CN103972899A - 一种statcom接入点电压补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种STATCOM接入点电压补偿方法，包含以下步骤：计算负载的有功功率、无功功率、接入点参考电压值与有效值的电压差值，分别送入直接电压控制器，由直接电压控制器输出需要补偿的无功功率；将STATCOM直流侧电容电压的反馈值与其指令值进行比较，误差经过比例积分环节调节后的输出再与节点电压矢量相乘为STATCOM输出参考有功功率；对需要补偿的有功功率和无功功率分别控制处理，以控制STATCOM的输出。本发明的方法引入负载扰动对电压控制环节影响的补偿模块，使接入点电压控制环节模型更为精确，降低了负载扰动对电压控制环节的影响；增加了接入点电压控制的动态稳定性能和电压补偿的快速性。

Description

一种STATCOM接入点电压补偿方法

技术领域

本发明涉及一种STATCOM接入点电压补偿方法，属于电力技术领域。

背景技术

STATCOM(Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器)在配电网中的应用主要有两个方面：提高功率因数和调节系统电压。虽然这两个方面都是通过STATCOM向系统中注入无功电流来实现，但补偿的目的不同，其实现的补偿的原理也不尽相同。

通过一些控制算法可以将STATCOM等效为一个受控电源，而其中的连接电抗器、各类功率器件损耗，可以集中用等效电阻R来表示，从而得到如图3所示的简化的STATCOM的单相等效电路，交流侧的输出电压、电网电压以及补偿电流之间的相量关系如图4a、图4b所示。由于在简化的单相模型中采用了等效电阻来表示全部的有功损耗，而STATCOM作为一个独立的受控源其只和电网做无功功率的交换而不从电网吸收有功功率。所以其交流侧补偿电流相量与输出电压相量的相位无论是超前或者滞后始终相差90°，而补偿电流与电网电压的相差为90°-δ，此时STATCOM交流侧输出电流中包含一定的有功电流分量，这部分有功分量用来补偿STATCOM的各种等效损耗。因此，控制STATCOM交流输出侧电压就可以控制补偿电流的相位和大小，从而调节STATCOM吸收或发出的无功功率。

图5为STATCOM的系统简化等效接线图，其中Us为等效的电力系统电源电压，Rs+jXs为由负荷端视入的无穷大系统等效戴维南阻抗，Up为STATCOM接入点处的系统电压，也就是负荷的供电电压。当STATCOM没有投入运行时，负荷工作中所需的无功功率Q_l完全由系统承担。如果Q_l较大，有功功率P_l一定(由系统实际出力所决定的)，功率因数会很低，线路损耗也会大大增加。当STATCOM接入系统后，将产生容性无功功率Q_c，为系统提供无功支持。理想情况下，当Q_c＝Q_l时，STATCOM将完全抵消负荷从电网吸收的无功功率，使系统功率因数等于1。

在电网中，两个节点之间电压的幅度差主要是由无功功率决定的，如果系统中无功功率过大，就会产生很大的电压损耗，如果不能及时进行无功补偿，在负荷处会出现欠压现象。在图5中，假定无穷大系统提供的有功功率和无功功率分别为P_s和Q_s，负荷的有功功率和无功功率分别为P_l和Q_l，STATCOM补偿的无功功率为Q_c。则当STATCOM没有投入运行时，负荷的无功功率完全由系统承担，此时Q_s＝Q_l，系统的电压损耗为：

$\mathrm{\ΔU}=U_S-U_P\≈\frac{P_S{R}_S+Q_S{X}_S}{U_P}=\frac{P_l{R}_S+Q_l{X}_S}{U_P}---\left(1\right)$

当STATCOM投入运行后，STATCOM对负荷的无功功率进行补偿，以STATCOM向系统发出感性无功功率为无功补偿的正方向，则有：

Q_s＝Q_l-Q_c (2)

此时系统的电压损耗为：

$\mathrm{\ΔU}=U_S-U_P\≈\frac{P_S{R}_S+Q_S{X}_S}{U_P}=\frac{P_l{R}_S+(Q_l-Q_c)X_S}{U_P}---\left(3\right)$

