CN103618316A - 一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法 - Google Patents

一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法 Download PDF

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CN103618316A CN201310065521.0A CN201310065521A CN103618316A CN 103618316 A CN103618316 A CN 103618316A CN 201310065521 A CN201310065521 A CN 201310065521A CN 103618316 A CN103618316 A CN 103618316A
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Abstract

一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，所述方法利用本次采样周期的三相电流数据和移相后的同步坐标变换矩阵计算得到下一采样周期的基波正序有功电流，再用下一采样周期的三相电流数据直接减去这个基波正序有功电流，得到下一采样周期的三相指令电流，然后利用该指令电流控制静止同步补偿器桥式电路交流侧的输出电流。本发明克服了传统静止同步补偿器控制策略的不足，补偿滞后量仅为AD和DA转换时间之和，大大提高了谐波的补偿精度，而且由于进行了相位补偿，提取的基波正序有功电流与理论值几乎没有相位差，这样就提高了无功补偿的精度，从而改善了静止同步补偿器的补偿效果，提高了配电网的供电质量。

Description

一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法
技术领域
本发明涉及一种可大幅度减少配电网无功功率和谐波补偿滞后量的静止同步补偿器控制方法，属于控制技术领域。 
背景技术
随着科技的飞速发展，电力电子装置在各个领域中的应用日益广泛，给电网带来了严重的谐波污染和动态无功功率。这些负荷的无功功率如果不能得到及时补偿，将会造成配电网电压波动，严重恶化供电质量。配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）凭借其优良的性能逐渐成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制装置的首选设备。
D-STATCOM由主电路部分和控制部分构成（参看图1），其中，主电路部分包括由八个IGBT全控元件                                                
Figure 655726DEST_PATH_IMAGE001
～
Figure 574003DEST_PATH_IMAGE002
组成的四桥臂自换相桥式电路、滤波电抗器
Figure 474963DEST_PATH_IMAGE003
和直流侧电容器
Figure 365559DEST_PATH_IMAGE004
；控制部分由PLL锁相环部分、AD采样部分、DSP数字处理器、DA输出部分和滞环比较部分构成。
D-STATCOM的自换相桥式电路通过滤波电抗器并联在配电网上，其工作原理是通过适当地调节桥式电路交流侧输出电流，使该电路向配电网用户侧提供所需的谐波电流和无功电流，达到对配电网进行谐波抑制和无功补偿的目的。其控制原理是，PLL锁相环对配电网A相电压进行处理，提取A相电压的相位信息输入到DSP数字处理器，之后AD采样部分对配电网系统侧电流采样，采样得到的系统电流送入到DSP数字处理器，由DSP数字处理器计算得出指令电流并通过DA输出部分将指令电流送至滞环比较部分，进而得到驱动信号，最后将驱动信号输出至主电路四桥臂电路触发元件～
Figure 833766DEST_PATH_IMAGE002
的驱动端进行控制。
目前，D-STATCOM普遍采用数字控制方式，但是数字控制有其固有缺点，就是存在滞后。传统D-STATCOM的控制策略是利用本次采样周期的数据计算得到本次采样周期的基波正序有功电流，之后用本次采样周期的系统电流减去这个基波正序有功电流得到指令电流进行DA输出控制。由于滞后延时的存在，其控制效果是本次采样周期的指令值在下一采样周期才会起作用，这样从AD采样至DA输出滞后至少一个采样周期的时间。滞后时间长不仅导致D-STATCOM无功补偿不彻底，严重时还会对某高次谐波的补偿产生正反馈，不但不能补偿该次谐波，还会增强谐波。因此，如何减少D-STATCOM的补偿滞后量，是提高D-STATCOM补偿性能的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，以提高无功和谐波补偿精度，保证供电质量。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，它利用本次采样周期的三相电流数据和移相后的同步坐标变换矩阵计算得到下一采样周期的基波正序有功电流，再用下一采样周期的三相电流数据直接减去这个基波正序有功电流，得到下一采样周期的三相指令电流，然后利用该指令电流控制静止同步补偿器桥式电路交流侧的输出电流，所述方法的具体处理步骤如下：
a．设本次采样周期的系统三相电流
Figure 7258DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 549098DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 517054DEST_PATH_IMAGE007
分别为：
Figure 144345DEST_PATH_IMAGE008
；
式中：
Figure 387107DEST_PATH_IMAGE009
为n次谐波电流正序分量有效值，
Figure 252295DEST_PATH_IMAGE010
为n次谐波电流负序分量有效值，
Figure 922311DEST_PATH_IMAGE011
为n次谐波电流零序分量有效值，n为谐波次数，
Figure 505739DEST_PATH_IMAGE012
为电网角频率，
Figure 286613DEST_PATH_IMAGE013
为n次谐波电流正序分量初始相角，
Figure 803045DEST_PATH_IMAGE014
为n次谐波电流负序分量初始相角，
Figure 112804DEST_PATH_IMAGE015
