CN103928935A - 一种静止同步补偿电路及其解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止同步补偿电路，包括静止同步补偿器，静止同步补偿器输出端串接电容器C_c后接入配电系统。本发明还公开了一种基于上述的静止同步补偿电路的解耦控制方法，步骤包括：步骤1、通过电压互感器检测网侧PCC与C_c上的交流电压u_s和u_cs，通过电流互感器检测无功补偿电流i_c；步骤2、通过直流电压检测电路得到直流电容器C上的电压u_dc；步骤3、列出VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式；步骤4、对静止同步补偿器采用电压外环和电流内环的双环控制。本发明的装置和方法，启动性能明显提升；开关器件电压应力明显降低，降低了补偿装置输出电流的总谐波畸变率。

Description

一种静止同步补偿电路及其解耦控制方法

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿技术领域，涉及一种静止同步补偿电路，本发明还涉及一种基于该静止同步补偿电路的解耦控制方法。

背景技术

在用户配电系统中，广泛使用的电力变压器、交流电机和交流电抗器等感性设备，它们从电网吸收大量的无功功率，增大了线路电流，在输电线路中产生额外的附加电能损耗；一些负荷的启动(如交流电机)引起的电压波动等电能质量问题会对大量的敏感用电设备造成严重影响。对电力系统中的无功功率进行快速的动态补偿，可以实现负载功率因数动态校正，降低线路损耗，提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡，改善电压调整率，减少电压和电流的不平衡等。

投切电容器对无功功率进行补偿在实际中得到了广泛应用。目前的电容器投切技术已由早期的机械断路器发展为晶闸管，减少了前者投切时的冲击电流和操作难度。但是，电容器进行无功补偿不能解决无功功率连续调节的问题，而且在实际应用中其占用的空间较大。采用恒直流电压控制的静止同步补偿器(STATCOM)作为一种并联型电能质量控制技术，因其响应速度快，可以发出连续可调的感性无功和容性无功，且不会引起谐振短路，能综合解决电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不平衡等电能质量问题。因此，STATCOM在配电网中颇受关注，成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。由于STATCOM是一种全电力电子技术智能装置，目前成本较高，而且随着开关器件耐压水平的增加，其价格呈指数规律增长。混合无功补偿技术是目前无功补偿技术发展的一个重要方向，它将电容器和静止同步补偿器结合在一起，可降低静止同步补偿器的容量要求。传统静止同步补偿电路由电容器和静止同步补偿器并联而成，在相同的负荷感性无功需求下，静止同步补偿器容量可降低一半。

发明内容

本发明的目的是提供一种静止同步补偿电路，电容器与静止同步补偿器直接串联，这种拓扑可以降低静止同步补偿器的直流侧电压，从而降低补偿器对电力电子器件耐压水平的要求。

本发明的另一目的是提供一种基于该静止同步补偿电路的解耦控制方法，实现与上述主电路拓扑对应的恒直流电压解耦控制。

本发明采用的技术方案是，一种静止同步补偿电路，包括静止同步补偿器，静止同步补偿器输出端串接电容器C_c后接入配电系统。

本发明采用的另一技术方案是，一种基于上述的静止同步补偿电路的解耦控制方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、通过电压互感器检测网侧PCC与C_c上的交流电压u_s和u_cs，通过电流互感器检测无功补偿电流i_c；

步骤2、通过直流电压检测电路得到直流电容器C上的电压u_dc；

步骤3、列出VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式；

步骤4、对静止同步补偿器采用电压外环和电流内环的双环控制。

本发明的有益效果是：静止同步补偿电路的启动性能明显优于传统静止同步补偿电路；静止同步补偿器的开关器件电压应力降低了25%左右，同时有效降低了补偿装置输出电流的总谐波畸变率。

