CN104135015B - 一种基于h桥级联型statcom改进的软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法。其特征在于，该方法的主要步骤为：STATCOM启动时，串联接入限流电阻，控制各单元开关器件脉冲信号使之能够最大化的吸收电网提供的有功能量，对装置进行预充电；预充电完成后，切除限流电阻，装置转入空载运行阶段；空载运行阶段，采用电压逐步升高法提供直流侧电压给定值；直流侧电压稳定上升至给定值，转入带载运行阶段，启动过程完毕。本发明所提供的装置软启动方法自预充电阶段对各单元开关器件的脉冲信号进行控制，不仅大大减小了预充电阶段装置输出电流的谐波畸变率，还有效地提高了预充电阶段直流侧电压稳态值；直流侧电压给定值采用电压逐步升高法提供，使得直流侧电容电压能够平稳无超调的升至给定值。

Description

一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法

技术领域

本发明涉及H桥级联型静止同步补偿器，特别是一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法。

背景技术

H桥级联型STATCOM具有模块化、易扩展的优点，在中、高压无功补偿领域具有广泛的应用前景。H桥级联型STATCOM主电路拓扑结构如图1所示，装置每相有n个逆变单元级联而成，每个逆变单元直流侧有独立的电容用于储能，为STATCOM提供直流电压支撑。STATCOM三相换流链星形连接，通过连接电抗器并连接入电网。图1中L为装置的连接电抗器，u_dc1、u_dcn分别为A相单元1与单元n的直流侧电容电压。

软启动技术是静止同步补偿器实用化的关键技术之一。由于STATCOM的交流侧电感值很小，直流侧仅有电容，如果不经过软启动过程直接将较大的指令电流送给指令跟踪控制电路，将产生很大的冲击电流，导致直流侧电压波动较大，对开关器件的安全造成威胁。软启动主要目的是抑制启动过程中的电流冲击和直流侧电容电压超调等不利因素，保证装置能安全平稳地启动并顺利投入运行。

目前STATCOM所采用的软启动方法包含以下三个步骤：

步骤(1)预充电

预充电电路如图2所示，装置启动时，闭合断路器KM1，KM2保持关断状态，封闭各单元开关器件的触发脉冲，使之始终保持关断状态。系统利用限流电阻与级联各单元续流二极管对直流侧电容进行充电。

步骤(2)切除限流电阻

在预充电阶段，STATCOM处于不控整流状态，直流侧电容电压缓慢上升至稳定值，待直流侧电压达到稳定状态后，闭合KM2，切除限流电阻。

步骤(3)STATCOM电压外环软启动

限流电阻切除后，装置转入空载运行阶段。为避免冲击电流和电容电压波动较大，空载运行阶段对电流指令加以控制使得直流侧电容电压能平稳无超调的达到参考给定值，待单元直流侧电压升至给定值，装置转入带载运行阶段，启动过程完毕。

上述基于H桥级联型STATCOM的软启动方法存在以下缺点：

(1)在预充电阶段，STATCOM处于不控整流状态，此时装置输出电流波形质量较差，预充电过程装置向电网注入了大量谐波，极易对电网造成污染。

(2)理想情况下H桥级联型STATCOM在预充电阶段可与电网等效为三组级联的单相桥式不可控整流电路，由此可计算出预充电阶段直流侧电容电压所能升至的稳态值为：

$\frac{0.9}{n}\·U_s\≤u_d\≤\frac{\sqrt{2}}{n}\·U_s$

式中n为每相级联单元数目，U_s为电网相电压有效值，u_d为预充电阶段电容电压稳态值。由计算可知，预充电阶段装置直流侧电容电压稳态值不足以保证装置处于可控状态。考虑到变流器自身损耗并将连接电抗器等效为电感L，STATCOM的启动过程相量图如图3所示。图中为变流器交流侧输出电压，为变流器输出电流，为电网电压，X为连接电抗，δ为变流器输出电压与电网电压的相位差。预充电过程结束后装置转入空载运行时刻输出电压电流相量图如图3(a)所示，由于不控整流阶段直流侧电容电压不足以升至较高水平，转入空载运行时装置输出能力有限，电网在为装置提供的有功能量的同时通过装置交流侧注入了大量的无功电流，在此阶段电流内环会形成较大的冲击电流，STATCOM可能会因此启动保护措施而退出运行。

因此，合理改进STATCOM的软启动过程对于静止同步补偿器的推广应用具有十分重大的现实意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：针对目前软启动过程中存在的缺陷，在不额外增加硬件电路的基础上提出一种适用于H桥级联型STATCOM改进的软启动控制方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法，该方法在装置预充电阶段对各单元开关器件的脉冲信号加以控制，使得装置能够在预充电阶段最大化的吸收电网侧提供的有功功率，有效提高预充电阶段直流侧电容电压稳态值；单元直流侧电压给定值采用电压逐步升高法提供，避免了启动阶段装置各单元直流侧电容电压因超调而引起较大的波动。其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤(1)预充电

