CN103280820A - 链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法，从负载电流中提取正序无功基波电流和负序基波电流，加上从电网吸收的正序有功基波电流，得到参考输出电流。计算参考输出电流的幅值和相位信息，结合电网电压正序基波分量的幅值和相位信息得到注入各相输出电压的零序电压分量。参考输出电流和实际输出电流送入电流调节器得到参考输出电压的初始值，加上零序电压分量得到参考输出电压的基础值。将每相各链接单元的电容电压与该相均值电压送入电压平衡控制调节器，结合参考输出电流相位信息得到各链接单元的均压控制输出量，叠加到参考输出电压的基础值上得到各链接单元的最终调制波。利用载波移相PWM得到各链接单元的触发信号，驱动功率开关管动作。

Description

链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统动态无功补偿方法，特别涉及一种链式静止同步补偿器的直流侧电容电压平衡控制方法。

背景技术

静止同步补偿器(STATic synchronous COMpensator,STATCOM)是目前最先进的动态无功补偿装置，其工作原理是将基于全控型器件的自换相变流器通过变压器或电抗器与电网并联，通过调节变流器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接调节其交流侧电流，使之吸收或发出符合要求的无功功率，从而达到动态无功补偿的目的。静止同步补偿器（STATCOM）通常用在输配电系统中用以调节系统电压以保持电压稳定、控制无功潮流从而增加输送能力、以及加强对系统低频振荡的阻尼进而提高系统稳定性等。

目前世界上实际投入运行的高压大功率静止同步补偿器主要有三种拓扑结构：1).基于多重化变压器和两电平变流器的结构，2).基于多重化变压器和三电平变流器的结构，3).基于级联H桥的结构，即链式静止同步补偿器（链式STATCOM）。第一种拓扑具有结构简单控制容易等特点，但其中的多重化变压器具有体积庞大、价格昂贵、损耗较高等缺陷；第二种拓扑相对于第一种能够获得更高的电压更大的容量，但是由于其同样使用变压器因此具有跟第一种拓扑相同的问题，同时三电平变流器存在内外管损耗不一致以及均压控制等问题；基于H桥级联型多电平变流器的链式静止同步补偿器于1995年由F.Z.Peng等人在“AMultilevel Voltage Source Inverter with Separate DC source for Static VAR Generation(IEEE-IAS’95,Conf.,pp:2541-2548)”文中提出，该拓扑通过将多个结构相同的链接单元串联以实现耐高压能力因此易于扩容且可以省略输入变压器、另外由于链接单元结构一致因此具有易于模块化规模生产等优势，目前在中高压无功补偿领域得到了广泛应用。

由于基于H桥级联型多电平变流器的链式静止同步补偿器中各链接单元的电容相互独立，各链接单元电路分布参数的差异、各功率器件开关特性及导通特性的不一致、以及触发控制信号的微小差异等因素都会引起电容电压的不平衡。电容电压不平衡一方面会导致各链接单元承受电压不一致危及装置安全；另一方面会影响变流器输出电压波形质量降低变流器输出性能，可见各链接单元直流侧电容电压平衡是链式静止同步补偿器可靠运行的关键。因此为了成功应用链式静止同步补偿器，必须采取合理有效的直流侧电容电压平衡控制方法。

CN1461088和CN1514525通过附加的外部设备使H桥级联型多电平变流器直接与电网进行有功功率交换，从而实现直流侧电容电压的平衡控制，这类均压方法需要附加额外的硬件设备及相应控制，增加了拓扑结构复杂度、系统体积及装置成本。另有CN102684204A和CN1933274均未采用附加外部设备对直流侧电容电压进行平衡控制，前者仅对偏离参考电压最大的链接单元进行电压调节，实质上属于开环控制；后者虽然属于闭环控制但其对电容电压的调节仅基于比例控制，且调节量与电容参数和控制周期有关容易受系统参数变化影响。美国发明专利US6075350没有采用附加设备，其通过调节每个链接单元的触发角控制直流侧电容电压平衡，它是基于脉冲周期轮换原理，使平均意义上每个链接单元吸收的平均功率以及等效损耗基本相同，属于开环控制。另外还有Hossein Iman-Eini,Jean-Luc Schanen等人在“A Modular Strategy for Control and Voltage Balancing of Cascaded H-Bridge Rectifiers.(IEEETransactions on Power Electronics,vol.23,no.5,pp.2428-2442,2008)”文中提出了基于电容电压排序的直流侧电容电压控制方法等，其本质也属于直流侧电容电压开环控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制技术存在的问题：比如需要额外附加设备、电容电压平衡开环控制、仅适用于补偿平衡系统等，针对以H桥级联型多电平变流器为主电路的链式静止同步补偿器,为其提供一种直流侧电容电压的闭环平衡控制方法。本发明无需额外附加设备、适用于平衡及不平衡系统、且满足动态无功补偿需要。

