CN103474984A - 风电场环境下级联statcom直流电容电压平衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

由于风能具有随机性和间歇性等特点，风电场并网环境下的级联STATCOM各模块直流侧电压波动更为明显。本发明通过分析有功功率均等分配原理，基于其直流侧电压主要靠从系统中吸收一定的有功功率来支撑，提出有功功率均等分配来控制其各模块直流侧电压的平衡，通过控制其交流侧吸收的有功功率来控制其直流侧电压的大小。利用分层协调控制实现级联STATCOM的有功无功调节，上层通过解耦实现总体控制，下层通过模块控制器实现有功功率均等分配控制。仿真和实验结果表明，该方法可以有效地稳定风电场环境下级联STATCOM直流侧电压，具有较高的工程实用价值。

Description

风电场环境下级联STATCOM直流电容电压平衡控制方法
技术领域
本发明旨在提供一种级联STATCOM的直流侧电容电压平衡控制方法，特别适合应用于风电场这种电压波动较为剧烈的环境下，响应速度快，平衡效果好。 
背景技术
级联STATCOM投入到风电场中可以有效地稳定风电场并网电压，提高风电场低电压穿越能力，具有非常广阔的应用前景。2007年第22期的《电工技术学报》中《用STATCOM提高风电场暂态电压稳定性》一文介绍了应用STATCOM技术可以改善风电场的电能质量和提高风电场稳定性。然而级联STATCOM各逆变桥直流侧电容相互独立，其直流侧电压难以平衡，特别在电压波动比较剧烈的风电场中，其直流侧电压的不平衡将更加严重，直接危及到装置安全稳定运行，故迫切需要对其直流侧电压进行平衡控制。2003年第23期的《中国电机工程学报》中《链式STATCOM的数学模型》一文指出逆变桥并联损耗、开关损耗以及开关器件触发脉冲的微小差异是造成稳态电容电压不平衡的主要原因。 
目前，已有一些文献针对级联STATCOM的直流侧电压均衡提出了相应的控制方法。2011年第26期的《电工技术学报》中《链式STATCOM直流电容电压分布式控制》一文利用分布式控制来均压，该方法在闭环控制下耦合性低，便于链节扩展。2004年第24期的《中国电机工程学报》中《基于链式逆变器的±50 Mvar静止同步补偿器的直流电压平衡控制》一文提出通过外部能量交换的直流电压平衡控制方法，该方法可以简化控制程序的算法，但需要额外的硬件电路和控制系统，无疑增加了系统的成本和复杂性。2004年第19期的《电工技术学报》中《大容量链式STATCOM 150Hz 优化PWM控制策略的研究》一文通过选择合适的冗余矢量均压，将直流侧电压高（低）的开关状态与直流侧电压降低（升高）的开关状态进行交换，改变电容的充放电时间，该方法易于实现，所需硬件资源少，但算法较为复杂。2009年第29期的《中国电机工程学报》中《链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制》一文提出通过叠加一个与电流同相位或者反相位的有功电压矢量来平衡直流侧电压，该方法在实用的同时又受到稳定工作区域的限制。 
发明内容
本文基于以上研究，提出有功功率均等分配来控制级联STATCOM直流侧电容电压平衡，特别适合在风电场这种电压波动比较剧烈的场合。仿真和实验结果表明，该方法可以有效地稳定风电场中级联STATCOM直流侧电压，响应速度快，控制特性好，输出电压的谐波含量少，便于模块化设计，具有较高的工程实用价值。 
有功功率均等分配原理：由于流经级联STATCOM各模块的电流为同一电流i，所以各模块吸收的有功功率大小为： 
                    
其中，u1,u2,...,uN为各模块交流侧输出电压，α为移相角。由式可知可以通过调节各模块交流侧输出电压大小或者移相角来改变各模块有功功率的大小。通过对比分析两种方法，本发明采用改变输出电压来改变各模块有功功率，该方法只改变其输出电压矢量的大小且不会改变其与电流的夹角，耦合性低，稳定性好。
又因为各逆变桥需要损耗一定的有功功率，故： 
Figure 246594DEST_PATH_637844DEST_PATH_IMAGE002
                
