm{UI}}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]$

当以上三个式子的和为零时，零序电流并不改变电能质量控制器吸收的有功功率，只引起三相之间有功功率的转移，则各相变流器交流侧的功率为： 

$p_{\mathrm{ab}}^0=p_{\mathrm{sab}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sab}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$=\sqrt{3}U{I}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]-\mathrm{\ωL}\·I^{0^2}\sin (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

$p_{\mathrm{bc}}^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$p_{\mathrm{ca}}^0=p_{\mathrm{sca}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sca}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

对(7)求周期平均得： 

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

式(8)三个式子的和为零，线性相关，只用前两个式子进行计算： 

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{2}\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}}{\sqrt{3}U}---\left(9\right)$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}(\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}+2\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0})}{3U}$

令： 

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0=I^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(10\right)$

则式(8)前两个等式变换为： 

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0---\left(11\right)$

将(11)代人(9)得： 

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{2}\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}\left(\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0+2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0\right)}{\sqrt{3}}---\left(12\right)$

将(12)代人(4)得零序电流指令的表达式为： 

$i_{\mathrm{ref}}^0=I_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(13\right)$

其中sin(ωt)和cos(ωt)由锁相环提供，得到附加零序环流的参考值 

步骤5，检测链式三角形连接STATCOM的A、B、C各相电流i_ab、i_bc、i_ca，并通过dq0变换得到实际零序电流值i⁰，将零序环流的参考值 

与实际零序电流值i⁰经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例调节器调整，单路比例调节器的输出作为链式三角形连接STATCOM控制系统中零序分量指令。 

步骤6，零序分量指令的输出就能够实现三相直流母线电压的相间平衡控制。再结合总的有功功率控制，每相内部各模块直流母线电压的控制以及输出补偿电流的跟踪控制产生的指令电压分量，得到了整个链式三角形连接STATCOM总的输出指令电压。 

对上述方法进行仿真验证，该仿真模型的负载是严重不对称的负载，负载电流中含有大量负序成分。STATCOM在补偿这些负序电流时，会造成三相直流母线电压的不均衡。 

如图4a所示的电能质量控制器各相直流侧电压，仿真开始时链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法进行控制，三相直流母线电压基本重叠；在0.15s时，去掉三相直流母线电压均衡控制，其他仿真条件维持不变，可以看到三相直流母线电压值基本上呈现出三条不重叠的曲线，出现了大的偏差；在0.25s时重新恢复三相直流母线电压控制，三相直流母线的电压值基本上在60ms(三个电网周波)之内再次重叠在一起，达到了均衡效果。仿真结果证实了三相之间直流母线电压均压控制的准确性和正确性。 

在负载严重不对称时，STATCOM的补偿效果如图4b所示，其中上图为电网电压，中图为负载电流，下图为补偿后网侧电流；STATCOM补偿之后，网侧三相电流与三相电网电压同相位，功率因数达到1，借助于SIMULINK快速傅里叶分析软件(FFT)的计算，发现补偿后三相网侧电流的THD均小于5％，达到控制要求。说明在变流器需要补充负序无功时，变流器达到自身相 间直流母线电压平衡不会向电网注入额外的负序电流，即可以不通过牺牲电能质量为代价来达到三相相间直流母线电压平衡。 

在实验样机(容量为5kVA，每相两个H桥单元模块的链式三角形连接STATCOM)上采用本发明中控制方法的实验波形，该实验的负载是严重不对称的负载，负载电流中含有大量负序成分，参见图5中的第二个波形。第一个波形为电网电压。第三个波形为补偿电流的指令信号和实际值，反映了补偿电流的实际值跟踪指令信号的情况，即补偿的实时性很好。第四个波形为链式三角形连接STATCOM的6个H桥单元模块直流侧电压，由波形图可看到6个H桥单元模块直流侧电压都相等。这说明STATCOM直流母线相间均压控制方法在变流器需要补充负序无功时可以使三相之间直流母线电压保持平衡。从实验波形中可以看出在变流器需要补充负序无功时，变流器达到自身相间直流母线电压平衡不会向电网注入额外负序电流，即STATCOM直流母线相间均压控制方法可以不通过牺牲电能质量为代价来达到三相之间直流母线电压平衡。 

Claims (5)

1.一种链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在三相电源和非线性负载之间连接链式STATCOM，链式STATCOM的主电路采用三角形连接方式，通过向三角形连接的三相输出零序分量指令，在三角形连接的三相附加零序环流使三相直流母线电压达到平衡；