本发明针对的基于H桥级联型多电平变流器的链式静止同步补偿器（链式STATCOM）,每相包含相互串联的n个链接单元、每个链接单元均由全桥电路和电容器C_i构成，串联后的链接单元通过电抗器L_x并联接入电网，其中x=a,b,c,i=1,2,…,n，n为级联H桥链接单元个数，其取值由电网电压及链接单元耐压水平决定。

本发明的直流侧电容电压平衡控制方法是采用下述技术方案实现的：

1.从检测到的电网电压中获取电网电压正序基波分量的幅值信息和相位信息，然后利用电网电压正序基波分量的相位信息从检测到的三相负载电流中提取正序无功基波电流以及负序基波电流；

2.将总母线电压参考值与链式静止同步补偿器中每相所有链接单元电容电压之和作比较，将其差值送入链式静止同步补偿器控制器中的总电压调节器，然后将电压调节器的输出分别乘以电网电压正序基波分量相位信息的余弦值得到链式静止同步补偿器需要从电网吸收的正序有功基波电流；

3.将所述的正序无功基波电流和所述的正序有功基波电流相加，得到正序基波电流，正序基波电流加上所述的负序基波电流，得到链式静止同步补偿器的参考输出电流。同时利用正序基波电流和负序基波电流得到链式静止同步补偿器参考输出电流的幅值信息和相位信息。

4.利用链式静止同步补偿器参考输出电流的幅值信息和相位信息，再结合电网电压正序基波分量的幅值信息和相位信息，得到链式静止同步补偿器各相输出电压中应注入的零序电压分量，以保证补偿不平衡负载时各母线电压仍稳定在给定值。

5.将链式静止同步补偿器参考输出电流与实际输出电流做比较，然后将其差值送入所述控制器中的电流调节器，得到未考虑电容电压平衡控制时链式静止同步补偿器参考输出电压的初始值，然后将该参考输出电压的初始值加上零序电压分量便可获得参考输出电压的基础值。

6.将链式静止同步补偿器中各链接单元电容电压分别与其所在相的三相均值电压作比较，将其差值分别送往所述控制器中的电压平衡控制调节器，然后将电压平衡控制调节器的输出分别乘以参考输出电流相位信息的余弦值得到链式静止同步补偿器中各链接单元的均压控制输出量，然后将该均压控制输出量叠加到参考输出电压的基础值上，便可得到链式静止同步补偿器各链接单元的最终调制波，以此最终调制波控制各链接单元电容的充电和放电；最后利用载波移相PWM得到各链接单元的触发信号驱动功率开关管动作，实现均压控制。

与现有技术相比，本发明提供的直流侧电容电压平衡控制方法具有以下优点：

1.本发明对各链接单元直流侧电容电压实行闭环平衡控制，且不依赖于系统参数。本发明将各链接单元电压与其所在相的均值电压进行比较并对其差值进行闭环调节，直接利用该相参考输出电流相位信息得到各链接单元的均压控制量，思路清晰明确，直接有效。

2.本发明既适用于补偿平衡负载的系统又适用于补偿不平衡负载的系统，且能够自动适应补偿平衡负载和不平衡负载的工况，无论补偿哪种负载，本发明均能保证各链接单元直流侧电容电压的平衡。