由式(3)可以看出，只要适当控制STATCOM无功输出Q_c的大小，就能调节系统的电压损耗，从而调节系统的电压水平。

在STATCOM的两个应用领域中，对于提高系统运行功率因数时通常采用检测负载从电网中吸收的无功功率以获得STATCOM需要发出的无功功率，一般都能获得良好的动静态补偿效果，使区域配电网获得较高的功率因数。但是在STATCOM用于调节系统电压的工况时，传统的控制策略是单纯的采用PI控制器对接入点电压的实际值和参考值跟踪控制，这种控制方法虽然结构简单、控制方便，但是却忽略了负载功率变化和电网参数对接入点电压的影响，使得接入点电压控制不够准确且系统的动静态系性能不佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种STATCOM接入点电压补偿控制方法，其目的是在考虑电力系统参数和负载功率变化的情况下，对STATCOM接入点电压可能出现的电压跌落或电压泵升等电力系统故障进行补偿治理，精确的控制接入点的节点电压。

为解决上述技术问题，本发明提供一种STATCOM接入点电压补偿控制方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)采集电网公共接入点PCC处的三相相电压，负载侧的三相相电流以及STATCOM直流母线电压；

(2)计算出当前时刻负载从电网侧吸收的有功功率P_l和无功功率Q_l；

(3)获得电网公共接入点当前时刻三相电压的瞬时有效值U_P，计算出电网公共接入点参考电压值与实际瞬时有效值U_P的电压差值ΔU_P；

(4)将电网公共接入点电压差值ΔU_P和负载从电网侧吸收的有功功率P_l、无功功率Q_l，分别送入直接电压控制器DVC，由直接电压控制器输出需要补偿的无功功率Q_c；

(5)将STATCOM直流母线电压的实际值U_dc作为反馈与直流母线电压给定值进行比较，误差经过比例积分环节PI调节后的输出再与直流母线电压实际值相乘作为STATCOM输出参考有功功率P_c；

(6)对补偿STATCOM需要补偿的有功功率P_c和无功功率Q_c分别由直接功率控制模块进行控制处理，获得STATCOM的电压控制量经电压空间矢量脉宽调制控制STATCOM的输出。

步骤(4)中直接电压控制器DVC中包括PI控制器和负载功率扰动补偿模块；将电网公共接入点电压差值ΔU_P送入PI控制器计算获得STATCOM补偿无功功率第一部分Q_c1，将电网公共接入点电压差值ΔU_P、接入点电压瞬时有效值U_P、负载有功功率P_l和无功功率Q_l分别送入负载功率扰动补偿模块计算获得STATCOM补偿无功功率第二部分Q_c2，补偿无功功率第一部分Q_c1和第二部分Q_c2相加后获得最终需要补偿的无功功率Q_c。

所述负载功率扰动补偿模块中的计算式为：

$Q_{c2}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_P}{X_s}\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p},$

其中，R_S为电网系统传输线路电阻，X_S为电网系统传输线路电抗。

补偿前：

$U_s=U_p+\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p}---\left(7\right)$

补偿后：

$U_s=U_p^{\′}+\frac{P_l{R}_s+(Q_l-Q_c)X_s}{U_p^{\′}}---\left(8\right)$

其中U_p′为补偿后公共接入点电压，设这两种情况下电源电压U_s保持不变，则

$Q_c=\frac{U_p^{\′}}{X_s}(U_p^{\′}-U_p)+\frac{U_p^{\′}}{X_s}(\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p^{\′}}-\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p})---\left(9\right).$

步骤(2)中，依据采集到的PCC点三相相电压u_PCC，通过Clark变换获得PCC点电压在αβ坐标下正交电压分量u_α和u_β，采用锁相环或反三角函数获取电网电压同步信号，在对PCC点电压和负载电流，进行Clark变换和Park变换，利用瞬时无功理论，计算出当前时刻负载从电网侧吸收的有功功率P_l和无功功率Q_l。

