CN103475007A - 一种级联型statcom装置的自动均压结构及控制方法 - Google Patents

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肖湘宁
郭春林
杨琳
张剑
罗超
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Abstract

本发明公开了电力系统动态无功补偿领域的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，技术方案是，为级联STATCOM装置配置一个直流电源，各H桥模块的直流电容通过全控型开关与电源两端相连。当均压全控开关导通时，自动均压。为避免电源短路，使尽量多的H桥模块获得均压机会，将上层控制及PWM调制得到的开关信号在保证总输出电压相等的前提下进行等效，重新设置各H桥的输出状态，生成各H桥全控开关及均压开关的触发信号。本发明提出自动均压结构及控制方法，只需配置一个直流电源，无需对电容电压进行测量和采样，成本低，均压可靠，且不影响上层控制和输出特性。各开关动作次数相同且频率低，有利于提高装置寿命，降低损耗。

Description

一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法
技术领域
本发明属于电力系统动态无功补偿领域,具体涉及一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法。
背景技术
静止同步补偿器STATCOM(Static Synchronous Compensator)是采用全控型开关器件组成的逆变器，与其他的FACTS装置(如SVC)相比，具有响应速度快，运行范围宽等优点。为了减小谐波、提高容量，通常需采用多重化、多电平等技术。通过变压器耦合实现多重化的STATCOM装置会大大增加系统的体积和成本，且损耗较大。而采用H桥级联(“链式结构”)的STATCOM中各个H桥模块相互独立，结构简单，损耗低，在无功补偿领域得到了广泛应用。
理想情况下，H桥级联的STATCOM与系统之间只进行无功交换，无有功交换，直流电容仅起一个电压支撑的作用。但实际的STACOM装置总是存在损耗的，由于各H桥模块的损耗不同，加上触发信号的延迟，会使得各级联模块直流电容上的电压不平衡。特别是当级联STATCOM装置用作风电场的无功补偿时，由于风电的波动性和间歇性，直流电容电压的波动更大。直流电容电压的不平衡，会导致STATCOM装置产生的谐波量增大，调制出来的目标波形失真，所以需采取措施实现各H桥模块的快速均压。
STATCOM装置的均压方法总结起来可以分为两类：一类是增加附加的均压装置；另一类是在STATCOM无功补偿控制器中，增加均压控制环节。后者需要对每个H桥模块的直流电容电压进行采样，当级联的H桥个数较多时，需要采样的电气量的数目也较多，会影响STATCOM装置的响应速度和上层的无功补偿控制。并且，在均压控制环节中，每个模块的直流电容电压都通过PI控制器来实现对参考值的跟踪，参数整定繁琐。第一类均压方法，常用的措施是在每个H桥模块的直流电容两端接独立电源或者接辅助逆变器经隔离变压器与公共交流母线相连。这类方法电容电压的平衡可通过电路自动实现，无需测量各直流电容电压，也无需外部控制，可实现可靠均压，对STATCOM无功补偿控制不产生影响，所以在实际工程中应用较多。但由于增加了多个电源或逆变器、变压器，装置的成本增加。且由于STATCOM消耗的有功较少，所以各电源的利用率低。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种更为简单、经济并且可靠的级联型STATCOM装置自动均压结构及控制方法，解决目前采用附加均压装置的高成本及低利用率的问题，起到快速、可靠均压的作用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现。
级联STATCOM装置配置一个直流电源，每个H桥模块的直流电容分别通过全控型开关器件(如IGBT等)与电源两端相连。当全控型开关导通时，直流电源并接在直流电容两端。当电容电压高于直流电源电压时，电容对电源放电；否则，电源对电容充电。充放电过程一直持续，直到电源和电容两端电压达到平衡或者均压开关关断。
级联STATCOM装置新型均压结构的控制方法包括下列步骤：
步骤1：确定各H桥状态；
步骤2：确定输出电压大小；
步骤3：设定参考模块；
步骤4：设定各H桥模块的输出状态；
步骤5：生成H桥开关触发信号；
步骤6：生成均压开关触发信号。
所述的独立电源，可以是储能电池，也可以是外部母线上的交流电经逆变器转换成的直流电源。
所述的确定各H桥状态，其方法是，获取由上层控制及PWM调制得到的各H桥模块开关信号，开关信号不直接用于触发。                                                
Figure 982427DEST_PATH_IMAGE001