装置启动时，在装置进线端串联接入限流电阻，对各单元开关器件的脉冲信号进行控制，使装置能够在预充电阶段最大化的吸收电网侧提供的有功功率。

步骤(2)切除限流电阻

通过并联在各单元直流侧电容上的电压传感器采集各单元直流侧电压瞬时值，经计算求取单元直流侧电压平均值，待直流侧电压平均值缓慢升至稳态值时，切除限流限流电阻。

步骤(3)STATCOM空载运行

限流电阻切除后装置转入空载运行阶段，采用给定电压逐步升高法控制单元直流侧电容电压平稳无超调的达到给定值。

步骤(4)STATCOM带载运行

对步骤2所计算出的单元直流侧电压平均值进行监测，单元直流侧电压平均值按照给定电压曲线升至给定值后，装置转入带载运行阶段，软启动过程完毕。

所述步骤1中由于预充电阶段装置交流侧串联接入阻值较大的限流电阻R，连接电抗器感抗值可忽略不计，因此装置输出电压、电流基本同相位，H桥级联型STATCOM每相吸收的有功功率为：

P＝U_o·I_o (1)

式中U_o为装置每相输出电压有效值，I_o为装置每相吸收有功电流有效值。

令装置输出电压与网侧电压同相位，由于理想情况下电网中性点与装置中性点等电位，可得装置与电网回路等效表达式为：

U_s＝R·I_o+U_o (2)

式中U_s为电网相电压有效值，R为限流电阻，令式2带入式1可得：

$P=-\frac{1}{R}\·{(U_o-\frac{U_s}{2})}^2+\frac{U_s^2}{4\·R}---\left(3\right)$

由式3可知，当装置输出电压相位与电网电压同相且输出相电压有效值时，装置在启动阶段吸收电网提供的有功功率可达到最大化。

具体实现方法为：通过网侧电压传感器采样可得三相电网电压瞬时值，对采样所得数据进行运算，即可生成一组相位与电网电压相同、幅值为电网相电压一半的正弦波信号，将此正弦波信号作为调制波输入调制单元，通过调制单元所输出的脉冲信号控制开关器件即可实现预充电阶段吸收有功能量最大化。

步骤3中给定电压逐步升高法采用斜坡函数作为给定信号，直流侧电容电压给定值从预充电阶段达到稳态电压u_d开始递增，每个基波周期给定值递增Δu，k个基波周期后达到参考给定值，表达式为：

$u_{\mathrm{dc}}^{*}=u_d+k\·\mathrm{\Δu}---\left(4\right)$

式中其中t为直流侧电容电压给定值从稳态电压u_d达到电压参考给定值的时间，T_s为基波周期。

有益效果

与现有软启动技术相比，本发明提供基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法具有以下优点：

(1)本发明所提供的软启动方法自预充电阶段对各单元开关器件脉冲信号进行控制，在预充电阶段，装置不再处于不控整流状态，输出电流谐波畸变率大大降低，有效的避免了H桥级联型STATCOM在不控整流阶段输出谐波电流对电网的污染。

(2)在预充电阶段采用最大有功功率注入法对各单元开关器件的脉冲信号进行控制，有效的提高了预充电阶段装置直流侧电容电压稳态值，增强了H桥级联型STATCOM启动过程空载运行阶段的输出电压能力，改进的软启动方法装置转入空载运行时刻输出电压、电流相量图如图3(b)所示，由图3(b)可知，装置处于可控状态，避免了转入空载运行时刻无功电流对装置的冲击。

(3)直流侧电容电压给定值采用电压逐步升高法提供，装置能够平稳地实现软启动过程。

附图说明

附图1为H桥级联型STATCOM主电路拓扑结构图。

附图2为装置预充电电路拓扑结构图。

附图3为装置启动过程工作相量图。

附图4为基于H桥级联型STATCOM改进的软启动原理图。

附图5为软启动过程单元直流侧电压波形图。

附图6为软启动过程装置输出电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合图4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。图4中，u_sx、i_sx为电网侧相电压与相电流，其中x为a、b、c，R为限流电阻，L为连接电抗器，u_dcxm为装置各单元直流侧电压检测值，为直流侧电压给定值，为单元直流侧电压平均值，i_ox为装置输出电流检测值，为调制波信号。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法，具体实现步骤如下：

步骤(1)STATCOM启动时，闭合断路器KM1，KM2保持关断状态，选择开关与1接通，进入预充电阶段。

步骤(2)通过并联在各单元直流侧电容上的电压传感器采集数据，求取单元直流侧电压平均值，对平均值进行监测，待达到稳态值u_d时，预充电完成。

步骤(3)闭合开关KM2，切除限流电阻，选择开关与2接通，装置转入空载运行阶段，直流侧电压给定值采用电压逐步升高法提供，确保装置直流侧电压平稳升至给定值。

步骤(4)根据步骤2所测得数据，监测单元直流侧电压平均值，当升至给定值时，装置转入带载运行阶段，软启动过程完毕。

所述步骤1中选择开关与1接通，采用最大有功功率注入法对装置直流侧电容进行充电，具体实现方法为：通过网侧电压传感器采样可得三相电网电压瞬时值，对采样所得数据进行运算，即可生成一组相位与电网电压相同、幅值为电网相电压一半的正弦波信号，将此正弦波信号作为调制波输入调制单元，通过调制单元所输出的脉冲信号控制功率器件即可实现预充电阶段吸收有功能量最大化。