附图说明

图1是传统静止同步补偿电路的拓扑图；

图2是本发明的静止同步补偿电路的拓扑图；

图3是本发明静止同步补偿电路及传统静止同步补偿电路的无功补偿电流与逆变器输出电压关系曲线；

图4是本发明结构中的静止同步补偿器dq坐标系下变量耦合示意图；

图5是本发明结构中的静止同步补偿器直流电压控制结构框图；

图6是本发明结构中的静止同步补偿器解耦控制框图；

图7是本发明结构中的静止同步补偿器dq坐标系中q轴控制结构框图；

图8是本发明静止同步补偿电路实施例1仿真结果波形；

图9是传统静止同步补偿电路实施例1仿真结果波形；

图10是本发明静止同步补偿电路实施例2仿真结果波形；

图11是传统静止同步补偿电路实施例2仿真结果波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是传统静止同步补偿电路的典型拓扑结构，电容器C_p与静止同步补偿器(STATCOM)并联接入配电系统，静止同步补偿器则由直流电容器C与电压源换流器VSC并联后与滤波电感L_c再进行串联而成。通过调节VSC逆变输出电压U_c与网侧电压U_s的相对大小，动态连续补偿负荷变化的无功功率。图3中的线段AB表示静止同步补偿器的U_c与其无功补偿电流之间的关系，线段BG表示C_p的无功补偿电流特性，线段EF表示传统静止同步补偿电路无功补偿电流I_c与U_c之间的关系。

参照图2，本发明静止同步补偿电路的拓扑结构是，包括静止同步补偿器(STATCOM)，静止同步补偿器(STATCOM)输出端通过电容器C_c后接入配电系统，静止同步补偿器还是由直流电容器C与电压源换流器VSC并联后与滤波电感L_c再进行串联而成。通过调节VSC逆变输出电压U_c与网侧电压U_s的相对大小和极性，能够动态连续补偿负荷变化的无功功率。U_c与无功补偿电流I_c之间的关系如图3中的线段CD所示。本发明电路的拓扑结构中，VSC逆变输出电压U_c始终低于网侧电压U_s。

图1和图2中VSC结构相同，每相桥臂由上下两个开关器件构成，承受无功补偿所需直流电压。

本发明基于该静止同步补偿电路的解耦控制方法，基于图2所示的拓扑结构，按照以下步骤具体实施：

步骤1、通过电压互感器检测网侧PCC电压u_s与C_c上的电压u_cs，通过电流互感器检测无功补偿电流i_c；

步骤2、通过直流电压检测电路得到直流电容器C上的电压u_dc；

步骤3、列出VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式，如式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{cs}}+u_c=u_s\\ i_c=C_c\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.,---\left(1\right)$

以u_s的a相电压为参考相位，且dq坐标系的d轴与a相相位重合，d轴表示有功分量参考轴，q轴表示无功分量参考轴，再对式(1)进行abc-dq和拉普拉斯变换，得到下式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{U}_{c.d}\\ U_{c.q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-s{L}_c& \mathrm{\ω}{L}_c\\ -\mathrm{\ω}{L}_c& -s{L}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c.d}\\ I_{c.q}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_s\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cs}.d}\\ U_{\mathrm{cs}.q}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{I}_{c.d}\\ I_{c.q}\end{array}\right]=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}s{C}_c& -\mathrm{\ω}{C}_c\\ \mathrm{\ω}{C}_c& s{C}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cs}.d}\\ U_{\mathrm{cs}.q}\end{array}\right]\end{array}\right.,---\left(2\right)$

式(2)中，电压方程d轴等式中含有q轴变量I_c.q，q轴等式中含有d轴变量I_c.d；补偿电流d轴表达式中含有q轴变量U_cs.q，q轴表达式中含有d轴变量U_cs.d，将式(2)以图4所示框图表示，图中虚线表示耦合项。由于dq轴变量相互影响，这给静止同步补偿器的控制器设计造成了一定的困难。