为n次谐波电流零序分量初始相角，t为时间，
利用三相至两相变换矩阵
Figure 714686DEST_PATH_IMAGE016
，
将、、
Figure 150850DEST_PATH_IMAGE007
变换为α-β坐标下的本次采样周期的电流分量、
Figure 831547DEST_PATH_IMAGE018
：
；
b.利用PLL锁相环对配电网A相电压进行处理，得出反映A相电压相位信息的正余弦值，进而构造出同步坐标变换矩阵：
Figure 708553DEST_PATH_IMAGE020
，
利用
Figure 285028DEST_PATH_IMAGE021
将
Figure 680237DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 760189DEST_PATH_IMAGE018
变换为三相电路瞬时有功电流
Figure 848230DEST_PATH_IMAGE022
和瞬时无功电流
Figure 646422DEST_PATH_IMAGE023
：
Figure 376481DEST_PATH_IMAGE024
，
对
Figure 779780DEST_PATH_IMAGE022
在一个工频周期T内进行积分，得到三相电路的基波正序有功电流：
Figure 324211DEST_PATH_IMAGE026
；
c. 将
Figure 592381DEST_PATH_IMAGE025
进行同步坐标变换，赋予相应的相位量，得到下一采样周期的基波正序有功电流：
对同步坐标变换矩阵
Figure 115766DEST_PATH_IMAGE021
进行移相后得到
Figure 76769DEST_PATH_IMAGE027
：
Figure 583974DEST_PATH_IMAGE028
，
为一个采样周期与AD和DA转换时间之和，
用
Figure 299306DEST_PATH_IMAGE027
将
Figure 634472DEST_PATH_IMAGE025
、0变换为α-β坐标中的下一次采样周期的电流分量
Figure 894553DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 504525DEST_PATH_IMAGE031
，得式：
Figure 2503DEST_PATH_IMAGE032
，
利用两相至三相变换矩阵
Figure 39729DEST_PATH_IMAGE033
，
将、变换至三相abc坐标系，得下一采样周期的基波正序有功电流
Figure 22094DEST_PATH_IMAGE034
、、：
Figure 885511DEST_PATH_IMAGE037
；
d.下一采样周期到来时，AD采样得到系统三相电流
Figure 889239DEST_PATH_IMAGE038
、、
Figure 193499DEST_PATH_IMAGE040
，分别减去
Figure 417807DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 276041DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 91550DEST_PATH_IMAGE036
，得到三相指令电流
Figure 504077DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 797655DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 979238DEST_PATH_IMAGE043
，将采样得到的系统三相电流相加后取反得到零序指令电流
Figure 965649DEST_PATH_IMAGE044
，然后将指令电流
Figure 396630DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 962740DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 529988DEST_PATH_IMAGE043
 、
Figure 156141DEST_PATH_IMAGE044
直接经过DA输出至滞环比较部分，由滞环比较部分产生驱动信号对主电路部分的四桥臂自换相桥式电路的IGBT全控元件进行控制。
上述高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，为了使D-STATCOM稳定运行，将
Figure 74419DEST_PATH_IMAGE025
、0变换为α-β坐标中的下一次采样周期的电流分量时，应将直流侧电容电压PID控制器输出量叠加到三相电路的基波正序有功电流
Figure 865974DEST_PATH_IMAGE025
中。
本发明克服了传统D-STATCOM控制策略的补偿至少滞后一个采样周期的不足，补偿的滞后量减小到仅为AD和DA转换时间之和，大大提高了谐波的补偿精度。而且由于进行了相位补偿，提取的基波正序有功电流与理论值几乎没有相位差，这样就提高了无功补偿的精度，从而改善了D-STATCOM的补偿效果，提高了配电网的供电质量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是D-STATCOM基本结构图；
图2是本发明的控制策略原理图。
文中各符号清单为：
Figure 194188DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 803023DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 507674DEST_PATH_IMAGE007
分别为本次采样周期的系统三相电流，、
Figure 17470DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 113602DEST_PATH_IMAGE040
分别为下一次采样周期的系统三相电流，
Figure 90785DEST_PATH_IMAGE046
为配电网A相电压，PLL为锁相环，
Figure 752711DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 891568DEST_PATH_IMAGE018
分别为α-β坐标下的本次采样周期的电流分量，