步骤(6)中，需要补偿的有功功率P_c和无功功率Q_c由直接功率控制模块控制处理，获得STATCOM的电压控制量在dq坐标下的d轴分量v_d和q轴分量v_q，并对v_d和v_q进行dq/abc变换。

本发明所达到的有益效果：

(1)引入负载扰动对电压控制环节影响的补偿模块，使接入点电压控制环节模型更为精确，降低了负载扰动对电压控制环节的影响。

(2)增加了接入点电压控制的动态稳定性能和电压补偿的快速性。

附图说明

图1STATCOM接入点电压补偿控制方法示意图；

图2直接电压控制系统框图；

图3STATCOM单相等效电路；

图4a STATCOM电流超前工作的相量图；

图4b STATCOM电流滞后工作的相量图；

图5具有并联补偿设备的简单系统；其中G表示电力系统中的发电机，S表示电力系统T1，T2分别为电力系统中的升压变压器和降压变压器，PCC表示配电系统中的电网公共接入点。

图6补偿前公共接入点电压矢量图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。以下实施例仅更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示的本发明的技术方案：本发明是一种STATCOM接入点电压补偿控制方法。

在负载扰动的情况下，引入负载扰动和电网参数对于STATCOM控制接入点电压时的参数补偿，并能快速、准确的生成无功功率补偿指令Qc，并提高了接入点电压控制的动态性能。本发明采取的技术方案为：

(1)采集电网公共接入点(PCC)处的三相相电压瞬时值u_PCC，负载侧的三相相电流瞬时值i_L以及STATCOM直流母线电压U_dc；

(2)依据采集到的电网公共接入点的三相相电压瞬时值u_PCC，通过Clark变换获得电网公共接入点电压在αβ坐标下正交电压分量u_α和u_β，采用锁相环或反三角函数获取电网电压同步信号θ，在对电网公共接入点电压u_PCC和负载电流i_L，进行Clark变换和Park变换(按照电网电压同步信号θ进行定向)，利用瞬时无功理论，计算出当前时刻负载从电网侧吸收的有功功率P_l和无功功率Q_l；

(3)对采集到的电网公共接入点三相相电压u_PCC送入有效值处理模块处理，获得电网公共接入点当前时刻三相电压的瞬时有效值U_P，然后再与电网公共接入点参考电压有效值作差，获得电网公共接入点的电压有效值的实际值和给定值的偏差值ΔU_P；

(4)将接入点电压差值ΔU_P和负载从电网侧吸收的有功功率P_l、无功功率Q_l，分别送入直接电压控制器(DVC)，经过控制算法获得需要补偿的无功功率

(5)为了控制STATCOM直流电容电压稳定，加入直流母线电压控制环节：将STATCOM直流母线电压的实际值U_dc反馈值，与直流母线电压期望获得的给定值进行比较，误差经过比例积分环节PI调节后的输出再与直流侧电容电压的实际值U_dc相乘获得STATCOM输出参考有功功率

(6)对STATCOM需要补偿的有功功率和无功功率分别由直接功率控制模块进行控制处理，获得STATCOM的电压控制量在同步旋转dq坐标下的d轴分量v_d和q轴分量v_q，对v_d和v_q进行dq/abc变换，利用电压空间矢量脉宽调制(PWM)技术，控制STATCOM的输出。

以上所述步骤(4)中直接电压控制器(DVC)的实现方式，其具体方式为：

如图2所示，所述直接电压控制器(DVC)包括两个部分：其一，经典的PI控制器，满足一般的接入点电压变化控制需求；其二，负载功率扰动补偿模块，引入负载功率扰动和电网参数对电压控制的补偿，满足高性能动态控制要求。将接入点电压差值ΔU_P送入PI控制器计算获得STATCOM补偿无功功率第一部分Q_c1，将接入点电压差值ΔU_P、实际电压有效值U_P、负载有功功率P_l和无功功率Q_l分别送入负载功率扰动补偿模块计算获得STATCOM补偿无功功率第二部分Q_c2，补偿无功功率第一部分Q_c1和第二部分Q_c2相加后获得最终需要补偿的无功功率Q_c。

