CN104300554A - 三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域。本发明方法通过在三相桥臂电流中注入三倍频环流，使三倍频环流耦合到直流电容之后，对直流电容电压波动起到一个抵消的作用，从而降低电容电压的波动峰值。在三相桥臂中注入的环流可以降低电容电压波动峰值和电容电流，并且还能够提高最大调制比范围。由于链式换流器直流电容的成本和体积都在总体上占很大比例，对于链节电容电压波动峰值的降低可以降低所需的电容容量，在降低静止无功发生器的成本和体积方面都是非常有价值。

Description

三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域。

背景技术

基于电压源换流器的静止无功发生器(STATCOM)能够以很快的响应速度输出动态无功电流，提高系统的动态无功支撑能力，从而提高系统电压稳定性。在用户侧也可以通过STATCOM提高功率因数或者补偿不对称负荷，从而提高电能质量。链式换流器是通过全桥单元级联的一种多电平换流器拓扑结构，具有容易实现大电平数目的特点，从而易于实现高压大容量。链式换流器还具有谐波特性好和易于模块化实现等特点。目前链式换流器已经成为中高压STATCOM最为普遍的换流器型式。

链式换流器的每个桥臂由多个全桥单元(链节单元)级联构成的，三个桥臂可以连接成为星形的方式或者三角形的方式，组成三相链式换流器。在同等电网电压等级和装置容量等级的情况下，星形连接方式下各桥臂所承受的电压相对较低，但是桥臂流过的电流较大；三角形连接方式各桥臂所承受的电压相对较高，但是桥臂流过的电流较小。由于目前开关器件的通流能力有限，为了避免开关器件的并联，容量较大的STATCOM装置宜采用三角形连接方式的链式换流器。另外在系统不对称运行的条件下，由于星形连接方式的三相桥臂电流不能完全解耦控制，装置可控性存在较大的风险，不对称工况下的运行范围受到较大限制。三角形连接的链式换流器三相桥臂电流可以分别控制，在不对称工况下的可控性更好，并且具有更大的运行范围。因此目前较大容量的STATCOM装置多采用三角形连接的链式换流器结构。

由于桥臂电流会通过脉冲宽度调制的开关动作耦合到各链节单元的直流电容中，引起直流电容电压的二倍频波动。较大的直流电容电压的波动会给开关器件带来额外的电压压力，威胁开关器件的安全性。另一方面电容电压波动也会耦合到换流器的交流输出上，影响换流器交流侧电压的谐波。为了保证换流器的安全运行和输出性能，直流电容电压的波动值必须被限制在一定范围以内，通常限制直流电容电压波动值的方法就是将直流电容值设计在一定数值以上。但是过大的直流电容值将使换流器的成本和体积都有较大的增加。

发明内容

本发明的目的是提出一种三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，通过在三相桥臂电流中注入三倍频环流，使三倍频环流耦合到直流电容电流中，对直流电容电压波动起到一个抵消的作用，实现三角形连接链式静止无功发生器电容电压波动峰值的抑制，使换流器设计可以选择较小的直流电容值，降低换流器的成本和体积。

本发明提出的三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集与三角形连接链式静止无功发生器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁和同步相位角θ；

(2)设定的静止无功发生器的输出无功电流有效值I_q，根据该输出无功电流有效值I_q以及上述电网三相线电压同步角频率ω₁和同步相位角θ，通过下式计算，得到三相基波电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1随时间t的变化： $i_{\mathrm{rb}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$ $i_{\mathrm{rc}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3});$

(3)设定静止无功发生器的三倍频环流注入系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述设定的输出无功电流有效值I_q以及上述电网电压同步角频率ω₁和同步相位角θ，计算得到静止无功发生器的三倍频环流参考值i_r3，

(4)根据上述三相基波电流参考值i_ra1,i_rb1,i_rc1和三倍频环流参考值i_r3，计算得到静止无功发生器的三相桥臂电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1，i_ra＝i_ra1+i_r3，i_rb＝i_rb1+i_r3，i_rc＝i_rc1+i_r3；

