CN103560689B - 一种利用冗余电压矢量实现中压级联statcom容错控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中压级联STATCOM故障容错控制方法，利用级联逆变器的冗余电压矢量实现容错控制。当级联STATCOM的某些级联单元发生故障时，原控制算法选定的电压矢量可能由于故障而无法正常使用，成为故障矢量。此时利用级联逆变器冗余电压矢量多，且位置经常重合的特性，选择与其作用效果最接近的其它非故障矢量进行替代。从而最大限度的降低故障对系统的影响，提高工作可靠性。与目前常用的N+1冗余方式相比，该方法不需要增加附加的硬件冗余资源，节约成本，并可以推广至任意阶级联STATCOM中去。在N+1冗余方式中，当故障单元数大于冗余单元数时该方法亦可应用。

Description

一种利用冗余电压矢量实现中压级联STATCOM容错控制的 方法

技术领域

本发明涉及无功补偿技术领域，尤其涉及一种利用冗余电压矢量实现中压级联STATCOM容错控制的方法。

背景技术

H桥级联逆变器具有容量大、等效开关频率低、结构灵活、更换方便等优点，非常适合应用于中压大功率领域。1996年，美国田纳西大学的F.Z.Peng等人提出将H桥级联逆变器应用于STATCOM中。

但由于级联逆变器中的开关器件较多，相比于传统的两电平逆变器，级联逆变器的故障几率会大很多。由于各级联H桥单元为串联，当任意一个级联单元发生故障时，如果不采取措施，将使得该故障单元所在相无法继续工作，会对电网造成很大冲击。因此，如何提高级联STATCOM系统的故障容错能力就很自然的摆在我们面前。

目前，级联式逆变器的容错控制技术主要有以下3种：

(1)短接故障的单元，并将另外两相中与故障单元相对应的非故障单元短接，保证三相输出电压的对称。但是此方法属于降容量运行，部分非故障级联单元的容量没能得到充分利用，存在资源的浪费。

(2)基于中性点偏移的方法只短接故障单元，且能够获得对称的线电压；但此方法多用于有调制波的控制系统，不适合电压矢量法。

(3)充分利用系统的冗余资源，代替因故障而无法使用的开关状态或级联单元；冗余可分为系统冗余、单元冗余和开关状态冗余3种。

①系统冗余是增加一个与原系统完全一致并联冗余结构，该法不适合级联结构，否则会造成资源的严重浪费。

②单元冗余即在原有N单元串联的基础上，每相再增加一个或两个备用单元，常用的是N+1冗余；一旦某些级联单元发生故障，立即旁路该故障单元，同时将冗余单元投入工作，代替故障单元；但是，由于装置绝大多数情况下工作于非故障状态，因此该方法会造成冗余单元容量的浪费。

③开关状态冗余则不需要附加硬件冗余资源，是利用位置重叠或接近的冗余开关状态（即冗余电压矢量）代替故障开关状态，从而实现容错控制，此方法最经济实惠；本发明涉及的容错控制方法就是利用冗余开关状态来实现容错控制。

目前，在级联STATCOM领域容错控制技术的研究也有了一定进展，Wenchao Song和Alex Q Huang在标题为Control Strategy for Fault-Tolerant Cascaded MultilevelConverter based STATCOM（APEC 2007-22nd Annual IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition 2007:1073-1076.）的文章中提出一种基于N+1冗余方式的级联STATCOM容错控制方法。N+1冗余方式在级联STATCOM中已经得到了实际应用。经查阅国内外文献，尚未发现“利用冗余电压矢量实现级联STATCOM容错控制”的研究出现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了提高级联STATCOM系统的故障容错能力，并尽可能的降低硬件成本，本发明提出了一种级联STATCOM故障容错控制方法，充分利用级联逆变器的冗余电压矢量实现容错控制。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明涉及方法包括如下步骤：

(1)当级联STATCOM的某些级联单元发生故障时，迅速将故障单元短接，并向上位机发送故障信号，以便确定故障位置等信息，进行相应的容错控制；

(2)系统采用电流直接控制法，首先利用瞬时无功功率理论对无功电流进行实时检测，必要时还需对谐波分量等进行实时检测，从而得到级联STATCOM输出电流参考值i_c ^*；