对电力系统简化数学模型的分析可知，根据数学模型可以计算出在一定的负载情况下理论上会产生的电网公共接入点电压的偏差值ΔU如式(4)所示

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔU}=(R_s+j{X}_s)I_S\\ =(R_s+j{X}_s)\left(\frac{P_l-j{Q}_l}{U_P}\right)\\ =\frac{(R_s{P}_l+X_s{Q}_l)}{U_P}+j\frac{(X_s{P}_l-R_s{Q}_l)}{U_P}\\ =\mathrm{\Δ}{V}_R+\mathrm{\Δ}{V}_X\end{array}---\left(4\right)$

其中U_P电网公共接入点电压有效值，U_S为电力系统电源电压，I_S为电网电流，Z_S＝R_S+jX_S为电网系统传输线路等效阻抗，其中，R_S为电网系统传输线路电阻，X_S为电网系统传输线路电抗；P_l为负载吸收的有功功率，Q_l为负载吸收的无功功率，ΔV_R、ΔV_X分别为电压偏差纵向分量、横向分量，其中电压降落ΔU有两部分组成，即与接入点三相相电压正交的ΔV_X和与U_pcc相位一致的ΔV_R，其相量关系如图6所示。

分析式(4)不难发现ΔV_R、ΔV_X不仅与负载无功功率分量有关同时还受到负载有功功率变化的影响，因此传统的通过检测负载无功电流来获得STATCOM补偿电压所需要的动态无功指令的方法，无法实现公共接入点电压U_PCC的准确补偿。根据电力系统无功功率平衡理论，结合传统的PI直接电压控制器给出一种带功率反馈补偿的直接电压控制策略。具有并联补偿设备的简单系统如图5所示，可以列出设备补偿后系统电压及功率关系为：

$U_s^2={[U_P+\frac{P_l{R}_s+(Q_l-Q_c)X_s}{U_P}]}^2+{\left[\frac{P_s{X}_s-(Q_l-Q_c)R_s}{U_P}\right]}^2---\left(5\right)$

式中，U_P电网公共接入点电压有效值，U_S为电网系统电压有效值，R_S+jX_S为电网系统传输线路等效阻抗，P_l为负载吸收的有功功率，Q_l为负载吸收的无功功率，P_S为计及电力系统阻抗的系统电源侧提供的有功功率。由上式可得

$\frac{Z_s^2}{U_p^2}{Q}_c^2-2(\frac{Z_s^2}{U_p^2}{Q}_l+X_s)Q_c+[U_p^2-U_s^2+2(P_l{R}_s+Q_l{X}_s)+\frac{Z_s^2}{U_p^2}(P_l^2+Q_l^2)]=0---\left(6\right)$

如果电力系统电源电压U_s已知，要求的电网公共接入点电压有效值U_P也给定，则式(6)中除了Q_c外所有参数和变量均属已知，可以求解。解得的Q_c如为正值，表示补偿设备应提供感性无功功率；反之，则吸收感性无功功率。

式(6)虽精确，实践中却不常用，根据对式(4)的分析电压偏差纵向分量ΔV_R主要影响幅值而横向分量ΔV_X主要影响相位，而在电力系统中电能进行传输的基本条件就是要求有相位差存在，同时对电气设备运行性能起到影响的主要是电网公共接入点电压的幅值。因此工程实践中常采用另一种简化的算式，略去电压偏差横向分量ΔV_X，则设备补偿前

$U_s=U_p+\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_P}---\left(7\right)$