3.本发明采用了一种快速有效的获取参考输出电流幅值信息和相位信息的方法，具有快速的电容电压平衡调节速度。

4.本发明无需额外附加设备就可以保证各链接单元直流侧电容电压的平衡，减少了装置的体积和投入成本，提高了系统效率及可靠性。

附图说明

图1链式静止同步补偿器主电路及其控制原理图；

图2基于H桥级联型多电平变流器的链式静止同步补偿器的拓扑结构图；

图3链式静止同步补偿器的单个链接单元的结构图；

图4本发明负载电流中的正序无功基波分量及负序基波分量提取的原理图；

图5本发明正序有功基波电流生成环节的原理图；

图6本发明链式静止同步补偿器参考输出电流生成环节的原理图；

图7本发明链式静止同步补偿器参考输出电流幅值和相位提取的原理图；

图8本发明获取注入各相输出电压中零序电压分量的原理图；

图9本发明电流控制的原理图；

图10本发明链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制的控制框图；

图11本发明链式静止同步补偿器参考输出电压及调制环节的原理图；

图1210kV/±1Mvar链式静止同步补偿器直流侧电容电压的试验波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明链式静止同步补偿器（链式STATCOM）直流侧电容电压平衡的方法，也可用于其他基于H桥级联型多电平变流器的电力电子设备直流侧电容电压的平衡控制。

图1是链式静止同步补偿器主电路及其控制原理图。如图1所示，链式静止同步补偿器由H桥级联型多电平变流器1和电抗器2构成。变流器1与电抗器2串联后并联接入电网。链式静止同步补偿器的控制器5的输入端与链式静止同步补偿器的检测仪器，如霍尔型电压电流传感器的输出端相连，控制器5的输出端通过光纤或双绞线与链接单元的门极驱动电路相连。控制器5通过检测电网电压、直流侧各电容电压、负载电流以及链式静止同步补偿器的输出电流等信号，得到H桥级联型多电平变流器1中各个功率开关器件的触发信号，去驱动各个功率器件，从而使链式静止同步补偿器输出期望的电流，对负载或电网系统进行无功补偿，同时保证链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡且稳定在给定值。其中u_sa、u_sb、u_sc分别为a、b、c三相电网电压；i_sa、i_sb、i_sc分别为三相电网电流；i_fa、i_fb、i_fc分别为H桥级联型多电平变流器的三相实际输出电流；i_La、i_Lb、i_Lc分别为三相负载电流。图1中的k代表三相a、b、c，i代表第i个链接单元，i=1,2,…,n，n为H桥级联型多电平变流器的级联个数。U_dcr表示总母线电压给定值；U_dca、U_dcb、U_dcc分别表示a、b、c三相总母线电压，u_sab、u_sbc分别代表电网ab相及bc相线电压；U_sm代表电网正序基波电压的幅值，θ_k代表电网k相正序有功基波电压的相位；i_{p_pk}代表k相正序有功基波电流，i_{p_qk}代表k相正序无功基波电流，i_{n_k}代表k相负序基波电流，i_{p_k}代表k相正序基波电流，i_rk代表k相参考输出电流，I_rk代表k相参考输出电流的幅值，

代表k相参考输出电流的相位；U_dckavg代表k相各链接单元参考电压值，U_dcai代表a相各链接单元实际电压值，U_dcbi代表b相各链接单元实际电压值，U_dcci代表c相各链接单元实际电压值；u₀代表需要注入的零序电压分量，u_{r_a}，u_{r_b}，u_{r_c}分别代表链式静止同步补偿器参考输出电压的初始值，u_{r_ai}，u_{r_bi}，u_{r_ci}分别代表链式静止同步补偿器各链接单元的均压控制输出量，u_rai，u_rbi，u_rci分别代表链式静止同步补偿器各链接单元的最终调制波信号。

