CN103066607A - 一种statcom电流跟踪补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种STATCOM电流跟踪补偿方法，对采集到的P点处的三相相电压和电流进行处理，得到转换矩阵和系统所需补偿电流的有功和无功电流分量，将负载侧采集到的电流经过abc/dq变换和低通滤波器处理，得到STATCOM参考电流q轴的直流分量，在STATCOM的直流电容电压的电压比例积分环节输出作为参考电流的有功分量，从而可以对补偿电流的有功分量和无功分量分别进行电流的模糊PI控制，进而通过SVPWM技术生成控制信号，控制STATCOM的输出。本发明克服了系统三相电压不对称对STATCOM性能的影响，能够准确检测出系统所需的补偿电流，并能快速有效地跟踪、补偿系统所需要的电流。

Description

一种STATCOM电流跟踪补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子装置控制的技术领域。具体地说，本发明涉及一种STATCOM电流跟踪补偿方法。

背景技术

STATCOM的补偿电流检测方法广泛采用的是基于瞬时无功功率的传统ip-iq运算方式及其改进方法。

传统的ip-iq检测补偿电流的方法原理如图3所示，其基本步骤如下：采集A相电压Ua，通过一个锁相环（PLL）获取Ua的相角，并由它产生与Ua同相位的正、余弦信号，可得 $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$ ；对负荷侧的三相电流进行Clark变换，求出αβ坐标下对应的电流值，再作Park变换得到电流的有功分量和无功分量；将电流的有功分量经过一个低通滤波器，获得电流的基波直流分量；通过Park逆变换和Clark逆变换求得三相坐标下的基波有功电流分量，将原三相电流减去基波有功电流分量，可求得STATCOM需要的补偿电流。

分析传统的ip-iq检测补偿电流的方法可知：该方法只采集系统A相的电压Ua，通过一个锁相环获取Ua相角，获得与A相同相位的正、余弦信号。当三相电压不平衡时，此方法检测不精确。首先，只针对三相电压中A相电压进行处理，虽然检测的步骤变得简单，但是，使得获得的结果受A相电压变化波动大。其次，锁相环的使用加大了电路的设计和调试的难度。

目前，STATCOM的控制方法有两种：间接电流控制和直接电流控制。

间接电流控制方法是通过控制逆变器的电压相位，从而控制STATCOM输出的无功电流。其特点是开关器件的开关频率低，系统响应速度较慢。

直接电流控制STATCOM是通过电流内环使STATCOM输出的无功电流跟踪指令电流的变化，同时通过控制STATCOM输出的有功电流保持直流电压的稳定。直接电流控制的响应速度快，但是开关器件的开关频率较高。

发明内容

本发明提供一种STATCOM电流跟踪补偿方法，其目的是在系统电压不对称情况下，精确检测出系统所需要的补偿电流，并能快速跟踪、补偿系统所需要的电流。

为了实现上述发明目的采取的技术方案为：

本发明所提供的STATCOM电流跟踪补偿方法，其步骤为：

（1）、采集公共连接点P处的三相相电压和三相相电流，负载侧的三相相电流以及STATCOM直流侧电容电压；

（2）、依据采集到的P点三相相电压，通过提取三相基波正序电压作为同步参考信号进行Clark变换，利用基波正序电压的初相角与αβ坐标下基波正序电压分量的关系，计算出一组与三相正序基波电压分量同频同相的正、余弦信号，获得变换矩阵；

（3）、对采集到的P点三相电流进行电流处理模块处理，获得系统需要的补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量；

（4）、负载侧采集到的三相相电流经过abc/dq坐标变换后，断开d轴电流分量，对q轴电流分量进行低通滤波器处理，得到所需补偿电流的q轴直流参考信号iqref；

（5）、将STATCOM直流侧电容电压的反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出作为STATCOM输出参考电流d轴的直流分量idref；

（6）、对补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量分别进行电流的模糊PI控制处理，获得STATCOM的电压控制量在dq坐标下的d轴分量Ud和q轴分量Uq，对Ud和Uq进行dq/abc变换，利用电压空间矢量脉宽调制技术，控制STATCOM的输出。

以上所述步骤（3）中对三相相电流进行电流处理模块，其具体方式为：

采集到的三相相电流，经过abc/dq变换后，将d轴的电流分量经过低通滤波器处理得到直流电流分量，再经过dq/abc变换后得到三相基波有功电流；将原采集到的三相相电流减去基波有功电流可得到三相电网需要补偿的电流，再经过abc/dq变换即可得到补偿电流的有功分量和无功分量。

本发明采用上述技术方案，拓展了传统的ip-iq无功电流检测方法，使检测结果不受三相电网电压不对称的影响，在电网电压发生不对称时，仍然使STATCOM的补偿电流具有准确的检测结果；采用直接电流控制方法，使得逆变器输出电流的动态响应速度快；由于利用SVPWM技术生成控制信号控制STATCOM的输出，因此STATCOM直流电容电压的利用效率高，同时直流侧电容电压采用比例积分调节，又能保持其平衡和稳定。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容作简要说明：