Figure 6155DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 255870DEST_PATH_IMAGE023
分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流，
Figure 772302DEST_PATH_IMAGE025
为三相电路的基波正序有功电流，
Figure 82061DEST_PATH_IMAGE045
为直流侧电容电压PID控制器输出量，为直流侧电容电压实际值，
Figure 268509DEST_PATH_IMAGE048
为直流侧电容电压指令值，
Figure 108289DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 120107DEST_PATH_IMAGE031
分别为α-β坐标中的下一次采样周期的电流分量，
Figure 943707DEST_PATH_IMAGE034
、、分别为下一次采样周期的基波正序有功电流，
Figure 208969DEST_PATH_IMAGE041
、、
Figure 180653DEST_PATH_IMAGE043
分别为三相指令电流，
Figure 260604DEST_PATH_IMAGE044
为零序指令电流，为三相至两相变换矩阵，
Figure 146838DEST_PATH_IMAGE050
为两相至三相变换矩阵，
Figure 80159DEST_PATH_IMAGE051
为同步坐标变换矩阵，为移相后的同步坐标变换矩阵。
具体实施方式
本发明所要解决的问题是：减少D-STATCOM补偿滞后量，提高谐波和无功补偿精度。
图1中，八个IGBT全控元件～
Figure 570766DEST_PATH_IMAGE002
组成四桥臂自换相桥式电路，其作用是根据驱动信号控制全控元件的导通和关断，发出需要的谐波和无功电流；直流侧电容器
Figure 104516DEST_PATH_IMAGE004
为D-STATCOM的工作提供稳定的直流电压；滤波电抗器用来滤除自换相桥式电路交流侧的高频电流分量；AD采样部分用于采样系统三相电流和直流侧电容电压，将其转换为数字量；PLL锁相环对配电网A相电压进行处理，提取出A相电压的相位信息输入到DSP数字处理器（MS320F2812）；TMS320F2812数字处理器对AD采样部分和PLL锁相环的输出量进行处理，得到指令电流；DA输出部分将指令电流进行数模转换送至滞环比较部分；滞环比较部分将指令电流进行滞环比较，得到驱动信号输出至四桥臂自换相桥式电路中触发元件
Figure 323325DEST_PATH_IMAGE001
～的驱动端进行控制。
图2中，
Figure 636811DEST_PATH_IMAGE046
代表了配电网A相电压，PLL为锁相环部分，PLL将A相电压进行处理后输出代表A相电压相位信息的正余弦值；
Figure 545861DEST_PATH_IMAGE053
矩阵用于将本次采样周期的系统三相电流
Figure 677765DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 141108DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 16660DEST_PATH_IMAGE007
变换至α-β坐标，变换之后的值为
Figure 514637DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 551864DEST_PATH_IMAGE018
；同步坐标变换矩阵
Figure 299240DEST_PATH_IMAGE054
用于将、
Figure 65387DEST_PATH_IMAGE018
变换为三相电路瞬时有功电流
Figure 742356DEST_PATH_IMAGE022
和瞬时无功电流
Figure 711449DEST_PATH_IMAGE023
；LPF为低通滤波器，用于提取出三相电路瞬时有功电流
Figure 928804DEST_PATH_IMAGE022
中的直流量
Figure 135795DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 780403DEST_PATH_IMAGE025
代表了基波正序有功电流的幅值；PID模块用于稳定直流侧电容器电压，其输入为D-STATCOM主电路部分中直流侧电容器电压指令值与直流侧电容器电压实际值
Figure 461100DEST_PATH_IMAGE047
的差值，输出为，反映了直流侧电容器电压与指令值的偏移大小；是通过对
Figure 281791DEST_PATH_IMAGE054
移相
Figure 309790DEST_PATH_IMAGE029
后得到的的同步坐标变换矩阵，作用是提供下一次采样周期的基波正序有功电流的相位信息，其中
Figure 22531DEST_PATH_IMAGE029
为一个采样周期与AD和DA转换时间之和；矩阵用于将、
Figure 6033DEST_PATH_IMAGE031
变换至三相abc坐标系得到下一采样周期的系统三相基波正序有功电流
Figure 42123DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 199434DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 852133DEST_PATH_IMAGE040
；DA输出部分用于将三相指令电流、
Figure 909267DEST_PATH_IMAGE042
、和零序指令电流
Figure 846316DEST_PATH_IMAGE044
进行数模转换输出；滞环比较部分是对DA输出部分的转换值进行比较，得到相应的驱动信号送至D-STATCOM主电路部分中触发元件的驱动端进行控制。
本发明考虑到工程中配电网电流的不对称且畸变的一般性，设系统三相电流
Figure 285388DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 296069DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 795184DEST_PATH_IMAGE007
分别为：
，
式中：
Figure 134078DEST_PATH_IMAGE009
为n次谐波电流正序分量有效值，
Figure 796004DEST_PATH_IMAGE010