基于H桥级联型多电平变流器的链式静止同步补偿器的拓扑结构如图2所示，每相包含相互串联的n个链接单元、每个链接单元都由全桥电路和电容器C_i构成，串联后的链接单元通过电抗器L_x并联接入电网，其中x=a,b,c,i=1,2,…,n，n为H桥级联型多电平变流器的链接单元个数，其取值由电网电压及链接单元耐压水平决定。H桥级联型多电平变流器的主电路包含三相桥臂，分别由H桥链接单元U_a1、U_a2、…、U_an，U_b1、U_b2、…、U_bn，U_c1、U_c2、…、U_cn依次串联链接构成，三相桥臂采用星型连接。其中U_dca1、U_dca2、…、U_dcan，U_dcb1、U_dcb2、…、U_dcbn，U_dcc1、U_dcc2、…、U_dcdn分别为H桥级联型多电平变流器a、b、c三相的第1个链接单元、第2个链接单元、…、第n个链接单元的直流侧电容电压；G_a11、G_a12、G_a12、G_a12为链接单元U_a1的门极驱动信号。

图3所示为链接单元的结构图，所述的链接单元由全桥电路和电容器构成，电容器C并联在全桥电路的直流母线两端，全桥电路由四个功率开关器件G₁、G₂、G₃、G₄及二极管D₁、D₂、D₃、D₄构成，其中二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别反并联在功率开关器件G₁、G₂、G₃、G₄的两端，其中电容器C没有附加电压平衡设备。

本发明提供的链式静止同步补偿器的直流侧电容电压平衡控制方法包括以下步骤：

1.从链式静止同步补偿器的检测仪器检测得到的电网电压U_sab、U_sbc中获取电网电压正序基波分量u_{p_a}、u_{p_b}、u_{p_c}的幅值信息U_pm和相位信息θ_a、θ_b、θ_c，然后利用电网电压正序基波分量的相位信息θ_a、θ_b、θ_c，从检测到的三相负载电流i_La,i_Lb,i_Lc中提取正序无功基波电流i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}以及负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}。

图4所示是本发明采用的负载电流中正序无功基波电流及负序基波电流的提取方法，如图4所示，提取的步骤如下：

1）将电网电压u_sab、u_sbc送入图4中链式静止同步补偿器控制器5的锁相环PLL中，得到电网电压的同步信号θ_a，求得如式(1)和式(2)所示的正序旋转坐标变换矩阵P_abc-dq和负序旋转坐标变换矩阵N_abc-dq：

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& \cos ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos (-{\mathrm{\θ}}_a)& \cos ({-\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& \cos (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(2\right)$

2）三相负载电流i_La,i_Lb,i_Lc分别经过变换矩阵P_abc-dq和变换矩阵N_abc-dq后，得到含有交叉耦合分量的正序有功电流i_LPdac及正序无功电流i_LPqac，以及含有交叉耦合分量的负序有功电流i_LNdac和负序无功电流i_LNqac；

3）然后将含有交叉耦合分量的正序有功电流i_LPdac、正序无功电流i_LPqac、负序有功电流i_LNdac、负序无功电流i_LNqac分别送入链式静止同步补偿器的控制器5的交叉解耦处理单元得到不含交叉耦合分量的正序有功电流i_LPd和正序无功电流i_LPq，以及不含交叉耦合分量的负序有功电流i_LNd和负序无功电流i_LNq；

4）将不含交叉耦合分量的正序有功电流i_LPd和正序无功电流i_LPq，以及不含交叉耦合分量的负序有功电流i_LNd及负序无功电流i_LNq分别送入控制器5中的低通滤波器LPF中，得到正序有功电流的直流分量

正序无功电流的直流分量

负序有功电流的直流分量

和负序无功电流的直流分量

5）、最后分别将正序无功电流的直流分量

和0，以及负序有功电流的直流分量

和负序有功无功电流的直流分量分别送入变换矩阵

和变换矩阵

中获得负载电流的正序无功基波分量i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}和负序基波分量i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c。}其中变换矩阵

和变换矩阵

分别是正序旋转坐标变换矩阵P_abc-dq负序旋转坐标变换矩阵N_abc-dq的逆矩阵，其表达式分别如式(3)和式(4)所示：

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$N_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos (-{\mathrm{\θ}}_a)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a)\\ \cos ({-\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(4\right)$

