CN102810869B - 一种基于盘型电抗器的statcom及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于盘型电抗器的STATCOM及控制方法，STATCOM包括用来实时采集三相电网的电压电流信息及STATCOM交流侧输出电流和直流侧电压信息并对所采集的信息进行处理的信号采集及处理模块、对所采集的信息进行坐标变换和运算获取所需的CPS-SPWM触发信号的主控模块、产生触发脉冲的驱动模块、由三个全桥链接串组成的功率转换模块、新型盘型电抗器模块等。本发明中使用了盘型电抗器，与空芯电抗器相比，大大减小了体积、重量和电磁污染，与传统的开口铁芯电抗器相比，大大减小了震动和噪声，显著改善了电感L的线性度。可以动态补偿电力系统中的无功电流、抑制谐波，有效地改善电力系统的电能质量和电压稳定水平。

Description

一种基于盘型电抗器的STATCOM及控制方法

技术领域

本发明涉及无功补偿领域，具体涉及一种基于盘型电抗器的STATCOM，还涉及一种基于盘型电抗器的STATCOM的控制方法，适用于三相电网的无功补偿。

背景技术

随着现代工业的高速发展，大功率电力电子装置、电弧炉等非线性负载得到了广泛应用，同时也给电网带来了越来越严重的无功问题和谐波污染，使电网电压和电流波形发生畸变，电能质量下降并威胁电网的安全。所以，柔性交流输电系统对现代人类社会的发展具有十分重要的意义，而SVC(Static Vat Compensator)和STATCOM(STATic synchronous COMpensator)是柔性交流输电系统的基础技术和关键设备。

现代STATCOM(STATic synchronous COMpensator)的主电路拓扑多采用链式结构，用IGBT（或IGCT、IEGT）组成全桥整流逆变的链接单元，用多个链接单元组成链接串，将三个链接串分别与三个连接电抗器串联后按三角形（或星形）连接，再接至电网，用以向电网注入无功补偿和谐波抑制电流。

连接电抗器STATCOM(STATic synchronousCOMpensator)中的关键部件，传统的连接电抗器多采用以下两种形式：

一种是空心电抗器，这种连接电抗器的体积、重量都很大，耗用大量的有色金属铝或铜，且在工作时产生很严重的电磁污染；

另一种连接电抗器是采用开有机械气隙的铁芯电抗器，这种连接电抗器的震动和噪音都很大，而且其电感L的线性度也不好。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于盘型电抗器的STATCOM，还提供的一种基于盘型电抗器的STATCOM的控制方法，该装置体积小，重量轻，成本低，运行震动和噪音小，线性度好。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于盘型电抗器的STATCOM，包括：

信号采集及处理模块，用于实时采集三相电网的电压电流信息、STATCOM交流侧输出电流信息和STATCOM直流侧电压信息；

主控模块，用于通过对信号采集及处理模块采集到的信号进行运算获得CPS-SPWM触发信号；

驱动模块，用于根据CPS-SPWM触发信号产生驱动功率转换模块的触发驱动脉冲；

功率转换模块，用于根据触发驱动脉冲生成三相链接串电压；以及

盘型电抗器模块，用于在三相链接串电压作用下生成无功补偿电流。

如上所述的盘型电抗器模块为三个单相盘型电抗器或一个三相盘型电抗器。

如上所述的单相盘型电抗器包括铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯设置有矩形气隙孔，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片为一次成形或者由子硅钢片拼接而成，盘状线圈设置在铁芯的矩形气隙孔内，盘状线圈的直径与铁芯的矩形气隙孔的长度适配，盘状线圈的厚度与铁芯的矩形气隙孔的宽度适配。

如上所述的矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接。

如上所述的三相盘型电抗器包括由开设有第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔、第三矩形气隙孔的铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片由子硅钢片拼接而成；第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔和第三矩形气隙孔内均设置有盘状线圈，第一矩形气隙孔的长度、第二矩形气隙孔的长度和第三矩形气隙孔的长度均与盘状线圈的直径适配，第一矩形气隙孔的宽度、第二矩形气隙孔的宽度和第三矩形气隙孔的宽度均与盘状线圈的厚度适配。