为n次谐波电流负序分量有效值，为n次谐波电流零序分量有效值，n为谐波次数，
Figure 783868DEST_PATH_IMAGE012
为电网角频率，为n次谐波电流正序分量初始相角，为n次谐波电流负序分量初始相角，
Figure 656512DEST_PATH_IMAGE015
为n次谐波电流零序分量初始相角，t为时间。
利用矩阵
Figure 461657DEST_PATH_IMAGE016
，
将
Figure 46222DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 886002DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 897821DEST_PATH_IMAGE007
变换至α-β坐标，得式：
Figure 987000DEST_PATH_IMAGE056
。
利用PLL锁相环对配电网A相电压进行处理，得出反映A相电压相位信息的正余弦值，进而构造出同步坐标变换矩阵
Figure 578518DEST_PATH_IMAGE020
，
将
Figure 69542DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 721103DEST_PATH_IMAGE018
变换为
Figure 31999DEST_PATH_IMAGE057
：
Figure 958367DEST_PATH_IMAGE024
，
    可以看出
Figure 772739DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 126360DEST_PATH_IMAGE023
中的直流量代表了基波正序有功电流和基波正序无功电流的幅值。由于D-STATCOM同时补偿谐波和无功功率，所以此处只需要提取
Figure 393393DEST_PATH_IMAGE022
的直流分量
Figure 123452DEST_PATH_IMAGE025
，由
Figure 792330DEST_PATH_IMAGE022
表达式可以看出，交流分量为工频周期的整数倍，所以对
Figure 316853DEST_PATH_IMAGE022
在一个工频周期T内进行积分即可得到直流分量
Figure 602341DEST_PATH_IMAGE025
：
Figure 604932DEST_PATH_IMAGE026
。
对同步坐标变换矩阵
Figure 659475DEST_PATH_IMAGE021
进行移相后得到：
Figure 596524DEST_PATH_IMAGE028
，
由于系统电流AD采样后至DA输出存在AD和DA转换延时，所以
Figure 137227DEST_PATH_IMAGE029
应为一个采样周期与AD和DA转换时间之和。
D-STATCOM主电路部分的四桥臂电路中直流侧电容电压需要稳定在一个给定值附近，这样才能保证D-STATCOM的稳定运行，在此利用PID模块来实现电容电压的稳定。PID模块的输入为直流侧电容电压指令值
Figure 46277DEST_PATH_IMAGE048
与直流侧电容电压实际值
Figure 178181DEST_PATH_IMAGE047
的差值，其输出为
Figure 641524DEST_PATH_IMAGE045
，反映了直流侧电容电压实际值与指令值的偏移大小。最后将PID模块的输出
Figure 517076DEST_PATH_IMAGE045
叠加到
Figure 749474DEST_PATH_IMAGE025
中进行控制。
将
Figure 52279DEST_PATH_IMAGE025
、0变换至α-β坐标，得式：
Figure 534076DEST_PATH_IMAGE032
，
利用矩阵
，
将
Figure 300224DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 242772DEST_PATH_IMAGE031
变换至三相abc坐标系，得下一采样周期的基波正序有功电流：
Figure 211865DEST_PATH_IMAGE058
。
当下一采样周期到来时，AD采样得到系统三相电流
Figure 898062DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 636210DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 280818DEST_PATH_IMAGE040
，分别减去本次采样周期移相计算得到的下一采样周期的基波正序有功电流
Figure 206049DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 961515DEST_PATH_IMAGE035
、，其差值
Figure 838522DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 782207DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 810206DEST_PATH_IMAGE043
即三相指令电流，零序指令电流则是将采样得到的系统三相电流相加后取反得到。之后将指令电流
Figure 522947DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 978199DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 143601DEST_PATH_IMAGE043
 、
Figure 240870DEST_PATH_IMAGE044
直接经过DA输出至滞环比较部分产生驱动信号对主电路部分的触发元件进行控制。

Claims (2)

1.一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，其特征是，它利用本次采样周期的三相电流数据和移相后的同步坐标变换矩阵计算得到下一采样周期的基波正序有功电流，再用下一采样周期的三相电流数据直接减去这个基波正序有功电流，得到下一采样周期的三相指令电流，然后利用该指令电流控制静止同步补偿器桥式电路交流侧的输出电流，所述方法的具体处理步骤如下：
a．设本次采样周期的系统三相电流                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 879086DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别为：