分别为第i个H桥模块的四个全控型开关器件i1、i2、i3、i4的开关触发信号。当
Figure 480404DEST_PATH_IMAGE002
时，H桥处于“0”状态；当
Figure 579947DEST_PATH_IMAGE003
时，H桥处于“+1”状态；当
Figure 950492DEST_PATH_IMAGE004
时，H桥处于“-1”状态。i表示H桥的编号，i1、i2、i3、i4所处的位置如图1所示。操作符“&”表示位与；操作符“|”表示位或。
所述的确定输出电压大小，其方法是，对各H桥输出电压求和，即：输出电压
Figure 832998DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 123165DEST_PATH_IMAGE006
为整数，
Figure 65713DEST_PATH_IMAGE007
为第i个H桥模块的状态值，为整数。H桥模块为“0”状态时，
Figure 956178DEST_PATH_IMAGE008
；“+1”状态时，
Figure 376795DEST_PATH_IMAGE009
；“-1”状态时，。
所述的设定参考模块，其方法是，H1和HN交替作为参考模块，交替时间为1个工频周期，可适当调整。H1为第一个H桥模块，HN表示第N个H桥模块，即最后一个H桥模块。
所述的设定各H桥模块输出状态，其方法是，若H1为参考模块，将第个H桥模块的状态设置为
Figure 514143DEST_PATH_IMAGE012
，第
Figure 738451DEST_PATH_IMAGE013
个H桥模块设置成“0”状态；若HN为参考模块，则将第个模块设置成
Figure 756403DEST_PATH_IMAGE012
，第个H桥模块设置成“0”状态。
Figure 383879DEST_PATH_IMAGE016
，即
Figure 768724DEST_PATH_IMAGE017
时，设置成“+1”状态；
Figure 958397DEST_PATH_IMAGE018
时，设置成“-1”状态。
Figure 278126DEST_PATH_IMAGE019
表示
Figure 47499DEST_PATH_IMAGE006
的绝对值。
所述的生成H桥开关触发信号，其方法是，根据设定的输出状态，设置用于直接触发各H桥4个全控器件的开关信号。若第i个H桥设定的状态为“+1”，则触发信号为
Figure 349168DEST_PATH_IMAGE020
；若设定的状态为“-1”，触发信号为；若设定的状态为“0”，且
Figure 283811DEST_PATH_IMAGE022
时，实际触发信号为
Figure 325717DEST_PATH_IMAGE023
，否则，实际触发信号为
Figure 216312DEST_PATH_IMAGE024
。
Figure 967362DEST_PATH_IMAGE025
为第i个H桥模块的4个全控开关的触发信号。
所述的生成均压开关触发信号，其方法是，设定为“0”状态的H桥的均压开关触发导通，其他H桥的均压开关触发关断。
本发明提出的级联STATCOM的自动均压结构及控制方法，只需配置一个直流电源，无需对各个H桥模块的电容电压进行测量和采样，可降低装置成本，起到快速、可靠均压的作用，且不会影响SATCOM装置的上层控制和输出特性。各开关器件的动作次数相同，有利于提高装置寿命。开关动作频率降低，损耗减小。
附图说明
图1是只配置一个储能电源的STATCOM装置示意图。
图2是外部母线逆变后作为直流电源的STATCOM装置示意图。
图3是STATCOM新型均压结构的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是只配置一个储能电源的STATCOM装置示意图。电源E表示储能电池，
Figure 576198DEST_PATH_IMAGE026
表示各H桥模块的均压开关，为全控型开关器件。
Figure 421794DEST_PATH_IMAGE027
表示各H桥的直流电容，
Figure 432475DEST_PATH_IMAGE028
Figure 852961DEST_PATH_IMAGE029
 表示第i个H桥模块的4个全控型开关器件。STATCOM装置由N个H桥模块串联组成。各H桥的直流侧电容一端经过均压开关与直流电源E正极相连，另一端直接与直流电源负极相连。当均压开关导通时，直流电源并接在直流电容两端。当电容电压高于直流电源电压时，电容对电源放电；否则，电源对电容充电。充放电过程一直持续，直到电源和电容两端电压达到平衡或者开关关断，实现自动均压。
图2是外部母线逆变后作为直流电源的STATCOM装置示意图。基本结构与图1相同，唯一的区别在于，其直流电源是由外部交流母线经过一个辅助逆变器转换而成的。
图3是STATCOM新型均压结构的控制方法流程图。级联STATCOM装置新型自动均压结构的控制方法的基本步骤是。
