CN104505844B

CN104505844B - 基于有功电压矢量叠加的级联statcom电容电压平衡控制方法

Info

Publication number: CN104505844B
Application number: CN201510009059.1A
Authority: CN
Inventors: 姚钢; 周荔丹; 王伟峰; 潘瑾; 廖文; 解蕾
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: CN104505844A

Abstract

本发明公开了一种基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，包括上层控制步骤和下层控制步骤。本发明的电容电压平衡控制方法对于电容电压的偏移，能迅速给出控制信号，响应速度快，且不同模块之间的控制信号相互独立，系统稳定性高。

Description

基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量无功补偿中的静止同步补偿器(STATCOM)，特别涉及一种基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法。

背景技术

级联静止同步补偿器是一种能够发出或吸收无功的并接在电网上的无功补偿装置，相对于传统的变压器多重化结构的STATCOM，具有无需变压器接入、占地面积小、可控性高、能冗余运行等优点而得到日益广泛的研究与应用。

链式STATCOM直流侧电容彼此相互独立，每个模块间的串并联损耗、开关损耗、触发延时等又存在差异，致使链式STATCOM直流侧电容电压不平衡的问题，进而导致STATCOM输出电压畸变率变高。电压不平衡严重时还会威胁装置的安全运行。因此直流侧电容电压的平衡控制是STATCOM装置安全可靠运行的关键技术之一。

目前已有的电容电压平衡控制策略可分为两类：一类是依靠外部平衡电路，也称硬件策略，来实现，例如：基于交流母线能量交换平衡方法、基于直流母线能量交换的平衡方法。但普遍存在的问题是硬件的增加导致成本的提升、系统设计更为复杂、控制更为繁重。另一类是依靠自身平衡控制算法，也称软件策略，来实现，例如：轮换触发脉冲的平衡控制方法、控制逆变单元电压输出角的平衡控制方法。但存在移相范围小、平衡范围窄，算法复杂的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对级联静止同步补偿器直流电容电压不平衡现象，提供一种基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，对于电容电压的偏移，能迅速给出控制信号，响应速度快，且不同模块之间的控制信号相互独立，系统稳定性高。

实现上述目的的技术方案是：

一种基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，包括上层控制步骤和下层控制步骤，其中：

所述上层控制步骤为无功功率的控制过程，系统向STATCOM提供一定有功功率以补充装置损耗，级联STATCOM采用载波相移调制技术，检测负载电流作为无功电流的参考值，STATCOM的输出电流作为实际反馈值，经过直接电流反馈解耦控制得出调制比和相位角；

所述下层控制步骤为电容电压平衡的控制过程，对于各级联模块，当一个级联模块的电容电压实际反馈值大于电压参考值时，则叠加一与电流方向同相的电压，该级联模块发出一定的有功功率，从而使得电容电压下降；当一个级联模块的电容电压实际反馈值小于电压参考值时，则叠加与电流反相的电压，该级联模块吸收一定有功功率，从而电压升高；对于N级联的STATCOM，对于前N-1个级联模块，直接由电压参考值和实际反馈值计算出矢量叠加的数值，对于第N个级联模块的矢量电压叠加值，则由前N-1个的矢量叠加值求和取反，可以实现有功功率在各级联模块间按需分配以实现电容电压的平衡，每个级联模块由于叠加了不同的电压矢量，则调制比和相位角需重新计算，并使用经过重新计算的新的调制比和新的相位角生成三相PWM调制信号，三相PWM调制信号经过比较器与相移三角载波比较后触发驱动级联H桥，此时每个级联模块使用不同的调制比和相位角，每个级联模块的输出电压不同相。

上述的基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，其中，所述下层控制步骤中，每个级联模块的新的调制比和新的相位角的计算步骤为：将每个级联模块的电容电压实际反馈值与电压参考值做差计算出电压偏移量，再用所述上层控制步骤中的调制比和相位角计算出每个级联模块的新的调制比和新的相位角。

上述的基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，其中，对于两级联的STATCOM，先绘出叠加有功电压矢量后的相量图，并根据矢量关系图，推导出每个级联模块的新的调制比的表达式和新的相位角的表达式：

M_{i} = M \sqrt{1 + {(\frac{V_{i} - V_{ref}}{V_{i}})}^{2}}

α_{i} = α + \arctan \frac{V_{i} - V_{ref}}{V_{ref}}

其中，M_i为每个级联模块的新的调制比，α_i为每个级联模块的新的相位角，M为所述上层控制步骤中的的调制比，α为所述上层控制步骤中的的相位角，V_i为每个级联模块的电容电压实际反馈值，V_ref为每个级联模块的电压参考值。

本发明的有益效果是：本发明的级联STATCOM电容电压平衡控制方法对于每个级联模块的电容电压的偏移，能迅速给出控制信号，响应速度快，且不同模块之间的控制信号相互独立，系统稳定性高，优越性体现在：

1.不增加外部控制电路，不增加过多额外成本，增加的控制量较少；

2.基于有功电压矢量叠加的平衡控制方法具有物理意义明确、响应速度快的优点；

3.该方法在工程实际中易于实现。

附图说明

图1是STATCOM接入系统的单相等效电路图；

图2是直接电流反馈解耦控制框图；

图3是每个级联模块的新的调制比和新的相位角的计算步骤的框图；

图4是本发明的基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法的框图；

图5是以两级联为例的叠加有功电压矢量的相量图；

图6a是叠加有功电压矢量前后电容电压的瞬时值(未采用本发明的级联STATCOM电容电压平衡控制方法)；

图6b是叠加有功电压矢量前后电容电压的瞬时值(采用本发明的级联STATCOM电容电压平衡控制方法)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，STATCOM接入系统的单相等效电路图，V_S表示系统电压，V_C表示STATCOM输出电压，R和X_L一一对应地表示STATCOM等效损耗和连接电抗，I表示电流。