2.为了使链式静止同步补偿器正常运行，必须保证H桥级联型多电平变流器各相总电压稳定在总母线电压给定值。检测各链接单元直流侧电容电压，将总母线电压参考值与每相所有链接单元电容电压之和作比较，并将其差值送入所述控制器5中的总电压调节器，该总电压调节器可采用PI调节器。然后将电压调节器的输出分别乘以电网电压正序基波分量相位信息θ_a、θ_b、θ_c的余弦值cos(θ_a)、cos(θ_b)和cos(θ_c)得到链式静止同步补偿器需要从电网吸收的正序有功基波电流i_{p_pa}、i_{p_pb}、i_{p_pc}，其具体步骤如图5所示：

1）、将a、b、c三相各链接单元的电容电压相加，得到各相的总母线电压值U_dca、U_dcb、U_dcc，然后将各相的总母线电压值U_dca、U_dcb、U_dcc分别与总电压给定值U_dcr作比较，并将其差值分别送入控制器5中的总电压调节器G₁(s)，该总电压调节器可采用PI调节器，然后得到三相正序基波有功电流的幅值I_ppam,I_ppbm和I_ppcm；

2）、利用锁相环得到电网电压正序基波分量的相位信息θ_a、θ_b、θ_c，然后对该相位信息进行余弦运算处理，得到与电网电压正序基波分量同相位的余弦值cos(θ_a)、cos(θ_b)和cos(θ_c)；

3）、将正序基波有功电流的幅值I_ppam,I_ppbm和I_ppcm分别与上述的余弦值cos(θ_a)、cos(θ_b)和cos(θ_c)相乘，得到链式静止同步补偿器需要从电网吸收的正序有功基波电流i_{p_pa}、i_{p_pb}、i_{p_pc}。

3.将所述的正序无功基波电流和步骤2得到的正序有功基波电流相加，得到正序基波电流，正序基波电流加上所述的负序基波电流，得到链式静止同步补偿器的参考输出电流。同时利用正序基波电流和负序基波电流得到链式静止同步补偿器参考输出电流的幅值信息和相位信息。其实现过程主要包括以下两个步骤：

首先获取链式静止同步补偿器的参考输出电流，其步骤如图6所示：

1）、将上述步骤2获得的正序有功基波电流i_{p_pa}、i_{p_pb}、i_{p_pc}分别和由负载电流中提取的正序无功基波电流i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}相加得到正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}；

2）、然后将正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}加上负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}，便得到链式静止同步补偿器的参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc。

其次获取参考输出电流的幅值信息和相位信息，其具体步骤如图7所示：

1）、首先将三相正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}和三相负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}分别送入如式（5）所示的3/2静止坐标变换矩阵C_abc-αβ，得到两相静止坐标系下的正序基波电流i_pα、i_pβ和负序基波电流i_nα、i_nβ；

$C_{\mathrm{abc}-\mathrm{\α\β}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]---\left(5\right)$

2）、然后分别对正序基波电流i_pα、i_pβ和负序基波电流i_nα、i_nβ进行如式（6）和式（7）所示的幅值和相角计算，得到正序基波电流的幅值i_pm和相角i_pδ，以及负序基波电流的幅值i_nm和相角i_nδ；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pm}}=\sqrt{i_{\mathrm{p\α}}^2+i_{\mathrm{p\β}}^2}\\ i_{\mathrm{p\δ}}=\arctan \frac{i_{\mathrm{p\β}}}{i_{\mathrm{p\α}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{nm}}=\sqrt{i_{\mathrm{n\α}}^2+i_{\mathrm{n\β}}^2}\\ i_{\mathrm{n\δ}}=\arctan \frac{i_{\mathrm{n\β}}}{i_{\mathrm{n\α}}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

3）、最后利用上述的i_pm、i_pδ和i_nm、i_nδ便可计算出链式静止同步补偿器参考输出电流i_ra,i_rb,i_rc的幅值信息I_ra、I_rb、I_rc和相位信息

4.利用链式静止同步补偿器参考输出电流的幅值信息和相位信息，再结合电网电压正序基波分量的幅值信息和相位信息，得到链式静止同步补偿器各相输出电压中应注入的零序电压分量。如图8所示，其具体实现步骤如下：

