CN104124695A - 一种星形链式高压statcom低电压穿越控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法与装置。通过在电网电压指令的前馈解耦控制，结合负序电流相间均压控制，在三相电压发生对称跌落或者不对称跌落时，保证高压STATCOM的换流链电压的稳定，同时保证暂态过程的平稳过渡。该方法解决了在电网电压波动率较高的条件下，正常投运高压STATCOM的电网适应性问题。该方法能够有效的在0.2p.u.到0.4p.u.跌落情况下实现高压STATCOM的正常运行，并且在电网电压恢复正常时，能够快速恢复。该方法实现简单，控制性能良好，具有较强的工程应用前景。

Description

一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法与装置

技术领域

本发明涉及一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法与装置。

背景技术

随着新能源的大规模集中及分散式接入电网，电力系统输配电网络结构也随之改变。传统的强交流互联，转换为交流超高压电网为主，三纵三横直流远距离互联。由于距离因素和电机类负荷量大，需要消耗大量的无功功率。另一方面，电力系统对电能质量特别是无功的要求越来越高。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM具有响应速度快、体积小、功率调节范围宽、不易引起谐振等优点，被认为是目前最先进的无功补偿装置，大容量STATCOM的使用有利于提高输电能力并增强系统稳定性。

高压STATCOM的星形拓扑结构(如图1)在35kV及其以下电压等级应用广泛，其优点为：星形拓扑下换流链仅承受相电压，相对耐压较低，绝缘要求小，小容量情况下容易对IGBT进行器件选型，具有成本低、体积小等优点。

电力系统会由于短路或者投切负荷、雷击等产生电压的暂态上升或者暂态下降。其中，暂态下降又被称为跌落在系统中较为常见。跌落的类型主要有三相跌落、两相跌落和单相跌落等。

三相跌落是指电力系统三相电压都发生了跌落，产生了幅值和相位的差异。两相跌落是指由于两相之间发生短路或者其他故障，两相电压发生了幅值和相位的差异。单相跌落是指仅有一相电压的幅值和相位发生改变。

如果高压STATCOM没有相应的低电压穿越功能，则在发生跌落的时候，会产生暂态故障，主要是指：装置过流以及三相换流链直流母线电压不均甚至过压故障。

装置过流产生的原因是，由于未加入低电压穿越控制功能，电力电子装置的调制度不能够迅速改变，那么STATCOM的电抗器会产生较大的电压差，从而形成瞬态过电流，引起装置故障。

装置产生直流母线不均的原因是，如果不加入低电压穿越控制，跌落一相的换流链电压必然会发生降低，这样三相会发生不对称，瞬态可能造成某些链节电压抬升，引起过压故障。

该方法解决了在电网电压波动率较高的条件下，正常投运高压STATCOM的电网适应性问题。经试验证明，该方法能够有效的在0.2p.u.到0.4p.u.跌落情况下实现高压STATCOM的正常运行，并且在电网电压恢复正常时，能够快速恢复。该方法实现简单，控制性能良好，具有较强的工程应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法与装置，用以解决现有技术对电网电压快速跟随的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法，包括如下步骤：

1)，比较直流电压给定值(u^* _dc)与三相直流电压平均值(u_{dc_av})，通过PI调节输出d轴正序直流电流给定值d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压给定值(u'_d+)，d轴正序直流电压给定值(u'_d+)与带前馈系数的d轴正序电网电压(K·u_gd+)相比较，输出d轴正序直流电压信号(u_d+)；

2)，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压给定值(u'_q+)，q轴正序直流电压给定值(u'_q+)与带前馈系数的q轴正序电网电压(K·u_gq+)相比较，输出q轴正序直流电压信号(u_q+)；

3)d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压给定值(u'_d-)，d轴负序直流电压给定值(u'_d-)与带前馈系数的d轴负序电网电压(K·u_gd-)相比较，输出d轴负序直流电压信号(u_d-)；

4)q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压给定值(u'_q-)，q轴负序直流电压给定值(u'_q-)与带前馈系数的q轴负序电网电压(K·u_gq-)相比较，输出q轴负序直流电压信号(u_q-)；