步骤4、对静止同步补偿器采用电压外环和电流内环的双环控制

电压外环的作用是控制静止同步补偿器无功补偿所需要直流电压u_dc于其指令电压如图5所示，具体控制过程是：以G_dc(s)表示的静止同步补偿器直流电压控制器，根据直流指令电压与其实际电压u_dc的压差，产生一个以有功电流i_dc表示的控制量，i_dc对直流电容器C充放电，即i_dc通过1/Cs后转变为u_dc，实现静止同步补偿器直流电压的反馈控制，使得u_dc能够紧紧跟随

电流内环的作用主要是控制静止同步补偿器输出的无功电流，实现网侧电源单位功率因数运行。

根据步骤3中的分析可知，VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式转换到dq坐标系后，相关变量之间存在耦合，使控制过程变的更加复杂。为此，本发明采用耦合项前馈的方法消除其影响，如图6所示，具体控制过程是：首先，对u_s进行锁相操作(PLL操作)，以获取dq变换需要的单位正余弦信号(sin和-cos)，对负荷电流i_L作dq变换，将得到q轴分量作无功指令电流直流电压闭环控制输出电流i_dc作为有功指令电流对静止同步补偿器补偿电流i_c、串联电容器C_c上的电压u_cs和网侧PCC电压u_s分别作dq变换，依次得到i_c的dq轴电流分量I_c.d和I_c.q，（I_c.d是有功补偿电流，I_c.q是无功补偿电流），u_cs的dq轴电压分量U_cs.d和U_cs.q，u_s的d轴分量电压U_s(q轴为零)。其次，电流闭环控制的反馈信号I_c.d和I_c.q分别加上ωC_cU_cs.q和-ωC_cU_cs.d，以消除U_cs.q对I_c.d和U_cs.d对I_c.q的耦合影响，静止同步补偿器dq轴电流控制器G_c(s)，分别根据dq轴电流偏差和产生dq轴控制电压，dq轴控制电压分别加上ωL_cI_c.q和-ωL_cI_c.d，以消除I_c.d和I_c.q对dq轴控制电压的耦合影响，通过dq轴电压电流耦合项的解耦，实现了dq轴电流的独立闭环控制。

以q轴为例，图7给出了以q轴表示的无功电流闭环控制框图。图7中q轴电流控制器G_c(s)根据无功指令电流和无功电流I_c.q的差值差生一个q轴控制电压，由于I_c.q的获取要经过PWM调制、计算和滤波，会有一个T_PWM表示的时间延迟，在控制结构上表现为G_c(s)产生的q轴控制电压乘以一个阶惯性环节(图6所示解耦框图不再体现)，q轴控制电压再加上U_cs.q，得到VSC上的q轴控制电压U_c.q(U_c.q作用于滤波电感，产生无功补偿电流I_c.q，I_c.q经过C_c并在其上产生压降U_cs.q)。最后，对得到VSC的dq轴控制电压U_c.q和U_c.d进行dq反变换，得到静止坐标系下VSC逆变输出控制电压u_c，最终实现使静止同步补偿器补偿电流I_c.d和I_c.q紧紧跟随和

参照图8和图9，是本发明静止同步补偿电路与传统静止同步补偿电路(C_p不投入)启动过程的比较，明显可见，本发明静止同步补偿电路的启动性能明显优于传统静止同步补偿电路。

参照图10和图11，设本发明静止同步补偿电路与传统静止同步补偿电路的额定容量为Q_N，逆变输出电压幅植为U_c，当负荷无功Q=0时，传统静止同步补偿电路u_c与网侧电压u_s同相但幅值小于U_s，本发明中u_c与u_s同相且幅值相等；当Q=0.5Q_N时传统静止同步补偿电路不输出无功，u_c与u_s同相且幅值相等，本发明中u_c与u_s同相但幅值几乎为0；当Q=Q_N时传统静止同步补偿电路补偿负荷无功，u_c与u_s相位相同但幅值比Q=0.5Q_N时的U_c更大，本发明u_c与u_s幅值基本一致但相位相反。