图1为发明的STATCOM电流跟踪补偿方法示意图；

图2为图1中的STATCOM主电路原理示意图；

图3为传统ip-iq无功电流检测方法原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1、图2所示的本发明的技术方案：本发明是一种STATCOM电流跟踪补偿方法。

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现以下发明目的：

在系统电压不对称情况下，精确检测出系统所需要的补偿电流，并能快速跟踪、补偿系统所需要的电流，本发明采取的技术方案为：

本发明的STATCOM电流跟踪补偿方法，其步骤为：

（1）、采集公共连接点P处的三相相电压和三相相电流，负载侧的三相相电流以及STATCOM直流侧电容电压；

（2）、依据采集到的P点三相相电压，通过提取三相基波正序电压作为同步参考信号进行Clark变换，利用基波正序电压的初相角与αβ坐标下基波正序电压分量的关系，计算出一组与三相正序基波电压分量同频同相的正、余弦信号，获得变换矩阵；

采集公共连接点处的三相相电压U_a、U_b、U_c，经过电压处理模块可得到变换矩阵，其具体为：

三相不对称电压中基波正序电压分量

、

、

为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a^{+}\\ U_b^{+}\\ U_c^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(U_a-U_b/2-U_c/2)/3-(U_b-U_c)/\left(j2\sqrt{3}\right)\\ (U_b-U_a/2-U_c/2)/3-(U_c-U_a)/\left(j2\sqrt{3}\right)\\ (U_c-U_a/2-U_b/2)/3-(U_a-U_b)/\left(j2\sqrt{3}\right)\end{array}\right]$      （式1）

以此作为同步参考信号，对输出的三相电网正序电压进行Clark变换，可得αβ坐标下的正序电压，经过低通滤波器处理后，即为系统的正序基波分量。根据基波正序电压的初相角与αβ坐标下基波正序电压分量的关系，可获得一组与三相正序基波电压分量同频同相的正、余弦信号，进而得到变换矩阵C。

（3）、对采集到的P点三相电流进行电流处理模块处理，获得系统需要的补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量；

STATCOM连接点处采集到的三相相电流经过电流处理模块，可得到电网所需要补偿的有功分量和无功分量，其具体为：

采集到的三相相电流经过abc/dq变换后得到d轴和q轴的电流分量，此时断开q轴的电流分量，d轴的电流的分量经过一个低通滤波器处理后为一直流电流分量；将d轴的直流电流分量经过dq/abc变换处理后得到三相基波有功电流；将原采集到的三相输入电流减去基波有功电流可得到三相电网需要补偿的电流，再经过abc/dq变换得到补偿电流的有功分量和无功分量。

（4）、负载侧采集到的三相相电流经过abc/dq坐标变换后，断开d轴电流分量，对q轴电流分量进行低通滤波器处理，得到所需补偿电流的q轴直流参考信号iqref；

负载侧的三相输入电流通过abc/dq变换后，得到电流的有功分量和无功分量，断开有功分量通道，将电流的无功分量经过一个低通滤波器（LPF），即可输出作为STATCOM参考电流q轴的直流分量iqref。

（5）、将STATCOM直流侧电容电压的反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出作为STATCOM输出参考电流d轴的直流分量idref；

为了控制STATCOM直流电容电压稳定，可加入直流电压电容控制环节：将电容电压反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出作为STATCOM输出参考电流d轴的直流分量idref。

（6）、对补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量分别进行电流的模糊PI控制处理后，使得系统稳定运行，获得此时输出量分别为STATCOM的电压控制量在dq坐标下的d轴分量Ud和q轴分量Uq，对Ud和Uq进行dq/abc变换，同时利用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，控制STATCOM的输出。

以上所述步骤（3）中对三相相电流进行电流处理模块，其具体方式为：

采集到的三相相电流，经过abc/dq变换后，将d轴的电流分量经过低通滤波器处理得到直流电流分量，再经过dq/abc变换后得到三相基波有功电流；将原采集到的三相相电流减去基波有功电流可得到三相电网需要补偿的电流，再经过abc/dq变换即可得到补偿电流的有功分量和无功分量。

本发明首先通过对连接点P处采集到的三相相电压和电流分别进行电压和电流模块处理，计算得到转换矩阵和系统所需补偿电流的d轴有功电流分量和q轴无功电流分量；同时对STATCOM直流侧电容电压和负载侧输入的电流分别进行控制和处理，进而计算出系统所需的有功和无功电流的参考值：将负载侧采集到的电流经过abc/dq变换和低通滤波器处理得到STATCOM参考电流q轴的直流分量iqref；利用模糊PI控制算法对电流的有功和无功分量进行电流的控制：在STATCOM的直流电容电压的电压比例积分（PI）环节输出作为参考电流的有功分量idref，从而可以对补偿电流的有功分量和无功分量分别进行电流的模糊PI控制，通过abc/dq变换得到STATCOM的三相输出补偿电流的指令值，进而通过SVPWM技术生成控制信号，控制STATCOM的输出。

具体而言，本发明具有以下效果：

（1）、拓展了传统的ip-iq无功电流检测方法，使检测结果不受三相电网电压不对称的影响，在电网电压发生不对称时，仍然使STATCOM的补偿电流具有准确的检测结果。