(3)为了使级联STATCOM输出电流能够实时准确的跟踪参考值，首先利用电流滞环确定输出电流实际值i_c与参考值i_c ^*之间的误差△i；当△i大于h时，说明电流跟踪误差较大，此时应用电平圆整法逐步筛选出最优的电压矢量U_k，使得电流误差△i降到滞环宽度h以内；当电流误差△i没有超出滞环宽度h时，说明电流跟踪精度符合要求，此时保持上一采样周期选择的电压矢量不变；

(4)当步骤（3）最终确定的U_k为非故障矢量时（即U_k未受到该故障的影响，可以正常使用），则计算结束；

(5)若U_k为故障电压矢量（即U_k受到该故障的影响，不能正常使用），则选择与其作用效果最接近的其它非故障电压矢量进行替代，即用级联逆变器的非故障开关状态代替因故障而无法使用的开关状态；优先选择位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都为故障电压矢量，则选择位置和效果最接近的其它非故障矢量代替U_k，具体矢量替代步骤如下；

在N阶级联逆变器的电压矢量图中，由中点向外共有2N个正六边形（不包括中点），分别命名为六边形1、2…2N，以级联逆变器a相中有m（0＜m＜N）个级联单元发生故障为例；

当U_k=（x,y,z）位于电压矢量图中最外侧的m个六边形时，此时无位置重合的非故障矢量可选择，矢量替代方法如下；

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择（x-1,y,z），（x-2,y,z）…中与其最接近的非故障电压矢量；即首选电压矢量（x-1,y,z），如果（x-1,y,z）也是故障矢量，则选择电压矢量（x-2,y,z），以此类推，直到选出与其最接近的非故障矢量为止；

当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择（x+1,y,z），（x+2,y,z）…中与其最接近的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响；

级联阶数N越大，矢量替换前后的相位和大小误差越低，电流跟踪越准确；

当U_k=（x,y,z）位于六边形j（1≤j≤2N-m）时，此时有位置重合的非故障矢量可选择，矢量替代方法如下：

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择（x-1,y-1,z-1），（x-2,y-2,z-2）…中的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择（x+1,y+1,z+1），（x+2,y+2,z+2）…中的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响（边界不计）；

同理可得，当b或c相有m个级联单元发生故障时的电压矢量替换方法。

该方法亦可应用于采用N+1冗余方式的级联STATCOM系统中，当某相故障单元数较多，且故障单元数超过冗余单元数时，系统的冗余单元不足以弥补故障单元。可以采用上述步骤（5）方法进行容错控制，保证系统的正常工作。

(三)有益效果

本发明提出的级联STATCOM故障容错控制方法，解决了级联STATCOM故障几率较大的问题，具有较强的容错性能，并可以推广至任意阶级联STATCOM中去。与目前常用的N+1冗余方式相比，该方法不需要附加的硬件冗余资源，因而硬件成本更低。本发明还可以直接应用于基于N+1冗余方式的级联STATCOM系统中，具有广阔的市场空间。

附图说明

图1为N阶级联STATCOM拓扑结构图。

图2为级联STATCOM级联单元拓扑机构图及均衡辅助嵌位电路。

图3为2阶级联STATCOM对应的五电平电压矢量分布图。

图4为a相中有1个级联单元生故障时的电压矢量分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做详细描述。

(一)硬件电路方案

本发明涉及的级联STATCOM系统主电路如图1所示。开关器件选择了IGBT，额定电压为1700V，STATCOM输出端采用LCL滤波。每相串联阶数N需要根据应用场合确定。以6KV电网为例，IGBT额定电压保留2-3倍安全裕度，每相串联的级联单元阶数N为8，同理可计算其它中压电网对应的阶数。

本发明涉及的级联STATCOM的级联H桥单元拓扑图及均压辅助嵌位电路如图2所示，每个单元的辅助电路由一个全桥逆变器经过隔离变压器与辅助电路交流母线相连，每相共用一个交流母线。其中Sac为辅助开关，Ｔ为辅助变压器，辅助逆变桥与主逆变桥共用直流母线，Udc为直流电容电压。首先控制每相N个级联单元直流侧电压总和恒定，再合理的控制辅助电路，通过交流母线实现各单元间的功率交换，最终达到电压均衡。需要说明的是，由于IGBT额定电压选型时通常都会保留2-3倍的安全裕量，所以当N阶级联逆变器中的1个或少数几个单元发生故障而被短接之后，剩余单元中IGBT承受电压不会超过允许值。