1）、首先利用链式静止同步补偿器参考输出电流的相位信息

和电网电压正序基波分量u_{p_a}、u_{p_b}、u_{p_c}的相位信息θ_a、θ_b、θ_c，计算出零序电压分量u₀的相位信息

其计算公式如式（8）所示：

2）、然后结合已经求得的零序电压u₀的相位信息

便可获得零序电压分量u₀的幅值信息U₀，其中U_sm代表电网电压正序基波分量的幅值：

3）、利用零序电压分量u₀的幅值信息U₀和相位信息

便可利用公式（10）获得需要注入的零序电压分量u₀的值：

5.将链式静止同步补偿器参考输出电流与实际输出电流做比较，然后将其差值送入所述控制器中的电流调节器，得到未考虑电容电压平衡控制时链式静止同步补偿器参考输出电压的初始值，然后将该参考输出电压的初始值加上零序电压分量便可获得参考输出电压的基础值。其实现过程如下：

1）首先执行如图9所示的电流控制环节，将链式静止同步补偿器的参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc分别与实际输出电流i_fa、i_fb、i_fc做比较，然后将其差值送入控制器5中的电流调节器G₂(s)，得到未考虑链接单元电压平衡控制时链式静止同步补偿器参考输出电压的初始值u_{r_a}、u_{r_b}、u_{r_c}。该步骤保证了链式静止同步补偿器实际输出电流i_fa、i_fb、i_fc能够无误差地跟踪参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc，同时也保证了总母线电压的稳定；

2）将参考输出电压的初始值u_{r_a}、u_{r_b}、u_{r_c}加上上述需要注入的零序电压分量u₀得到参考输出电压的基础值u_{r_a0}、u_{r_b0}、u_{r_c0}。

6.将链式静止同步补偿器中各链接单元电容电压U_dca1、U_dca2、…、U_dcan，U_dcb1、U_dcb2、…、U_dcbn，U_dcc1、U_dcc2、…、U_dcdn分别与其所在相的三相均值电压U_dcaavg、U_dcbavg、U_dccavg作比较，将其差值分别送往各链接单元的电压平衡控制调节器，然后将电压平衡控制调节器的输出分别乘以参考输出电流相位信息

的余弦值

得到各链接单元均压控制输出量u_{r_a1},u_{r_a2},…,u_{r_an},u_{r_b1},u_{r_b2},…,u_{r_bn},u_{r_c1},u_{r_c2},…,u_{r_cn}，然后将其叠加到参考输出电压的基础值u_{r_a0}、u_{r_b0}、u_{r_c0}上便可得到链式静止同步补偿器各链接单元的最终调制波u_ra1,u_ra2,…,u_ran,u_rb1,u_rb2,…,u_rbn,u_rc1,u_rc2,…,u_rcn，以此最终调制波控制各链接单元电容的充电和放电；最后利用载波移相PWM得到各链接单元的触发信号驱动功率开关管动作，实现均压控制。

以下结合图10以a相电容电压平衡控制为例进行详细说明，如图10所示，a相电容电压平衡的控制步骤为：

1）、将a相各链接单元电容电压U_dca1、U_dca2、…、U_dcan分别与a相均值电压U_dcaavg进行比较，均值电压的计算如式(11)所示，然后将其差值送入电压平衡控制调节器G₃(s)，便可得到均压控制输出量的幅值U_{r_a1}、U_{r_a2}、…、U_{r_an}；

$U_{\mathrm{dcaavg}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{dcai}}---\left(11\right)$

2）、将均压控制输出量的幅值U_{r_a1}、U_{r_a2}、…、U_{r_an}与参考输出电流相位角

的余弦值

相乘便可得出a相各链接单元均压控制输出量u_{r_a1},u_{r_a2},…,u_{r_an}；

3）、最后将a相各链接单元均压控制输出量u_{r_a1},u_{r_a2},…,u_{r_an}分别叠加到该相参考输出电压的基础值u_{r_a0}上，便可得到a相链式静止同步补偿器各链接单元的最终调制波信号u_ra1,u_ra2,…,u_ran；