式中，U_P为设备补偿前公共接入点电压有效值。设备补偿后

$U_s=U_p^{\′}+\frac{P_l{R}_s+(Q_l-Q_c)X_s}{U_p^{\′}}---\left(8\right)$

其中U_p′为补偿后公共接入点电压，设这两种情况下U_s保持不变，根据补偿的最终目的有则由上列两式可得

$\begin{array}{c}{Q}_c=\frac{U_p^{\′}}{X_s}(U_P^{\′}-U_P)+\frac{U_P^{\′}}{X_s}(\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_P^{\′}}-\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_P})\\ =\frac{U_P^{*}}{X_s}\mathrm{\Δ}{U}_P-\frac{\mathrm{\Δ}{U}_P}{X_s}\left(\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p}\right)\end{array}---\left(9\right)$

式中第一部分在补偿中起主导作用，第二部分可以看做引入的负载扰动。带功率反馈补偿的直接电压控制结构如图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)采集电网公共接入点PCC处的三相相电压，负载侧的三相相电流以及STATCOM直流母线电压；

(2)计算出当前时刻负载从电网侧吸收的有功功率P_l和无功功率Q_l；

(3)获得电网公共接入点当前时刻三相电压的瞬时有效值U_P，计算出电网公共接入点参考电压值与实际瞬时有效值U_P的电压差值ΔU_P；

(4)将电网公共接入点电压差值ΔU_P和负载从电网侧吸收的有功功率P_l、无功功率Q_l，分别送入直接电压控制器DVC，由直接电压控制器输出需要补偿的无功功率Q_c；

(5)将STATCOM直流母线电压的实际值U_dc作为反馈与直流母线电压给定值进行比较，误差经过比例积分环节PI调节后的输出再与直流母线电压实际值相乘作为STATCOM输出参考有功功率P_c；

(6)对补偿STATCOM需要补偿的有功功率P_c和无功功率Q_c分别由直接功率控制模块进行控制处理，获得STATCOM的电压控制量经电压空间矢量脉宽调制控制STATCOM的输出。

2.根据权利要求1所述的STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，

步骤(4)中直接电压控制器DVC中包括PI控制器和负载功率扰动补偿模块；将电网公共接入点电压差值ΔU_P送入PI控制器计算获得STATCOM补偿无功功率第一部分Q_c1，将电网公共接入点电压差值ΔU_P、接入点电压瞬时有效值U_P、负载有功功率P_l和无功功率Q_l分别送入负载功率扰动补偿模块计算获得STATCOM补偿无功功率第二部分Q_c2，补偿无功功率第一部分Q_c1和第二部分Q_c2相加后获得最终需要补偿的无功功率Q_c。

3.根据权利要求2所述的STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，

所述负载功率扰动补偿模块中的计算式为：

$Q_{c2}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_P}{X_s}\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p},$

其中，R_S为电网系统传输线路电阻，X_S为电网系统传输线路电抗。

4.根据权利要求3所述的STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，

补偿前：

$U_s=U_p+\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p}---\left(7\right)$

补偿后：

$U_s=U_p^{\′}+\frac{P_l{R}_s+(Q_l-Q_c)X_s}{U_p^{\′}}---\left(8\right)$

其中U_p′为补偿后公共接入点电压，设这两种情况下电力系统电源电压U_s保持不变，则

$Q_c=\frac{U_p^{\′}}{X_s}(U_p^{\′}-U_p)+\frac{U_p^{\′}}{X_s}(\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p^{\′}}-\frac{P_l{R}_s+Q_l{X}_s}{U_p})---\left(9\right).$

5.根据权利要求1所述的STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，步骤(2)中，依据采集到的PCC点三相相电压u_PCC，通过Clark变换获得PCC点电压在αβ坐标下正交电压分量u_α和u_β，采用锁相环或反三角函数获取电网电压同步信号，在对PCC点电压和负载电流，进行Clark变换和Park变换，利用瞬时无功理论，计算出当前时刻负载从电网侧吸收的有功功率P_l和无功功率Q_l。

6.根据权利要求1所述的STATCOM接入点电压补偿方法，其特征是，步骤(6)中，需要补偿的有功功率P_c和无功功率Q_c由直接功率控制模块控制处理，获得STATCOM的电压控制量在dq坐标下的d轴分量v_d和q轴分量v_q，并对v_d和v_q进行dq/abc变换。