本发明涉及的级联STATCOM控制电路和驱动电路如下：控制电路采用双DSP结构，通过双口RAM（IDT70V24s15）进行通信，可以数据共享。其中，DSP1负责检测部分，并完成直流侧总电压控制，以及辅助电路PWM信号产生；DSP2负责参考电流跟踪控制，产生PWM驱动信号和故障单元的旁路控制。IGBT驱动电路采用北京落木源公司的IGBT四单元集成驱动模块。

(二)软件部分方案

(1)当级联STATCOM的某些级联单元发生短路或断路故障时，如图2所示，首先，封锁该单元PWM驱动信号，闭合此单元右侧的开关Sac，将发生故障的单元短接，并断开单元左侧与公共母线连接的开关Sac。此外，还要在发故障代码给上位机，以便进行相应的容错控制。

(2)利用瞬时无功功率理论对无功电流进行实时检测，必要时还需对谐波分量等进行实时检测，从而得到级联STATCOM输出电流参考值i_c ^*；

(3)采用电流直接控制法进行参考电流的跟踪控制，为了让级联STATCOM输出电流的实际值能够实时准确的跟踪参考值，利用电平圆整法选择最优的电压矢量U_k。

以2阶级联STATCOM为例，图3为其对应的 5电平电压矢量图，参考电压矢量u*位于扇区Ⅰ，误差电流△i位于扇区Ⅴ；此时，三相电流中△i_b误差最大，且偏大。其中，参考电压矢量u*如公式（1）所示。

（1）

当|△i| > h时，电流误差位大于电流滞环宽度。电流误差△i、参考电压矢量u*以及输出电压矢量U_k关系如公式（2）所示。

（2）

首先，在125个电压矢量中选择出8个待选电压矢量，设u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*为参考电压矢量u*在三相a b c坐标系下的分量，U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*为三相参考电压电平值（0≤U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*≤4），两者关系见公式（3）。

（3）

则电平矢量为。由于U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*并不一定是整数，因此，分别向上下临近的电平取整，例如当U_a ^*=1.5时，上下取整为电平1和2。这样U^*会出现2³=8种组合。将公式离散化：

（4）

式中Ts为系统采样周期。要使△i降低，必须保证(u*－U_k)和△i方向相反，即内积＜△i_n, (u*－U_k)＞小于0，根据此条件对8个待选矢量进行第一次筛选。

此外，还需考虑(u*－U_k)降低电流误差△i的效果。当效果较弱时，可能无法在一个采样周期内将电流误差降到滞环宽度h以内；当作用效果太强时，可能使得△i反向超越滞环宽度。因此，还需根据公式（5）对待选电压矢量进行第二次筛选，以保证所选电压矢量能够在一个采样周期后，将电流误差△i限制在滞环宽度h内。

（5）

如果没有符合公式（5）的待选电压矢量（例如电流误差过大，无法在采样一个周期内使之降到滞环宽度h以内），则放弃此次筛选，直接进入下一步。

为了稳定误差，并降低开关频率，根据矢量变化最小原则，最优的电压矢量要尽可能接近u*，即U_k满足：

（6）

根据此条件对剩余的待选矢量进行第三次筛选，从而确定最终的电压矢量。

当|△i|≤h时，保持上一采样周期选择的电压矢量不变。

因为当某级联单元发生故障被短接时，非故障单元直流侧电压可能会发生变化，此时电压矢量的实际值与理论值已经发生了偏差。此时在电流误差△i很小的情况下再进行精确化矫正已经多余。

(4)当步骤（3）最终选定的电压矢量U_k为非故障电压矢量时，则计算结束。

(5)若步骤（3）最终选定的U_k为故障电压矢量，则选择与其作用效果最接近的其它非故障电压矢量进行替代。

当N阶级联电路的某相中有m（0＜m＜N）个级联单元发生故障时，受故障单元影响，该相电平数减少2m个，电压矢量图中某些扇区中可用的电压矢量可能会减少。当a、b、c相各自出现单元故障时，对各扇区矢量的影响情况有所不同。级联单元故障对各扇区电压矢量的影响如下表所示，√表示故障对该扇区有影响，×表示无影响，其中不包括扇区交界处的电压矢量。