Claims (6)

1.一种静止同步补偿电路，其特点在于：包括静止同步补偿器，静止同步补偿器输出端串接电容器C_c后接入配电系统。

2.根据权利要求1所述的静止同步补偿电路，其特点在于：所述的静止同步补偿器的交流滤波支路由滤波电感L_c和电容器C_c串接而成。

3.一种基于权利要求1所述的静止同步补偿电路的解耦控制方法，其特点在于，按照以下步骤具体实施：

步骤1、通过电压互感器检测网侧PCC与C_c上的交流电压u_s和u_cs，通过电流互感器检测无功补偿电流i_c；

步骤2、通过直流电压检测电路得到直流电容器C上的电压u_dc；

步骤3、列出VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式；

步骤4、对静止同步补偿器采用电压外环和电流内环的双环控制。

4.根据权利要求3所述的解耦控制方法，其特点在于，所述的步骤3中，VSC交流侧电压平衡方程和C_c上的电压电流关系式，如式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{cs}}+u_c=u_s\\ i_c=C_c\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.,---\left(1\right)$

以u_s的a相电压为参考相位，且dq坐标系的d轴与a相相位重合，d轴表示有功分量参考轴，q轴表示无功分量参考轴，再对式(1)进行abc-dq和拉普拉斯变换，得到下式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{U}_{c.d}\\ U_{c.q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-s{L}_c& \mathrm{\ω}{L}_c\\ -\mathrm{\ω}{L}_c& -s{L}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c.d}\\ I_{c.q}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_s\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cs}.d}\\ U_{\mathrm{cs}.q}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{I}_{c.d}\\ I_{c.q}\end{array}\right]=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}s{C}_c& -\mathrm{\ω}{C}_c\\ \mathrm{\ω}{C}_c& s{C}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cs}.d}\\ U_{\mathrm{cs}.q}\end{array}\right]\end{array}\right.,---\left(2\right)$

式(2)中，电压方程d轴等式中含有q轴变量I_c.q，q轴等式中含有d轴变量I_c.d；补偿电流d轴表达式中含有q轴变量U_cs.q，q轴表达式中含有d轴变量U_cs.d。

5.根据权利要求3所述的解耦控制方法，其特点在于，所述的步骤4中，电压外环具体控制过程是：以G_dc(s)表示的静止同步补偿器直流电压控制器，根据直流指令电压与其实际电压u_dc的压差，产生一个以有功电流i_dc表示的控制量，i_dc对直流电容器C充放电，即i_dc通过1/Cs后转变为u_dc，实现静止同步补偿器直流电压的反馈控制，使得u_dc能够紧紧跟随

6.根据权利要求3所述的解耦控制方法，其特点在于，所述的步骤4中，电流内环具体控制过程是：首先，对u_s进行锁相操作，以获取dq变换需要的单位正余弦信号，对负荷电流i_L作dq变换，将得到q轴分量作无功指令电流直流电压闭环控制输出电流i_dc作为有功指令电流对静止同步补偿器补偿电流i_c、串联电容器C_c上的电压u_cs和网侧PCC电压u_s分别作dq变换，依次得到i_c的dq轴电流分量I_c.d和I_c.q，u_cs的dq轴电压分量U_cs.d和U_cs.q，u_s的d轴分量电压U_s；其次，电流闭环控制的反馈信号I_c.d和I_c.q分别加上ωC_cU_cs.q和-ωC_cU_cs.d，以消除U_cs.q对I_c.d和U_cs.d对I_c.q的耦合影响，静止同步补偿器dq轴电流控制器G_c(s)，分别根据dq轴电流偏差和产生dq轴控制电压，dq轴控制电压分别加上ωL_cI_c.q和-ωL_cI_c.d，以消除I_c.d和I_c.q对dq轴控制电压的耦合影响，通过dq轴电压电流耦合项的解耦，实现了dq轴电流的独立闭环控制。