步骤(2)中，预充电阶段通过并联在各单元直流侧电容上的电压传感器收集各直流侧电压瞬时值u_dcxm，单元直流侧电压平均值为：

${\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{dc}}=\frac{u_{\mathrm{dcal}}+...+u_{\mathrm{dcan}}+u_{\mathrm{dcbl}}+...+u_{\mathrm{dcbn}}+u_{\mathrm{dccl}}+...+u_{\mathrm{dccn}}}{3\·n}---\left(5\right)$

式中n为级联单元数目。

步骤(3)中STATCOM处于空载运行阶段，既不发出无功功率也不吸收无功功率，仅通过控制开关器件的开通与关断吸收网侧有功能量来维持直流侧电容电压升高至给定值。给定电压逐步升高法采用斜坡函数作为给定信号，直流侧电容电压给定值从预充电阶段达到稳态电压u_d开始递增，每个基波周期给定值递增Δu，k个基波周期后达到参考给定值，表达式为：

$u_{\mathrm{dc}}^{*}=u_d+k\·\mathrm{\Δu}---\left(6\right)$

式中，其中t为直流侧电容电压给定值从稳态电压u_d达到电压参考给定值的时间，T_s为基波周期。

图5为H桥级联型STATCOM软启动过程单元直流侧电压波形图，其中图5(a)、图5(b)分别为改进前、后单元直流侧电压波形，由图5可知，改进的软启动方法在预充电阶段能够有效提高直流侧电压稳态值且单元直流侧电压在整个软启动过程上升平稳。

图6为装置软启动过程输出电流波形图，其中图6(a)、图6(b)分别为改进前、后A相输出电流波形，装置在1s时由预充电阶段转入空载运行阶段，由图6(a)、图6(b)对比可知，改进的软启动方法从预充电阶段到空载运行阶段过度平缓，整个启动过程都处于可控状态，控制效果良好；图6(c)、图6(d)分别为其在预充电阶段0.9-1s内A相输出电流波形，由图6(c)、图6(d)对比可知，改进的软启动方法在预充电阶段输出电流波形基本正弦，谐波畸变率有效降低。

Claims (2)

1.一种基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法，H桥级联型STATCOM三相为星形连接，通过电抗器并联接入电网与负载之间，其特征在于启动过程包含以下步骤：

步骤1：预充电，装置启动时，在装置进线端串联接入限流电阻，对各单元开关器件的脉冲信号进行控制，使装置能够在预充电阶段最大化的吸收电网侧提供的有功功率；

步骤2：切除限流电阻，通过并联在各单元直流侧电容上的电压传感器采集各单元直流侧电压瞬时值，经计算求取单元直流侧电压平均值，待单元直流侧电压平均值缓慢升至稳态值时，切除限流限流电阻；

步骤3：STATCOM空载运行，限流电阻切除后装置转入空载运行阶段，采用给定电压逐步升高法控制单元直流侧电容电压平稳无超调的达到给定值；

步骤4：STATCOM带载运行，对步骤2所计算出的单元直流侧电压平均值进行监测，单元直流侧电压平均值按照给定电压的斜坡函数升至给定值后，装置转入带载运行阶段，软启动过程完毕；所述步骤1中由于预充电阶段装置交流侧串联接入阻值较大的限流电阻R，连接电抗器感抗值可忽略不计，因此装置输出电压、电流基本同相位，H桥级联型STATCOM每相吸收的有功功率为：

P＝U_o·I_o (1)

式中U_o为装置每相输出电压有效值，I_o为装置每相吸收有功电流有效值，令装置输出电压与网侧电压相位相同，可得：

U_s＝R·I_o+U_o (2)

式中U_s为电网相电压有效值，R为限流电阻，将式(2)带入式(1)可得：

$P=-\frac{1}{R}\·{(U_o-\frac{U_s}{2})}^2+\frac{U_s^2}{4\·R}---\left(3\right)$

由式3可知，当装置输出电压相位与电网电压同相且输出相电压有效值时，装置在启动阶段吸收电网提供的有功功率可达到最大化，具体实现方法为：通过网侧电压传感器采样可得三相电网电压瞬时值，对采样所得数据进行运算，即可生成一组相位与电网电压相同、幅值为电网相电压一半的正弦波信号，将此正弦波信号作为调制波输入调制单元，通过调制单元所输出的脉冲信号控制功率器件即可实现预充电阶段吸收有功能量最大化。

2.根据权利要求1所述的基于H桥级联型STATCOM改进的软启动方法，其特征在于：所述步骤3中给定电压逐步升高法采用斜坡函数作为给定信号，直流侧电容电压给定值从预充电阶段达到的稳态电压u_d开始递增，每个基波周期给定值递增Δu，k个基波周期后达到参考给定值，表达式为：

$u_{dc}^{*}=u_d+k\·\mathrm{\Δ}u---\left(4\right)$

式中其中t为直流侧电容电压给定值从稳态电压u_d达到电压参考给定值的时间，T_s为基波周期。