，
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为n次谐波电流正序分量有效值，
Figure 638280DEST_PATH_IMAGE006
为n次谐波电流负序分量有效值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为n次谐波电流零序分量有效值，n为谐波次数，
Figure 95806DEST_PATH_IMAGE008
为电网角频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为n次谐波电流正序分量初始相角，
Figure 441337DEST_PATH_IMAGE010
为n次谐波电流负序分量初始相角，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为n次谐波电流零序分量初始相角，t为时间，
利用三相至两相变换矩阵
Figure 794958DEST_PATH_IMAGE012
，
将
Figure 593150DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 792050DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 523246DEST_PATH_IMAGE003
变换为α-β坐标下的本次采样周期的电流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 47768DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；
b.利用PLL锁相环对配电网A相电压进行处理，得出反映A相电压相位信息的正余弦值，进而构造出同步坐标变换矩阵：
Figure 333256DEST_PATH_IMAGE016
，
利用将
Figure 601426DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 655970DEST_PATH_IMAGE014
变换为三相电路瞬时有功电流
Figure 85814DEST_PATH_IMAGE018
和瞬时无功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE019
：
Figure 858598DEST_PATH_IMAGE020
，
对
Figure 664880DEST_PATH_IMAGE018
在一个工频周期T内进行积分，得到三相电路的基波正序有功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE021
：
Figure 839509DEST_PATH_IMAGE022
；
c. 将
Figure 705834DEST_PATH_IMAGE021
进行同步坐标变换，赋予相应的相位量，得到下一采样周期的基波正序有功电流：
对同步坐标变换矩阵
Figure 434756DEST_PATH_IMAGE017
进行移相后得到
Figure DEST_PATH_IMAGE023
：
Figure 44729DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为一个采样周期与AD和DA转换时间之和，
用
Figure 605023DEST_PATH_IMAGE023
将
Figure 376670DEST_PATH_IMAGE021
、0变换为α-β坐标中的下一次采样周期的电流分量
Figure 858467DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，得式：
，
利用两相至三相变换矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
将
Figure 155773DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 629480DEST_PATH_IMAGE027
变换至三相abc坐标系，得下一采样周期的基波正序有功电流
Figure 67414DEST_PATH_IMAGE030
、、
Figure 550348DEST_PATH_IMAGE032
：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
d.下一采样周期到来时，AD采样得到系统三相电流
Figure 554076DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 198684DEST_PATH_IMAGE036
，分别减去、、
Figure 472037DEST_PATH_IMAGE032
，得到三相指令电流
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 287546DEST_PATH_IMAGE038
、，将采样得到的系统三相电流相加后取反得到零序指令电流
Figure 231231DEST_PATH_IMAGE040
，然后将指令电流
Figure 790388DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 503129DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 692802DEST_PATH_IMAGE039
 、
Figure 123784DEST_PATH_IMAGE040
直接经过DA输出至滞环比较部分，由滞环比较部分产生驱动信号对主电路部分的四桥臂自换相桥式电路的IGBT全控元件进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种高补偿精度的电力系统配电网静止同步补偿器控制方法，其特征是，将
Figure 689894DEST_PATH_IMAGE021
、0变换为α-β坐标中的下一次采样周期的电流分量时，应将直流侧电容电压PID控制器输出量
Figure DEST_PATH_IMAGE041
叠加到三相电路的基波正序有功电流
Figure 53879DEST_PATH_IMAGE021
中。
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