如上所述的第一矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第一矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接；第二矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第二矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联；第三矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第三矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接。

如上所述的功率转换模块包括A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块，A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块均由至少2个链接单元串联构成，链接单元包括由IGBT或IGCT或IEGT构成的全桥电路和设置在链接单元直流侧的直流电容器。

如上所述的A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块分别与盘型电抗器模块中对应的三相串联后构成三角形或者星形连接到三相电网。

一种基于盘型电抗器的STATCOM的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、实时提取三相电网相电流I_sa、I_sb和I_sc，对其进行处理并实施abc/dqo坐标变换，得出dq坐标下的电网无功电流并将电网无功电流作为指令电流；

步骤2、设置STATCOM中一个链接串中的各个链接单元的直流侧电压和的目标值和提取该链接串中的各个链接单元直流侧实际电压和V_dc，并通过直流侧电压调节器得到有功指令电流

步骤3、从STATCOM的交流侧提取STATCOM输出的三相补偿电流I_ca、I_cb和I_cc，对三相补偿电流I_ca、I_cb和I_cc进行abc/dqo坐标变换，得到STATCOM在dq坐标下的有功电流I_d、无功电流I_q；

步骤4、提取三相电网电压信号V_sa、V_sb和V_sc，并经数字锁相环后得到abc/dqo坐标变换所需θ角信号，通过abc/dqo坐标变换获取dq坐标下的电网电压的有功分量V_sd；

步骤5、根据I_d、I_q、V_sd和θ角信号生成STATCOM所需的在dq坐标下的输出有功电压无功电压调制比M和相位控制角δ；

步骤6、通过调制比M和相位控制角δ生成PWM调制波和移相三角载波，并根据PWM调制波和移相三角载波生成CPS-SPWM触发脉冲；

步骤7、通过CPS-SPWM触发脉冲驱动功率转换模块，控制驱动功率转换模块中的各个功率开关管的通断，产生链接串电压，三组链接串电压通过盘型电抗器后向三相电网注入补偿电流。

如上所述的是基于以下公式：

$V_{\mathrm{cd}}^{*}=-(K_p+\frac{K_i}{S})(I_d^{*}-I_d)+\mathrm{\ω}\×L\×I_q+V_{\mathrm{sd}}$

如上所述的是基于以下公式：

$V_{\mathrm{cq}}^{*}=-(K_p+\frac{K_i}{S})(I_q^{*}-I_q)-\mathrm{\ω}\×L\×I_d$

其中，K_p为PI控制器的比例系数、K_i为积分系数，ω为基波角频率，L为连接电抗器的电感量，S为积分算子，

如上所述的调制比M是基于以下公式：

$M=\frac{\sqrt{{V_{\mathrm{cd}}^{*}}^2+{v_{\mathrm{cq}}^{*}}^2}}{{\mathrm{NV}}_{\mathrm{dc}}};$

如上所述的相位控制角δ是基于以下公式：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{V_{\mathrm{cd}}^{*}}{V_{\mathrm{cq}}^{*}}$

其中，N为一个链接串中所包含的链接单元个数，V_dc为链接单元直流侧电压。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、与传统的空心电抗器相比，大大减小了连接电抗器的体积和重量，可节省大量的有色金属铝或铜，而且显著的减少了电抗器工作时产生的电磁污染，还可降低设备成本；

2、与传统的开有机械气隙的铁芯电抗器相比，由于没有机械气隙，硅钢片采用叠紧焊接方式紧固，可大大减小电抗器工作时产生的震动和噪声，显著改善电抗器电感L的线性度，可以改善STATCOM动态无功补偿的性能。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为盘型电抗器的电磁结构原理示意图；

图3为盘型电抗器的L-I特性图；

图4为单相盘型电抗器的主视结构示意图；

图5为单相盘型电抗器的侧视结构示意图；

图6为三相盘型电抗器的主视结构示意图；

图7为三相盘型电抗器的侧视结构示意图；

图8为本发明的控制原理示意图；

图9为链接单元原理示意图；

图10为功率转换模块的原理示意图。

其中：1-信号采集及处理模块，2-主控模块，3-驱动模块，4-功率转换模块，400-链接单元，401-第一开关元件，402-第二开关元件，403-第三开关元件，404-第四开关元件，405-直流电容器，5-盘型电抗器模块，6-铁心，7-盘状线圈，8-焊缝，9-磁通。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种基于盘型电抗器的STATCOM，包括：