式中：Ps1,Ps2,...,PsN为各逆变桥的有功损耗，C1,C2,...,CN为各模块直流侧电容大小，udc1,udc2,...,udcN为各模块直流侧电容电压。为了保证各模块直流侧电压平衡，则需有ΔP1=ΔP2=...=ΔPN。由于各逆变桥的有功损耗基本不变，故可以通过调节各模块吸收的有功功率大小来改变相应直流侧电容电压的大小。
具体实施步骤如下： 
第一步，由于级联STATCOM各逆变桥需要消耗一定的有功功率，而且这种损耗基本是固定的但是各桥却不相同，故维持各模块直流侧电容电压所需要的有功功率ΔPi=Pi-Psi（i=1,2,…,N），Pi为第i个模块交流侧吸收的有功功率，Psi为第i个逆变桥的有功损耗；
第二步，为了保证各模块直流侧电容电压的稳定，需有各桥的ΔPi都相等假定为ΔP，则各桥交流侧吸收的有功功率Pi=ΔP+Psi，故通过计算可以得到各桥交流侧所需的有功电压大小u cdi （i=1,2,…,N）；
第三步，就单个模块而言，通过比较其直流侧电压与给定值，可以得到其交流侧实际的有功电压大小u di （i=1,2,…,N）；
第四步，通过比较u cdi 和u di 后得到各模块交流侧需要合成电压的有功分量Δu cdi （i=1,2,…,N）的大小，最后得出交流侧需要合成的电压Δu ci （i=1,2,…,N）的大小；具体控制框图见附图1。
仿真与实验结果分析：
利用matlab/simulink仿真软件搭建系统仿真模型，仿真参数：系统线电压为2000V，风电场出口电压为690V，电网频率为50Hz，并网电感为5mH，链节直流侧电容为2000uF，链节直流侧电压为250V，载波移相单级倍频为1000Hz，单相链节模块数为5个。
附图2和附图3为平衡前后A相直流侧电压波形。对比两图可以发现，加入有功功率均等分配控制后，其直流侧电容电压基本趋于一致，稳定在给定值250V左右。由此看出该控制方法可以有效地稳定级联STATCOM的直流侧电容电压，达到很好的平衡效果。 
附图4和附图5为平衡前后A相输出电压的频谱图，对比两图可以发现加入该平衡控制后，THD由1.16%减少到了0.13%。故该控制方法可以有效地减少输出电压的谐波含量，使得输出电压波形质量良好。 
附图6和附图7为风电场并网的出口电压波形，将电网电压分别由1.00pu跌落到0.90pu再恢复到1.00pu，由1.00pu上升到1.10pu再恢复到1.00pu。比较两图可以发现，加入该平衡控制方法可以有效提高级联STATCOM风电场出口电压稳定性的能力，保证风电场并网安全稳定运行。 
附图8和附图9为只有上层控制和加入该平衡控制两种情况下A相各模块直流侧电压实验波形。级联STATCOM每相采用3个H桥串联而成，主电路采用三角形连接，系统电压为220V，直流侧电容电压参考值为80V，控制系统为基于DSP F2812的STATCOM控制器，主要实现控制算法，产生脉冲触发信号等功能。可以看出，不加平衡控制时，A相各模块直流侧电压差异较为明显，最高电压为102V，最低电压为64 V，最大相差38 V，输出电压THD 为2.78%；加入平衡控制后，各模块直流侧电压基本趋于一致，最高电压为 102V，最低电压为99 V，最大相差仅为3V，输出电压THD仅为1.85%。实验证明了该发明提出的控制方法的有效性。 
本发明就级联STATCOM直流侧电压难以平衡问题，提出有功功率均等分配的控制方法来平衡其各桥直流侧的电容电压，该方法响应速度快，平衡效果好，特别适合应用于风电场这种波动比较明显的场合，保证风电场并网电压稳定性，提高风电场低电压穿越能力。理论分析和仿真结果表明：该方法可以有效地解决级联STATCOM直流侧电容电压的平衡问题，输出电压谐波含量少，具有较高的工程实用价值。 
附图说明：
图1  各模块直流电容电压控制框图
图2  分层协调控制框图
图3  只有上层控制时直流侧电容电压仿真波形图
图4  加入平衡控制后直流侧电容电压仿真波形图
图5  只有上层控制时A相输出电压仿真频谱图
图6  加入平衡控制后A相输出电压仿真频谱图
图7  只有上层控制时风电场并网出口电压仿真波形图
图8  加入平衡控制后风电场并网出口电压仿真波形图
图9  只有上层控制时直流侧电容电压实验波形图
图10  加入平衡控制后直流侧电容电压实验波形图。 

Claims (1)

1.本发明主要提出有功功率均等分配来平衡级联STATCOM直流电容电压，具体原理和做法如下：
第一步，由于级联STATCOM各逆变桥需要消耗一定的有功功率，而且这种损耗基本是固定的但是各桥却不相同，故维持各模块直流侧电容电压所需要的有功功率ΔPi=Pi-Psi（i=1,2,…,N），Pi为第i个模块交流侧吸收的有功功率，Psi为第i个逆变桥的有功损耗；
第二步，为了保证各模块直流侧电容电压的稳定，需有各桥的ΔPi都相等假定为ΔP，则各桥交流侧吸收的有功功率Pi=ΔP+Psi，故通过计算可以得到各桥交流侧所需的有功电压大小ucdi（i=1,2,…,N）；
第三步，就单个模块而言，通过比较其直流侧电压与给定值，可以得到其交流侧实际的有功电压大小udi（i=1,2,…,N）；
第四步，通过比较ucdi和udi后得到各模块交流侧需要合成电压的有功分量Δucdi（i=1,2,…,N）的大小，最后得出交流侧需要合成的电压Δuci（i=1,2,…,N）的大小；
具体控制框图如说明书附图1所示。 
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