步骤1：确定各H桥状态。STATCOM装置用作无功补偿时，会产生无功补偿电流指令。通过PWM调制(如载波移相方法)，可以得到各H桥模块的开关信号。开关信号不直接用于触发，而是用来确定生成目标电流各H桥所需的输出状态。
Figure 949093DEST_PATH_IMAGE030
分别为第i个H桥模块的四个全控型开关器件i1、i2、i3、i4的开关触发信号。当
Figure 598380DEST_PATH_IMAGE031
，即上桥臂或下桥臂两个全控开关同时导通时，H桥输出电压为0，处于“0”状态；当，即上桥臂左侧全控开关和下桥臂右侧全控开关同时导通时，H桥输出电压为E，处于“+1”状态；当
Figure 45770DEST_PATH_IMAGE033
，即上桥臂右侧全控开关和下桥臂左侧全控开关同时导通时，H桥输出电压为-E，处于“-1”状态。操作符“&”表示位与，操作符“|”表示位或。
步骤2：确定输出电压大小。级联型STATCOM装置是由N个H桥串联组成，其输出电压为各H桥输出电压之和，只要保证总输出电压之和相同， STATCOM的输出特性就相同，所以可通过灵活地分配各H桥模块电压，优化装置性能，而不会影响其输出特性和上层控制。总输出电压
Figure 629198DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 82176DEST_PATH_IMAGE006
为整数，
Figure 67449DEST_PATH_IMAGE007
为第i个H桥模块的输出状态值，为整数。H桥模块为“0”状态时，
Figure 564159DEST_PATH_IMAGE008
；“+1”状态时，
Figure 634883DEST_PATH_IMAGE009
；“-1”状态时，
Figure 625973DEST_PATH_IMAGE010
。
步骤3：设定参考模块。为了使各H桥模块直流电容的均压机会基本均等，选定第一个H桥模块H1和最后一个H桥模块HN交替作为参考模块，交替时间设为1个工频周期。
步骤4：设定各H桥模块的输出状态。在保证总输出电压不变的前提下，对PWM调制出来的开关信号进行等效调整，重新设置N个H桥模块的输出状态。若H1为参考模块，将第
Figure 465753DEST_PATH_IMAGE011
个H桥模块的状态设置为，第
Figure 927269DEST_PATH_IMAGE034
个H桥模块设置成“0”状态；若HN为参考模块，则将第
Figure 456470DEST_PATH_IMAGE035
个模块设置成，第
Figure 254848DEST_PATH_IMAGE015
个H桥模块设置成“0”状态。
Figure 237848DEST_PATH_IMAGE016
，即
Figure 633057DEST_PATH_IMAGE017
时，设置成“+1”状态；
Figure 867336DEST_PATH_IMAGE018
时，设置成“-1”状态。表示
Figure 160094DEST_PATH_IMAGE006
的绝对值。等效处理后，总输出电压不变，STATCOM装置的输出特性不变，不影响上层控制，但可减少开关的动作频率，降低损耗，且各开关的动作次数相同，有利于提高装置寿命。
步骤5：生成H桥开关触发信号。根据等效处理后设定的各H桥的输出状态，生成全控器件触发开关信号。若第i个H桥设定的状态为“+1”，则实际触发信号为
Figure 358994DEST_PATH_IMAGE036
；若设定的状态为“-1”，实际触发信号为；若设定的状态为“0”，且
Figure 208187DEST_PATH_IMAGE022
时，则实际触发信号为
Figure 900200DEST_PATH_IMAGE023
，否则，实际触发信号为。
Figure 849012DEST_PATH_IMAGE025
为第i个H桥模块的4个全控开关的触发信号。
步骤6：生成均压开关触发信号。设定为“0”状态的H桥的均压开关触发导通，进行自动均压；其他H桥的均压开关触发关断。即当H1为参考模块时，第
Figure 278857DEST_PATH_IMAGE037
个H桥模块的均压开关关断，第个H桥的均压开关导通；当HN为参考模块时，第
Figure 733289DEST_PATH_IMAGE039
个H桥模块的均压开关导通，第
Figure 563710DEST_PATH_IMAGE040
个模块的均压开关关断。
本发明可适用于不同电平数的级联型STATCOM装置的各种应用场合，包括但不局限于动态无功补偿领域。
本发明提出的级联型STATCOM的自动均压结构及控制方法，只需配置一个直流电源，电池利用率高；无需对各个H桥模块的电容电压进行测量和采样，可降低装置成本，起到快速、可靠均压的作用，且不会影响SATCOM装置的上层控制和输出特性。各开关器件的动作次数相同，有利于提高装置寿命。开关动作频率低，损耗小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征在于，包括：