5)，d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下正序输出(U^* _abc+)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下负序输出(U^* _abc-)；正序输出(U^* _abc+)与负序输出(U^* _abc-)直接叠加得到调制信号(U^* _{abc_tatal})进行PWM调制。

所述前馈系数K:

$K=\frac{{1.414U}_{p,g}}{N\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_\mathrm{abc}}(p.u.)}---\left(1\right)$

式(1)中，U_p,g为相电压的有效值，U_{dc_ref}为参考直流母线电压，N为每相换流链的链节数，U_{dc_av_abc}为瞬时直流母线电压的平均值，其为标幺值，相当于参考直流母线电压的比例。

所述d轴负序直流电流给定值q轴负序直流电流给定值是通过三相换流链的直流母线平均值依照式(2)得到ΔU_dc(d)与ΔU_dc(q)，然后分别经过PI调节得到

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(d\right)}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(q\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_a}-\frac{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b}+U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b})\end{array}\right]---\left(2\right)$

U_{dc_av_a}、U_{dc_av_b}、U_{dc_av_c}分别为A、B、C相换流链直流母线电压的平均值。

一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制装置，包括如下模块：

模块1)，比较直流电压给定值(u^* _dc)与三相直流电压平均值(u_{dc_av})，通过PI调节输出d轴正序直流电流给定值d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压给定值(u'_d+)，d轴正序直流电压给定值(u'_d+)与带前馈系数的d轴正序电网电压(K·u_gd+)相比较，输出d轴正序直流电压信号(u_d+)；

模块2)，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压给定值(u'_q+)，q轴正序直流电压给定值(u'_q+)与带前馈系数的q轴正序电网电压(K·u_gq+)相比较，输出q轴正序直流电压信号(u_q+)；

模块3)d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压给定值(u'_d-)，d轴负序直流电压给定值(u'_d-)与带前馈系数的d轴负序电网电压(K·u_gd-)相比较，输出d轴负序直流电压信号(u_d-)；

模块4)q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压给定值(u'_q-)，q轴负序直流电压给定值(u'_q-)与带前馈系数的q轴负序电网电压(K·u_gq-)相比较，输出q轴负序直流电压信号(u_q-)；

模块5)，d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下正序输出(U^* _abc+)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下负序输出(U^* _abc-)；正序输出(U^* _abc+)与负序输出(U^* _abc-)直接叠加得到调制信号(U^* _{abc_tatal})进行PWM调制。

所述前馈系数K:

$K=\frac{{1.414U}_{p,g}}{N\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_\mathrm{abc}}(p.u.)}---\left(1\right)$

式(1)中，U_p,g为相电压的有效值，U_{dc_ref}为参考直流母线电压，N为每相换流链的链节数，U_{dc_av_abc}为瞬时直流母线电压的平均值，其为标幺值，相当于参考直流母线电压的比例。

所述d轴负序直流电流给定值q轴负序直流电流给定值是通过三相换流链的直流母线平均值依照式(2)得到ΔU_dc(d)与ΔU_dc(q)，然后分别经过PI调节得到

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(d\right)}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(q\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_a}-\frac{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b}+U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b})\end{array}\right]---\left(2\right)$

U_{dc_av_a}、U_{dc_av_b}、U_{dc_av_c}分别为A、B、C相换流链直流母线电压的平均值。

本发明中，在电压闭环中增加带前馈系数的电网电压反馈，从而能够实现对电网电压的快速跟随。

进一步的，通过引入负序电压均压控制，能够消除暂态过电流，实现负序电流相间均压控制，用于在不平衡时稳定直流母线电压。

附图说明

图1是星形链式STATCOM装置本体结构图(其中仅画出一个链节的结构)；

图2是本发明实施例的控制框图；

图3是负序电流相间均压控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的一种实施方式，一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法，具体的控制结构如图1所示：包括正序和负序控制，正序和负序叠加形成调制指令，实现对换流链的触发控制。