4）、以和a相一样的步骤，分别对b相和c相链式静止同步补偿器各链接单元执行均压控制，最终得到链式静止同步补偿器abc三相各链接单元的最终调制波u_ra1,u_ra2,…,u_ran,u_rb1,u_rb2,…,u_rbn,u_rc1,u_rc2,…,u_rcn。

7.最后如图11所示，对链式静止同步补偿器各链接单元的最终调制波信号u_ra1,u_ra2,…,u_ran,u_rb1,u_rb2,…,u_rbn,u_rc1,u_rc2,…,u_rcn进行载波移相PWM调制，产生驱动脉冲信号，控制功率开关管动作，以此控制各链接单元电容的充电和放电，从而保证各链接单元直流侧电容电压的均衡，达到均压控制目的。

图12为本发明在10kV/±1Mvar链式静止同步补偿器中直流侧电容电压的现场试验波形，在该系统中输入电压10kV、装置容量±1Mvar，六级级联、每个链接单元电压设定在1800V。由图12可见采用本发明的电容电压平衡控制方法后，各链接单元的电容电压能够被稳定控制在1800V，证明本发明的均压控制方法是有效的。

Claims (3)

1.一种链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）从检测得到的电网电压中获取电网电压正序基波分量u_{p_a}、u_{p_b}、u_{p_c}的幅值信息U_pm和相位信息θ_a、θ_b、θ_c，利用电网电压正序基波分量的相位信息θ_a、θ_b、θ_c，从检测得到的三相负载电流i_La,i_Lb,i_Lc中提取正序无功基波电流i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}以及负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}；

（2）将总母线电压参考值与链式静止同步补偿器中每相所有链接单元电容电压之和作比较，将其差值送入链式静止同步补偿器控制器（5）中的总电压调节器，再将总电压调节器的输出分别乘以电网电压正序基波分量相位信息θ_a、θ_b、θ_c的余弦值cos(θ_a)、cos(θ_b)、cos(θ_c)，得到链式静止同步补偿器需要从电网吸收的正序有功基波电流i_{p_pa}、i_{p_pb}、i_{p_pc}；

（3）将所述的正序无功基波电流i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}和所述的正序有功基波电流i_{p_pa}、i_{p_pb}、i_{p_pc}相加，得到正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}，再将正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}加上负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}，得到链式静止同步补偿器的参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc。同时利用正序基波电流i_{p_a}、i_{p_b}、i_{p_c}和负序基波电流i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}得到链式静止同步补偿器参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc的幅值信息I_ra、I_rb、I_rc和相位信息

（4）利用链式静止同步补偿器参考输出电流的幅值I_ra、I_rb、I_rc和相位信息

再结合电网电压正序基波分量u_{p_a}、u_{p_b}、u_{p_c}的幅值U_pm和相位信息θ_a、θ_b、θ_c，得到链式静止同步补偿器各相输出电压中应注入的零序电压分量u₀，以保证补偿不平衡负载时各母线电压仍稳定在给定值；

（5）将链式静止同步补偿器的参考输出电流i_ra、i_rb、i_rc与实际输出电流i_fa、i_fb、i_fc做比较，并将两者的差值送入链式静止同步补偿器控制器（5）中的电流调节器，得到未考虑电容电压平衡控制时链式静止同步补偿器参考输出电压的初始值u_{r_a}、u_{r_b}、u_{r_c}，然后将该参考输出电压的初始值u_{r_a}、u_{r_b}、u_{r_c}分别加上零序电压分量u₀，获得参考输出电压的基础值u_{r_a0}、u_{r_b0}、u_{r_c0}；

（6）将链式静止同步补偿器中各链接单元电容电压U_dca1、U_dca2、…、U_dcan，U_dcb1、U_dcb2、…、U_dcbn，U_dcc1、U_dcc2、…、U_dcdn分别与其所在相的均值电压U_dcaavg、U_dcbavg、U_dccavg作比较，将其差值分别送往链式静止同步补偿器控制器（5）中的电压平衡控制调节器，然后将电压平衡控制调节器的输出分别乘以参考输出电流相位信息