信号采集及处理模块1，用于实时采集三相电网的电压电流信息、STATCOM交流侧输出电流信息和STATCOM直流侧电压信息；

主控模块2，用于通过对信号采集及处理模块1采集到的信号进行运算获得CPS-SPWM触发信号；

驱动模块3，用于根据CPS-SPWM触发信号产生驱动功率转换模块4的触发驱动脉冲；

功率转换模块4，用于根据触发驱动脉冲生成三相链接串电压；以及

盘型电抗器模块5，用于在三相链接串电压作用下生成无功补偿电流。

盘型电抗器模块5为三个单相盘型电抗器或一个三相盘型电抗器。

单相盘型电抗器包括铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯设置有矩形气隙孔，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片为一次成形或者由子硅钢片拼接而成，盘状线圈设置在铁芯的矩形气隙孔内，盘状线圈的直径与铁芯的矩形气隙孔的长度适配，盘状线圈的厚度与铁芯的矩形气隙孔的宽度适配。

矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接。

三相盘型电抗器包括由开设有第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔、第三矩形气隙孔的铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片由子硅钢片拼接而成；第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔和第三矩形气隙孔内均设置有盘状线圈，第一矩形气隙孔的长度、第二矩形气隙孔的长度和第三矩形气隙孔的长度均与盘状线圈的直径适配，第一矩形气隙孔的宽度、第二矩形气隙孔的宽度和第三矩形气隙孔的宽度均与盘状线圈的厚度适配。

第一矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第一矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接；第二矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第二矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联；第三矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第三矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接。

功率转换模块4包括A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块，A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块均由至少2个链接单元串联构成，链接单元包括由IGBT或IGCT或IEGT构成的全桥电路和设置在链接单元直流侧的直流电容器。

A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块分别与盘型电抗器模块5中对应的三相串联后构成三角形或者星形连接到三相电网。

V_Ckj来表示直流电容器405上的电压，若在链接单元的第一开关元件401开通、第二开关元件402关断，第三开关元件403关断、第四开关元件404开通的状态下，各链接单元的输出电压V_kj，无论在各链接单元中流过的电流多大，大体上有V_kj＝V_Ckj。反之，若在第一开关元件401关断、第二开关元件402开通，第三开关元件403开通、第四开关元件404关断的状态下，无论在各链接单元中流过的电流多大，大体上有V_kj＝-V_Ckj。此外，若第一开关元件401、第三开关元件403开通，第二开关元件402、第四开关元件404关断，或者第一开关元件401、第三开关元件403关断，第二开关元件402、第四开关元件404开通，各链接单元的输出电压V_kj，无论在各链接单元中流过的电流多大，大体上有V_kj＝0。另外，可通过对δ的调节来实施对直流电压V_Ckj的控制。

一种基于盘型电抗器的STATCOM的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、实时提取三相电网相电流I_sa、I_sb和I_sc，对其进行处理并实施abc/dqo坐标变换，得出dq坐标下的电网无功电流并将电网无功电流作为指令电流；

步骤2、设置STATCOM中一个链接串中的各个链接单元的直流侧电压和的目标值和提取该链接串中的各个链接单元直流侧实际电压和V_dc，并通过直流侧电压调节器得到有功指令电流

步骤3、从STATCOM的交流侧提取STATCOM输出的三相补偿电流I_ca、I_cb和I_cc，对三相补偿电流I_ca、I_cb和I_cc进行abc/dqo坐标变换，得到STATCOM在dq坐标下的有功电流I_d、无功电流I_a；

步骤4、提取三相电网电压信号V_sa、V_sb和V_sc，并经数字锁相环后得到abc/dqo坐标变换所需θ角信号，通过abc/dqo坐标变换获取dq坐标下的电网电压的有功分量V_sd；