具体来说，对于正序：比较直流电压给定值(u^* _dc)与三相直流电压平均值(u_{dc_av})，通过PI调节输出d轴正序直流电流给定值d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压给定值(u'_d+)，d轴正序直流电压给定值(u'_d+)与带前馈系数的d轴正序电网电压(K·u_gd+)相比较，输出d轴正序直流电压信号(u_d+)。

q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压给定值(u'_q+)，q轴正序直流电压给定值(u'_q+)与带前馈系数的q轴正序电网电压(K·u_gq+)相比较，输出q轴正序直流电压信号(u_q+)。

正序由系统给定直流电压给定值(u^* _dc)，产生d轴正序直流电流给定值q轴正序直流电流给定值直接由系统给定。关于d轴正序直流电流反馈值(i_d+)，q轴正序直流电流反馈值(i_q+)的取得是由采样与坐标变换得到，具体过程与本发明过程无关，故未画出具体过程。

对于负序：d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压给定值(u'_d-)，d轴负序直流电压给定值(u'_d-)与带前馈系数的d轴负序电网电压(K·u_gd-)相比较，输出d轴负序直流电压信号(u_d-)。

q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压给定值(u'_q-)，q轴负序直流电压给定值(u'_q-)与带前馈系数的q轴负序电网电压(K·u_gq-)相比较，输出q轴负序直流电压信号(u_q-)。

d轴负序直流电流给定值q轴负序直流电流给定值是通过三相换流链的直流母线平均值依照式(2)得到ΔU_dc(d)与ΔU_dc(q)，然后分别经过PI调节得到

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(d\right)}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(q\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_a}-\frac{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b}+U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b})\end{array}\right]---\left(2\right)$

U_{dc_av_a}、U_{dc_av_b}、U_{dc_av_c}分别为A、B、C相换流链直流母线电压的平均值，U_{dc_av}为三相总平均值。

d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下正序输出(U^* _abc+)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下负序输出(U^* _abc-)；正序输出(U^* _abc+)与负序输出(U^* _abc-)直接叠加得到调制信号(U^* _{abc_tatal})进行PWM调制。

前馈系数K:

$K=\frac{{1.414U}_{p,g}}{N\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_\mathrm{abc}}(p.u.)}---\left(1\right)$

式(1)中，U_p,g为相电压的有效值，U_{dc_ref}为参考直流母线电压，N为每相换流链的链节数，U_{dc_av_abc}为瞬时直流母线电压的平均值，其为标幺值，相当于参考直流母线电压的比例。

U^* _abc+，U^* _abc-分别为输出的abc坐标系下正序、负序输出，直接进行加法叠加，得到U^* _{abc_tatal}调制信号，与三角载波经过SPWM调制，触发STATCOM各级联H桥的各个桥臂。由调制信号进行SPWM调制过程属于现有计算，在此不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)，比较直流电压给定值(u^* _dc)与三相直流电压平均值(u_{dc_av})，通过PI调节输出d轴正序直流电流给定值d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压给定值(u'_d+)，d轴正序直流电压给定值(u'_d+)与带前馈系数的d轴正序电网电压(K·u_gd+)相比较，输出d轴正序直流电压信号(u_d+)；

2)，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压给定值(u'_q+)，q轴正序直流电压给定值(u'_q+)与带前馈系数的q轴正序电网电压(K·u_gq+)相比较，输出q轴正序直流电压信号(u_q+)；

3)d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压给定值(u'_d-)，d轴负序直流电压给定值(u'_d-)与带前馈系数的d轴负序电网电压(K·u_gd-)相比较，输出d轴负序直流电压信号(u_d-)；

4)q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压给定值(u'_q-)，q轴负序直流电压给定值(u'_q-)与带前馈系数的q轴负序电网电压(K·u_gq-)相比较，输出q轴负序直流电压信号(u_q-)；

5)，d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下正序输出(U^* _abc+)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下负序输出(U^* _abc-)；正序输出(U^* _abc+)与负序输出(U^* _abc-)直接叠加得到调制信号(U^* _{abc_tatal})进行PWM调制。

2.根据权利要求1所述的一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法，其特征在于，所述前馈系数K:

$K=\frac{{1.414U}_{p,g}}{N\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_\mathrm{abc}}(p.u.)}---\left(1\right)$

式(1)中，U_p,g为相电压的有效值，U_{dc_ref}为参考直流母线电压，N为每相换流链的链节数，U_{dc_av_abc}为瞬时直流母线电压的平均值，其为标幺值，相当于参考直流母线电压的比例。

3.根据权利要求1所述的一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制方法，其特征在于，所述d轴负序直流电流给定值q轴负序直流电流给定值是通过三相换流链的直流母线平均值依照式(2)得到ΔU_dc(d)与ΔU_dc(q)，然后分别经过PI调节得到

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(d\right)}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(q\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_a}-\frac{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b}+U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b})\end{array}\right]---\left(2\right)$

U_{dc_av_a}、U_{dc_av_b}、U_{dc_av_c}分别为A、B、C相换流链直流母线电压的平均值。

4.一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制装置，其特征在于，包括如下模块：

模块1)，比较直流电压给定值(u^* _dc)与三相直流电压平均值(u_{dc_av})，通过PI调节输出d轴正序直流电流给定值d轴正序直流电流给定值与d轴正序直流电流反馈值(i_d+)相比较，通过PI调节输出d轴正序直流电压给定值(u'_d+)，d轴正序直流电压给定值(u'_d+)与带前馈系数的d轴正序电网电压(K·u_gd+)相比较，输出d轴正序直流电压信号(u_d+)；

模块2)，q轴正序直流电流给定值与q轴正序直流电流反馈值(i_q+)相比较，通过PI调节输出q轴正序直流电压给定值(u'_q+)，q轴正序直流电压给定值(u'_q+)与带前馈系数的q轴正序电网电压(K·u_gq+)相比较，输出q轴正序直流电压信号(u_q+)；

模块3)d轴负序直流电流给定值与d轴负序直流电流反馈值(i_d-)相比较，通过PI调节输出d轴负序直流电压给定值(u'_d-)，d轴负序直流电压给定值(u'_d-)与带前馈系数的d轴负序电网电压(K·u_gd-)相比较，输出d轴负序直流电压信号(u_d-)；

模块4)q轴负序直流电流给定值与q轴负序直流电流反馈值(i_q-)相比较，通过PI调节输出q轴负序直流电压给定值(u'_q-)，q轴负序直流电压给定值(u'_q-)与带前馈系数的q轴负序电网电压(K·u_gq-)相比较，输出q轴负序直流电压信号(u_q-)；

模块5)，d轴正序直流电压信号(u_d+)与q轴正序直流电压信号(u_q+)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下正序输出(U^* _abc+)，d轴负序直流电压信号(u_d-)与q轴负序直流电压信号(u_q-)进行两相旋转到三相静止坐标变换得到三相静止坐标系下负序输出(U^* _abc-)；正序输出(U^* _abc+)与负序输出(U^* _abc-)直接叠加得到调制信号(U^* _{abc_tatal})进行PWM调制。

5.根据权利要求4所述的一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制装置，其特征在于，所述前馈系数K:

$K=\frac{{1.414U}_{p,g}}{N\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}\·U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_\mathrm{abc}}(p.u.)}---\left(1\right)$

式(1)中，U_p,g为相电压的有效值，U_{dc_ref}为参考直流母线电压，N为每相换流链的链节数，U_{dc_av_abc}为瞬时直流母线电压的平均值，其为标幺值，相当于参考直流母线电压的比例。

6.根据权利要求4所述的一种星形链式高压STATCOM低电压穿越控制装置，其特征在于，所述d轴负序直流电流给定值q轴负序直流电流给定值是通过三相换流链的直流母线平均值依照式(2)得到ΔU_dc(d)与ΔU_dc(q)，然后分别经过PI调节得到

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(d\right)}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}\left(q\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_a}-\frac{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b}+U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}(U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_c}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{av}\_b})\end{array}\right]---\left(2\right)$

U_{dc_av_a}、U_{dc_av_b}、U_{dc_av_c}分别为A、B、C相换流链直流母线电压的平均值。