的余弦值

得到链式静止同步补偿器中各链接单元的均压控制输出量u_{r_a1},u_{r_a2},…,u_{r_an},u_{r_b1},u_{r_b2},…,u_{r_bn},u_{r_c1},u_{r_c2},…,u_{r_cn}，然后将所述的均压控制输出量叠加到参考输出电压的基础值u_{r_a0}、u_{r_b0}、u_{r_c0}上便得到链式静止同步补偿器中各链接单元的最终调制波u_ra1,u_ra2,…,u_ran,u_rb1,u_rb2,…,u_rbn,u_rc1,u_rc2,…,u_rcn，以此最终调制波控制各链接单元电容的充电和放电；最后利用载波移相PWM得到各链接单元的触发信号驱动功率开关管动作实现均压控制。

2.根据权利要求1所述的链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法，其特征在于所述步骤（1）中，从三相负载电流i_La,i_Lb,i_Lc中提取正序无功基波电流及负序基波电流的步骤如下：

（1）将电网电压u_sab、u_sbc送入锁相环（PLL），得到电网电压的同步信号θ_a，求得公式（1）所示的正序旋转坐标变换矩阵P_abc-dq和公式（2）所示的负序旋转坐标变换矩阵N_abc-dq：

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& \cos ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos (-{\mathrm{\θ}}_a)& \cos ({-\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& \cos (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(2\right)$

（2）三相负载电流i_La,i_Lb,i_Lc分别经过正序旋转坐标变换矩阵P_abc-dq和负序旋转坐标变换矩阵N_abc-dq后，得到含有交叉耦合分量的正序有功电流i_LPdac及正序无功电流i_LPqac，以及含有交叉耦合分量的负序有功电流i_LNdac和负序无功电流i_LNqac；

（3）然后将含有交叉耦合分量的正序有功电流i_LPdac、正序无功电流i_LPqac、负序有功电流i_LNdac、负序无功电流i_LNqac分别送入链式静止同步补偿器控制器（5）中的交叉解耦处理单元，得到不含交叉耦合分量的正序有功电流i_LPd,和正序无功电流i_LPq，以及不含交叉耦合分量的负序有功电流i_LNd,及负序无功电流i_LNq；

（4）将不含交叉耦合分量的正序有功电流i_LPd,和无功电流i_LPq，以及不含交叉耦合分量的负序有功电流i_LNd及负序无功电流i_LNq分别送入链式静止同步补偿器控制器（5）中的低通滤波器LPF滤除电流中的低次谐波，得到正序有功电流的直流分量

正序无功电流的直流分量

以及负序有功电流的直流分量

和负序无功电流的直流分量

（5）最后分别将正序无功电流的直流分量

和负序有功电流的直流分量

负序无功能电流的直流分量

分别送入公式（3）正序旋转坐标变换矩阵的逆矩阵

和公式（4）负序旋转坐标变换矩阵的逆矩阵

中，获得负载电流的正序无功基波分量i_{p_qa}、i_{p_qb}、i_{p_qc}和负序基波分量i_{n_a}、i_{n_b}、i_{n_c}；

$P_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_a\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$N_{\mathrm{abc}-\mathrm{dq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos (-{\mathrm{\θ}}_a)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a)\\ \cos ({-\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)& -\sin (-{\mathrm{\θ}}_a+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(4\right).$

3.根据权利要求1所述的链式静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制方法，其特征在于所述步骤（5）中，向链式静止同步补偿器各相输出电压中注入的零序电压分量u₀的步骤如下：

（1）首先利用链式静止同步补偿器参考输出电流的相位信息

和电网电压正序基波分量u_{p_a}、u_{p_b}、u_{p_c}的相位信息θ_a、θ_b、θ_c，计算出零序电压分量u₀的相位信息其计算公式如下：

（2）结合已经求得的零序电压分量u₀的相位信息

并利用电网电压基波分量的幅值U_sm，便获得如公式（6）所示的零序电压分量u₀的幅值信息U₀：

（3）利用零序电压分量u₀的幅值信息U₀和相位信息

便可利用公式（7）获得需要注入的零序电压分量u₀：

Images