(5)将三相桥臂电流参考值i_ra、i_rb和i_rc作为三角形连接链式静止无功发生器的电流控制器的输入，使三角形连接链式静止无功发生器输出对应的电流，实现三角形连接链式静止无功发生器的直流电容电压波动抑制。

本发明提出的三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，其特点和优点是，本方法通过在三相桥臂电流中注入三倍频环流，使三倍频环流耦合到直流电容电流中，对直流电容电压波动起到一个抵消的作用。在三相桥臂中注入的环流可以降低电容电压波动峰值和电容电流峰值，并且还能够提高最大调制比范围。由于链式换流器直流电容的成本和体积都在总体上占很大比例，对于链节电容电压波动峰值的降低可以降低所需的电容容量，在降低静止无功发生器的成本和体积方面都是非常有价值的。

附图说明

图1是本发明方法涉及的三角形连接链式静止无功发生器的结构示意图。

图2是本发明方法涉及的三角形连接链式静止无功发生器链节单元的结构示意图。

图3是本发明提出的三角形连接链式静止无功发生器电容电压波动抑制方法原理框图。

图4是采用已有方法的桥臂电流、电容电流和电容电压波形图。

图5是采用本发明方法的桥臂电流、电容电流和电容电压波形图。

具体实施方式

本发明提出的三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集与三角形连接链式静止无功发生器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁和同步相位角θ；

(2)设定的静止无功发生器的输出无功电流有效值I_q，根据该输出无功电流有效值I_q以及上述电网三相线电压同步角频率ω₁和同步相位角θ，通过下式计算，得到三相基波电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1随时间t的变化： $i_{\mathrm{rb}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$ $i_{\mathrm{rc}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3});$

(3)设定静止无功发生器的三倍频环流注入系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述设定的输出无功电流有效值I_q以及上述电网电压同步角频率ω₁和同步相位角θ，计算得到静止无功发生器的三倍频环流参考值i_r3，

(4)根据上述三相基波电流参考值i_ra1,i_rb1,i_rc1和三倍频环流参考值i_r3，计算得到静止无功发生器的三相桥臂电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1，i_ra＝i_ra1+i_r3，i_rb＝i_rb1+i_r3，i_rc＝i_rc1+i_r3；

(5)将三相桥臂电流参考值i_ra、i_rb和i_rc作为三角形连接链式静止无功发生器的电流控制器的输入，使三角形连接链式静止无功发生器输出对应的电流，实现三角形连接链式静止无功发生器的直流电容电压波动抑制。

以下结合附图，详细介绍本发明的内容：

图1是本发明方法涉及的三角形连接链式静止无功发生器结构示意图。链式换流器的是由3个桥臂组成，每个桥臂由N个全桥单元(链节单元)顺序级联构成。如果电网的三相线电压表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sab}}=\sqrt{2}{U}_s\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ})\\ u_{\mathrm{sbc}}=\sqrt{2}{U}_s\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ u_{\mathrm{sca}}=\sqrt{2}{U}_s\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中U_S为电网线电压基波有效值。可以通过锁相环(PLL)检测得到三相电网线电压的同步角频率ω₁和同步相位角度θ，

为了使链式静止无功发生器输出无功电流，可以给定三相桥臂基波电流参考值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ})\\ i_{\mathrm{rb}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ i_{\mathrm{rc}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中I_q为所期望输出无功电流的有效值。当I_q大于零时输出的是感性无功，当I_q小于零时输出的是容性无功电流，无功电流的大小可以通过调整I_q的绝对值控制。

为了实现对三角形链式静止无功发生器的电容电压波动峰值的抑制，本发明的方法是在三相桥臂电流中注入三倍频环流，所注入的三倍频环流参考值计算如下：

$i_{r3}=\sqrt{2}{\mathrm{kI}}_q\cos \left(3({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\θ})\right)---\left(3\right)$

其中0<k<1。

注入三倍频环流后的三相桥臂电流参考值可以通过如下方式得到：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})+\sqrt{e}k{I}_q\cos \left(3({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})\right)\\ i_{\mathrm{rb}}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})+\sqrt{2}k{I}_q\cos \left(3({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})\right)\\ i_{\mathrm{rc}}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})+\sqrt{2}k{I}_q\cos \left(3({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