级联STATCOM装置配置一个直流电源，每个H桥模块的直流电容分别通过全控型开关器件(如IGBT等)与电源两端相连，当全控型开关导通时，直流电源并接在直流电容两端，电容电压高于直流电源电压时，电容对电源放电；否则，电源对电容充电，充放电过程一直持续，直到电源和电容两端电压达到平衡或者均压开关关断，新型均压结构的控制方法包括下列步骤：
步骤1：确定各H桥状态；
步骤2：确定输出电压大小；
步骤3：设定参考模块；
步骤4：设定各H桥模块的输出状态；
步骤5：生成H桥开关触发信号；
步骤6：生成均压开关触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的独立电源，可以是储能电池，也可以是外部母线上的交流电经逆变器转换成的直流电源。
3.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的确定各H桥状态，其方法是，获取由上层控制及PWM调制得到的各H桥模块开关信号，开关信号不直接用于触发，                                                
Figure 54639DEST_PATH_IMAGE001
分别为第i个H桥模块的四个全控型开关器件i1、i2、i3、i4的开关触发信号，当
Figure 721243DEST_PATH_IMAGE002
时，H桥处于“0”状态；当时，H桥处于“+1”状态；当时，H桥处于“-1”状态，i表示H桥的编号，i1、i2、i3、i4所处的位置为左上、右上、左下、右下，操作符“&”表示位与；操作符“|”表示位或。
4.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的确定输出电压大小，其方法是，对各H桥输出电压求和，即：输出电压
Figure 427272DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 830440DEST_PATH_IMAGE006
为整数，为第i个H桥模块的状态值，为整数，H桥模块为“0”状态时，
Figure 3112DEST_PATH_IMAGE008
；“+1”状态时，；“-1”状态时，
Figure 72011DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的设定参考模块，其方法是，H1和HN交替作为参考模块，交替时间为1个工频周期，可适当调整，H1为第一个H桥模块，HN表示第N个H桥模块，即最后一个H桥模块。
6.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的设定各H桥模块输出状态，其方法是，若H1为参考模块，将第
Figure 430311DEST_PATH_IMAGE011
个H桥模块的状态设置为
Figure 89831DEST_PATH_IMAGE012
，第个H桥模块设置成“0”状态；若HN为参考模块，则将第个模块设置成
Figure 710409DEST_PATH_IMAGE012
，第
Figure 975168DEST_PATH_IMAGE015
个H桥模块设置成“0”状态，
Figure 259519DEST_PATH_IMAGE012
，即
Figure 858997DEST_PATH_IMAGE016
时，设置成“+1”状态；
Figure 559099DEST_PATH_IMAGE017
时，设置成“-1”状态，
Figure 429098DEST_PATH_IMAGE018
表示
Figure 884350DEST_PATH_IMAGE006
的绝对值。
7.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的生成H桥开关触发信号，其方法是，根据设定的输出状态，设置用于直接触发各H桥4个全控器件的开关信号，若第i个H桥设定的状态为“+1”，则触发信号为
Figure 721856DEST_PATH_IMAGE019
；若设定的状态为“-1”，触发信号为
Figure 474917DEST_PATH_IMAGE020
；若设定的状态为“0”，且
Figure 511006DEST_PATH_IMAGE016
时，实际触发信号为
Figure 74843DEST_PATH_IMAGE021
，否则，实际触发信号为
Figure 147447DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 251670DEST_PATH_IMAGE023
为第i个H桥模块的4个全控开关的触发信号。
8.根据权利要求1所述的一种级联型STATCOM装置的自动均压结构及控制方法，其特征是所述的生成均压开关触发信号，其方法是，设定为“0”状态的H桥的均压开关触发导通，其他H桥的均压开关触发关断。
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