（2）、采用直接电流控制方法，使得逆变器输出电流的动态响应速度快；由于利用SVPWM技术生成控制信号控制STATCOM的输出，因此STATCOM直流电容电压的利用效率高，同时直流侧电容电压采用比例积分调节，又能保持其平衡和稳定。

下面对本发明的技术方案进行进一步分析：

图1所示为本发明所提的一种STATCOM电流跟踪补偿方法示意图，图2为STATCOM主电路原理示意图。

通常情况下，STATCOM与电网之间连接的电感器电阻远小于电抗，因此可忽略电感器的电阻，将电感器的电抗用XL等效。其中三相相电压和电流处理模块的原理分析如下：

本发明方法中，通过提取三相相电压中基波正序电压分量

、

、

为同步参考信号，对其进行Clark变换，可得αβ坐标下的正序电压

、

为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ U_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=C_{32}\left[\begin{array}{c}{U}_a^{+}\\ U_b^{+}\\ U_c^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\α}}^{+}+{\tilde{U}}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ {\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\β}}^{+}+{\tilde{U}}_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]$                  （式2）

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

此时需要对、进行低通滤波器处理，因为

、

除了含有系统正序电压分量

、外，还含有谐波正序分量

、

，经过处理后获得三相电网的正序基波电压分量。由基波正序电压的初相角与αβ坐标下基波正序电压分量的关系可获得一组与三相正序基波电压分量同频同相的正、余弦信号，从而得到变换矩阵 $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$ 。

$\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ωt}\\ \sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\α}}^{+}/\sqrt{{\left({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\\ -{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\β}}^{+}/\sqrt{{\left({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\end{array}\right]$                 （式3）

连接点处的三相输入电流ia、ib、ic经过abc/dq变换得到电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]={\mathrm{CC}}_{32}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ -\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$    （式4）

将d轴分量i_d经过一个低通滤波器即可输出基波直流量

，逆变换后得到三相基波有功电流（i_af、i_bf、i_cf），其关系式如式5。将原三相输入电流减去基波有功电流，得到STATCOM所需要的三相补偿电流。式4和式5中，C₃₂为C₂₃的转置矩阵。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{af}}\\ i_{\mathrm{bf}}\\ i_{\mathrm{cf}}\end{array}\right]=C_{23}{C}^{-1}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{i}}_p\\ 0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ -\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{i}}_p\\ 0\end{array}\right]$      （式5）

此时，将STATCOM所需要的三相补偿电流进行abc/dq变换即可获得d轴电流分量和q轴的电流分量。

负载侧的三相输入电流iLa、iLb、iLc经过abc/dq变换后得到电流的有功分量和无功分量：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Ld}}\\ i_{\mathrm{Lq}}\end{array}\right]={\mathrm{CC}}_{32}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{La}}\\ i_{\mathrm{Lb}}\\ i_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ -\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{La}}\\ i_{\mathrm{Lb}}\\ i_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]$      （式6）

断开有功分量iLd通道，将电流的无功分量iLq经过一个低通滤波器（LPF），即可输出作为STATCOM参考电流q轴的直流分量iqref。

将STATCOM直流电容电压反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出作为STATCOM输出参考电流d轴的直流分量idref。

利用模糊PI控制算法对电流的有功和无功分量进行电流的控制，结合SVPWM技术，进而控制STATCOM的输出。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种STATCOM电流跟踪补偿方法，其特征在于该方法的步骤为：

1）、采集公共连接点P处的三相相电压和三相相电流，负载侧的三相相电流以及STATCOM直流侧电容电压；

2）、依据采集到的P点三相相电压，通过提取三相基波正序电压作为同步参考信号进行Clark变换，利用基波正序电压的初相角与αβ坐标下基波正序电压分量的关系，计算出一组与三相正序基波电压分量同频同相的正、余弦信号，获得变换矩阵；

3）、对采集到的P点三相电流进行电流处理模块处理，获得系统需要的补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量；

4）、负载侧采集到的三相相电流经过abc/dq坐标变换后，断开d轴电流分量，对q轴电流分量进行低通滤波器处理，得到所需补偿电流的q轴直流参考信号iqref；

5）、将STATCOM直流侧电容电压的反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出作为STATCOM输出参考电流d轴的直流分量idref；

6）、对补偿电流的d轴有功分量和q轴无功分量分别进行电流的模糊PI控制处理，获得STATCOM的电压控制量在dq坐标下的d轴分量Ud和q轴分量Uq，对Ud和Uq进行dq/abc变换，利用电压空间矢量脉宽调制技术，控制STATCOM的输出。

2.按照权利要求1所述的STATCOM电流跟踪补偿方法，其特征在于：所述步骤（3）中对三相相电流进行电流处理模块，其具体方式为：

采集到的三相相电流，经过abc/dq变换后，将d轴的电流分量经过低通滤波器处理得到直流电流分量，再经过dq/abc变换后得到三相基波有功电流；将原采集到的三相相电流减去基波有功电流可得到三相电网需要补偿的电流，再经过abc/dq变换即可得到补偿电流的有功分量和无功分量。

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