步骤5、根据I_d、I_q、V_sd和θ角信号生成STATCOM所需的在dq坐标下的输出有功电压无功电压调制比M和相位控制角δ；

步骤6、通过调制比M和相位控制角δ生成PWM调制波和移相三角载波，并根据PWM调制波和移相三角载波生成CPS-SPWM触发脉冲；

步骤7、通过CPS-SPWM触发脉冲驱动功率转换模块4，控制驱动功率转换模块4中的各个功率开关管的通断，产生链接串电压，三组链接串电压通过盘型电抗器后向三相电网注入补偿电流。

是基于以下公式：

$V_{\mathrm{cd}}^{*}=-(K_p+\frac{K_i}{S})(I_d^{*}-I_d)+\mathrm{\ω}\×L\×I_q+V_{\mathrm{sd}}$

是基于以下公式：

$V_{\mathrm{cq}}^{*}=-(K_p+\frac{K_i}{S})(I_q^{*}-I_q)-\mathrm{\ω}\×L\×I_d$

其中，K_p为PI控制器的比例系数、K_i为积分系数，ω为基波角频率，L为连接电抗器的电感量，S为积分算子，

所述的调制比M是基于以下公式：

$M=\frac{\sqrt{{V_{\mathrm{cd}}^{*}}^2+{v_{\mathrm{cq}}^{*}}^2}}{{\mathrm{NV}}_{\mathrm{dc}}};$

所述的相位控制角δ是基于以下公式：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{V_{\mathrm{cd}}^{*}}{V_{\mathrm{cq}}^{*}}$

其中，N为一个链接串中所包含的链接单元个数，V_dc为链接单元直流侧电压。

盘型电抗器，根据STATCOM额定无功补偿容量的大小，可以采用三个单相盘型电抗器或者采用一个三相盘型电抗器。

盘型电抗器中通过电流I时，形成激磁磁动势WI（W为线圈匝数），并在线圈中产生磁通，磁通大小处决于磁路磁阻，磁路磁阻由部分铁芯磁阻和分布的气隙磁阻组成，因此电抗值L具有较好的线性度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于盘型电抗器的STATCOM，其特征在于，包括：

信号采集及处理模块（1），用于实时采集三相电网的电压电流信息、STATCOM交流侧输出电流信息和STATCOM直流侧电压信息；

主控模块（2），用于通过对信号采集及处理模块（1）采集到的信号进行运算获得CPS-SPWM触发信号；

驱动模块（3），用于根据CPS-SPWM触发信号产生驱动功率转换模块（4）的触发驱动脉冲；

功率转换模块（4），用于根据触发驱动脉冲生成三相链接串电压；以及

盘型电抗器模块（5），用于在三相链接串电压作用下生成无功补偿电流，

盘型电抗器模块（5）为三个单相盘型电抗器或一个三相盘型电抗器，

单相盘型电抗器包括铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯设置有矩形气隙孔，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片为一次成形或者由子硅钢片拼接而成，盘状线圈设置在铁芯的矩形气隙孔内，盘状线圈的直径与铁芯的矩形气隙孔的长度适配，盘状线圈的厚度与铁芯的矩形气隙孔的宽度适配，

矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接，

三相盘型电抗器包括由开设有第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔、第三矩形气隙孔的铁芯和由扁平绝缘导体盘绕而成的盘状线圈，铁芯由硅钢片叠紧并焊接而成，硅钢片由子硅钢片拼接而成；第一矩形气隙孔、第二矩形气隙孔和第三矩形气隙孔内均设置有盘状线圈，第一矩形气隙孔的长度、第二矩形气隙孔的长度和第三矩形气隙孔的长度均与盘状线圈的直径适配，第一矩形气隙孔的宽度、第二矩形气隙孔的宽度和第三矩形气隙孔的宽度均与盘状线圈的厚度适配，

第一矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第一矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接；第二矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第二矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联；第三矩形气隙孔为两个且均设置有盘状线圈，设置在第三矩形气隙孔中的两个盘状线圈之间并联连接，

功率转换模块（4）包括A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块，A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块均由至少2个链接单元串联构成，链接单元包括由IGBT或IGCT或IEGT构成的全桥电路和设置在链接单元直流侧的直流电容器，

A相链接串模块、B相链接串模块和C相链接串模块分别与盘型电抗器模块（5）中对应的三相串联后构成三角形或者星形连接到三相电网。