在总的有功功率控制下，零序分量指令的输出使得三相直流母线电压的相间平衡控制，再通过每相内部各模块直流母线电压的控制以及输出补偿电流的跟踪控制，得到整个链式三角形连接STATCOM总的输出指令电压，将其输出。

2.如权利要求1所述的链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，其特征在于，所述的零序分量指令的输出为：

1)检测链式三角形连接STATCOM的AB、BC、CA三相所有H桥单元模块直流侧电压u_{dc_abi}、u_{dc_bci}、u_{dc_cai}(i＝1，2...N)，得3N个直流侧电压值，计算各相N个H桥单元模块直流侧电压的和并对这3个值求平均，得三相直流侧电压之和的平均值

2)将

与链式三角形连接STATCOM的AB相直流侧电压之和

经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出

将

与链式三角形连接STATCOM的BC相直流侧电压之和

经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出

3)通过锁相环得到

的相位及其正弦值和余弦值；

4)通过下式得到附加零序环流的参考值

$i_{\mathrm{ref}}^0=I_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(13\right)$

其中：

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{2}\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}(\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0+2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0)}{\sqrt{3}}---\left(12\right)$

5)检测AB、BC、CA各相的电流i_ab、i_bc、i_ca，并通过dq0变换得到实际零序电流值i⁰，将零序环流的参考值与实际零序电流值i⁰经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例调节器调整，单路比例调节器的输出作为链式三角形连接STATCOM控制系统中零序分量指令。

3.如权利要求2所述的链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，其特征在于，所述的附加零序环流的参考值

通过以下步骤得到：

4.1)零序电流频率的确定

设电网电压为：

$u_s=\sqrt{2}U\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ψ})---\left(1\right)$

其中U是电网电压的有效值；ψ＝0，-120°，120°分别代表三相电网电压的初相位；

零序电流为：

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

其中θ代表零序电流相对于电网A相电压的相位，n代表零序电流的次数；

零序电流对单相变流器功率的影响为：

p⁰＝u_s·i⁰＝UI⁰{cos[(n-1)ωt+(θ-ψ)]-cos[(n+1)ωt+(θ+ψ)]}    (3)

使零序功率中产生直流分量，则零序电流在各相变流器产生有功功率，此时n等于1，也就是零序电流和电网同频率；

4.2)零序电流指令值的确定

当n＝1时，式(2)的零序电流表达式变换为：

$i_{\mathrm{ref}}^0=\sqrt{2}{I}^0\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(4\right)$

链式三角形连接STATCOM主电路的三相呈三角形连接，三相网侧电压为：

$u_{\mathrm{ab}}^s=\sqrt{6}U\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

零序电流对网侧功率的影响为：

$p_{\mathrm{sab}}^0=\sqrt{3}{\mathrm{UI}}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]$

当以上三个式子的和为零时，零序电流并不改变电能质量控制器吸收的有功功率，只引起三相之间有功功率的转移，则各相变流器交流侧的功率为：

$p_{\mathrm{ab}}^0=p_{\mathrm{sab}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sab}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$=\sqrt{3}U{I}^0[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})]-\mathrm{\ωL}\·I^{0^2}\sin (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

$p_{\mathrm{bc}}^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sbc}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

$p_{\mathrm{ca}}^0=p_{\mathrm{sca}}^0-p_L^0=p_{\mathrm{sca}}^0-i_o\·L\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

对(7)求周期平均得：

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

式(8)三个式子的和为零，线性相关，只用前两个式子进行计算：

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{2}\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}}{\sqrt{3}U}---\left(9\right)$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}(\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}+2\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0})}{3U}$

令：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0=I^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(10\right)$

则式(8)前两个等式变换为：

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{ab}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{bc}}^0}=\sqrt{3}U\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0---\left(11\right)$

将(11)代人(9)得：

$I_d=\sqrt{2}{I}^0\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{2}\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0$

$I_q=\sqrt{2}{I}^0\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}\left(\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ab}}^0+2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{bc}}^0\right)}{\sqrt{3}}---\left(12\right)$

将(12)代人(4)得零序电流指令的表达式为：

$i_{\mathrm{ref}}^0=I_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(13\right)$

其中sin(ωt)和cos(ωt)由锁相环提供，得到附加零序环流的参考值

4.如权利要求1所述的链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，其特征在于，所述的链式STATCOM包括多个H桥单元模块和多个进线电感，H桥单元模块由直流侧储能元件和电压源型PWM变换器组成。

5.如权利要求1所述的链式三角形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法，其特征在于，所述的直流侧储能元件由电力电容器串并联构成，电压源型PWM变换器为全控器件。

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