在N阶级联逆变器的电压矢量图中，由中点向外共有2N个正六边形（不包括中点），分别命名为六边形1、2…2N，以a相有m（0＜m＜N）个级联单元发生故障为例。

当选出的电压矢量U_k =（x,y,z）位于矢量图中最外侧的m个六边形时，此时无位置重合的非故障矢量可选择。

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择（x-1,y,z），（x-2,y,z）…中与其最接近的非故障电压矢量。当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择（x+1,y,z），（x+2,y,z）…中与其最接近的非故障电压矢量。当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响。级联阶数N越大，矢量替换前后的相位和大小误差越低。

此法相当于U_a ^*在向上下临近的电平取整时，受到a相故障单元短接影响，使得上一级电平不存在，因此就向下连续的两个电平取整。例如当U_a ^*=2.5时，本应该上下取整电平2和3。如果电平3由于故障而不存在，U_a ^*则连续向下取整为2和1。

当选出的电压矢量U_k=（x,y,z）位于六边形j（1≤j≤2N-m）时，此时有位置重合的非故障矢量可选择。

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择（x-1,y-1,z-1），（x-2,y-2,z-2）…中的非故障电压矢量。当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择（x+1,y+1,z+1），（x+2,y+2,z+2）…中的非故障电压矢量。当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响（边界不计）。

以2阶级联STATCOM为例，具体实施方法如下：

当a相有一个级联单元发生故障时，电压矢量图如图4所示，图中虚线上的矢量表示故障矢量，实线上的点表示非故障矢量。a相中有1单元发生故障时的电压矢量替代方法见下表。

同理可得，当b或c相有一个级联单元发生故障时的电压矢量替换方法。

Claims (2)

1.一种利用冗余电压矢量实现中压级联STATCOM容错控制的方法，其特征在于，所述控制的方法的步骤包括：

(1)当级联STATCOM的某些级联单元发生故障时，首先迅速短接该故障单元，并向上位机发送故障代码，以便进行相应的容错控制；

(2)利用瞬时无功功率理论对无功电流进行实时检测，当需要同时进行谐波补偿时，还需对各次谐波分量进行实时检测，从而得到级联STATCOM输出的电流参考值矢量i_c ^*；

(3)为了保证级联STATCOM输出的电流实际值矢量i_c能够实时准确的跟踪电流参考值矢量i_c ^*，首先利用电流滞环确定电流实际值矢量i_c与电流参考值矢量i_c ^*之间的误差矢量△i；当误差矢量模|△i|大于电流滞环宽度h时，应用电平圆整法逐步筛选出最优电压矢量U_k，来降低电流跟踪误差；当误差矢量模|△i|小于或等于电流滞环宽度h时，保持上一采样周期选择的电压矢量不变；

(4)当步骤(3)最终确定的最优电压矢量U_k为非故障矢量时，则计算结束，最优电压矢量U_k为最终选定的电压矢量；

(5)若最优电压矢量U_k为故障矢量，则选择其它非故障电压矢量进行替代，首先选择位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都为故障矢量，则选择位置和效果最接近的其它非故障矢量替代最优电压矢量U_k，具体替代方法如下：

在N阶级联逆变器的电压矢量图中，由中点向外共有2N个正六边形，不包括中点，分别命名为六边形1、2…2N，以级联逆变器a相中有m个级联单元发生故障为例，其中0＜m＜N；

①当最优电压矢量U_k＝(x,y,z)位于电压矢量图中最外侧的m个六边形时，此时无位置重合的非故障矢量可选择，矢量替代方法如下；

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择(x-1,y,z)，(x-2,y,z)…中与其最接近的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择(x+1,y,z)，(x+2,y,z)…中与其最接近的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响；

②当最优电压矢量U_k＝(x,y,z)位于六边形j时，其中1≤j≤2N-m，此时有位置重合的非故障矢量可选择，矢量替代方法如下；

当参考电压矢量位于扇区Ⅰ或Ⅵ时，选择(x-1,y-1,z-1)，(x-2,y-2,z-2)…中的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅲ或Ⅳ时，选择(x+1,y+1,z+1)，(x+2,y+2,z+2)…中的非故障电压矢量；

当参考电压矢量位于扇区Ⅱ或Ⅴ时，不受a相故障影响，边界不计；

同理可得，当b或c相有m个级联单元发生故障时的电压矢量替换方法。

2.根据权利要求1所述的一种利用冗余电压矢量实现中压级联STATCOM容错控制的方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述替代方法亦可用于N+1冗余方式中，当故障单元数大于冗余单元数时，采用步骤(5)中所述替代方法进行容错控制。