链式静止无功发生器是通过脉冲宽度调制(PWM)控制所输出的电流的。以A相桥臂为例，对于换流器桥臂的链节单元，开关函数可以表示如下：

$S_a=M\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})+\underset{n=2}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_n\sin (n{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+{\mathrm{\&theta;}}_n)---\left(3\right)$

其中n为谐波次数，A_n为开关函数中第n次谐波的幅值，θ_n为开关函数中第n次谐波的相位角度。当开关频率较高时，可以忽略开关函数中的高频谐波，将开关函数近似为：

S_a＝Msin(ω₁t+θ)  (4)

根据附图2所标注的电容电流正方向和换流链电流正方向，采用开关函数计算链节电容电流，如式(5)所示。其中i_cap为换流桥臂各链节电容电流平均值。由于开关动作将换流链电流耦合到了链节电容电流中，形成了二倍频的链节电容电流。

将电容二倍频容抗乘式(5)中的二倍频电流分量，可以得到电容电压对应的二倍频波动分量如下：

$\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{cap}}\left(2\mathrm{\&omega;t}\right)=\frac{\sqrt{2}}{4}\frac{M(1-k)I_q}{{\mathrm{\&omega;}}_1{C}_d}\cos \left(2({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;})\right)---\left(6\right)$

在采用常规方法是，对应的情况是k＝0。当采用本发明的方法注入三倍频环流时，根据式(6)可以看出，只要k被控制为一个大于0但是小于1之间的一个数值，电容电压的二倍频波动幅值就可以得到减小

附图3给出了上述方法的详细控制框图。

附图4是一台100MVAr三角形连接链式静止无功发生器采用已有方法时的桥臂电流、电容电流和电容电压波形。

附图5是一台100MVAr三角形连接链式静止无功发生器采用本发明提出方法时桥臂电流、电容电流和电容电压波形。可以看出通过采用本发明方法，在桥臂电流中包含了三倍频的环流分量。通过注入这个三倍频环流，与附图3的波形对比，电容电流和电容电压波动的峰值都得到了有效的抑制。

通过本发明的方法，在三相桥臂中注入的环流可以降低电容电压波动峰值和电容电流，并且还能够提高最大调制比范围。虽然这种方式也使换流链的峰值电流有所提高。由于链式换流器直流电容的成本和体积都在总体上占很大比例，对于链节电容电压波动峰值的降低可以降低所需的电容容量，在降低静止无功发生器的成本和体积方面都是非常有价值的。

Claims (1)

1.一种三角形连接链式静止无功发生器的电容电压波动抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)采集与三角形连接链式静止无功发生器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁和同步相位角θ；

(2)设定的静止无功发生器的输出无功电流有效值I_q，根据该输出无功电流有效值I_q以及上述电网三相线电压同步角频率ω1和同步相位角θ，通过下式计算，得到三相基波电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1随时间t的变化： $i_{\mathrm{rb}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}),$ $i_{\mathrm{rb}1}=\sqrt{2}{I}_q\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}),$

(3)设定静止无功发生器的三倍频环流注入系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述设定的输出无功电流有效值I_q以及上述电网电压同步角频率ω1和同步相位角θ，计算得到静止无功发生器的三倍频环流参考值i_r3，

(4)根据上述三相基波电流参考值i_ra1,i_rb1,i_rc1和三倍频环流参考值i_r3，计算得到静止无功发生器的三相桥臂电流参考值i_ra1、i_rb1和i_rc1，i_ra＝i_ra1+i_r3，i_rb＝i_rb1+i_r3，i_rc＝i_rc1+i_r3；

(5)将三相桥臂电流参考值i_ra、i_rb和i_rc作为三角形连接链式静止无功发生器的电流控制器的输入，使三角形连接链式静止无功发生器输出对应的电流，实现三角形连接链式静止无功发生器的直流电容电压波动抑制。