请参阅图2、图3和图4，本发明的基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，所述的方法包括上层控制步骤和下层控制步骤。

上层控制步骤为无功功率的控制过程，系统向STATCOM提供一定有功功率以补充装置损耗，级联STATCOM采用载波相移调制技术，检测负载电流作为无功电流的参考值，STATCOM的输出电流作为实际反馈值，经过直接电流反馈解耦控制得出调制比M和相位角α，具体的，检测负载无功电流作为无功电流的参考值，这里的直流侧电压控制是将级联电容看成一个整体检测损耗并作为有功电流的参考值，检测STATCOM输出电流并做abc/dq0变换作为有功、无功电流的反馈值。经电流内环、电压外环双闭环控制计算出调制比M和相位角α。

请参阅图2，现有技术中是以该调制比M和相位角α生成三相PWM调制信号，根据调制比M和相位角α生成三相PWM调制信号，三相PWM调制信号经过比较器与相移三角载波比较后触发驱动级联H桥，此时每个级联模块使用相同的调制比M和相位角α。

下层控制步骤为电容电压平衡的控制过程，对于各级联模块，当一个级联模块的电容电压实际反馈值大于电压参考值时，则叠加一与电流方向同相的电压，该级联模块发出一定的有功功率，从而使得电容电压下降；当一个级联模块的电容电压实际反馈值小于电压参考值时，则叠加与电流反相的电压，该级联模块吸收一定有功功率，从而电压升高；叠加了有功电压矢量后，各模块的输出电压与电流不再是90度，则各模块与系统间会有周期性的有功功率交换，这是不希望得到的结果。为了避免这种情况，在下层控制步骤中添加电容电压平衡控制工序，对于N级联的STATCOM，对于前N-1个级联模块，直接由电压参考值和实际反馈值计算出矢量叠加的数值，对于第N个级联模块的矢量电压叠加值，则由前N-1个的矢量叠加值求和取反，可以实现有功功率在各级联模块间按需分配以实现电容电压的平衡，每个级联模块由于叠加了不同的电压矢量，则调制比和相位角需重新计算，并使用经过重新计算的新的调制比和新的相位角生成三相PWM调制信号，三相PWM调制信号经过比较器与相移三角载波比较后触发驱动级联H桥(请参阅图4)，此时每个级联模块使用不同的调制比和相位角，每个级联模块的输出电压不同相。

请参阅图3，表示电容电压平衡控制方法的控制量的计算框图，每个级联模块的新的调制比M_i和新的相位角α_i的计算步骤为：将每个级联模块的电容电压实际反馈值V_i与电压参考值V_ref做差计算出电压偏移量△V_i，再用所述上层控制步骤中的调制比M和相位角α计算出每个级联模块的新的调制比M_i和新的相位角α_i。

请参阅图5，以两级联的STATCOM，先绘出叠加有功电压矢量后的相量图，并根据矢量关系图，推导出每个级联模块的新的调制比的表达式和新的相位角的表达式：

M_{i} = M \sqrt{1 + {(\frac{V_{i} - V_{ref}}{V_{i}})}^{2}}

α_{i} = α + \arctan \frac{V_{i} - V_{ref}}{V_{ref}}

请参阅图6a和图6b，未采用本发明的级联STATCOM电容电压平衡控制方法的叠加有功电压矢量前后电容电压的瞬时值，波动范围较广，对于电容电压的偏移无法迅速给出控制信号，存在移相范围小、平衡范围窄的缺点；采用了本发明的级联STATCOM电容电压平衡控制方法的叠加有功电压矢量前后电容电压的瞬时值，波动范围明显缩小，对于电容电压的偏移，能迅速给出控制信号，响应速度快，且不同模块之间的控制信号相互独立，系统稳定性高。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims

1.基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，其特征在于，包括上层控制步骤和下层控制步骤，其中：

所述下层控制步骤为电容电压平衡的控制过程，对于各级联模块，当一个级联模块的电容电压实际反馈值大于电压参考值时，则叠加一与电流方向同相的电压，该级联模块发出一定的有功功率，从而使得电容电压下降；当一个级联模块的电容电压实际反馈值小于电压参考值时，则叠加与电流反相的电压，该级联模块吸收一定有功功率，从而电压升高；对于N级联的STATCOM，对于前N-1个级联模块，直接由电压参考值和实际反馈值计算出矢量叠加的数值，对于第N个级联模块的矢量电压叠加值，则由前N-1个的矢量叠加值求和取反，可以实现有功功率在各级联模块间按需分配以实现电容电压的平衡，每个级联模块由于叠加了不同的电压矢量，则调制比和相位角需重新计算，并使用经过重新计算的新的调制比和新的相位角生成三相PWM调制信号，三相PWM调制信号经过比较器与相移三角载波比较后触发驱动级联H桥，此时每个级联模块使用不同的调制比和相位角，每个级联模块的输出电压不同相，

对于两级联的STATCOM，先绘出叠加有功电压矢量后的相量图，并根据矢量关系图，推导出每个级联模块的新调制比的表达式和新的相位角的表达式：

M_{i} = M \sqrt{1 + {(\frac{V_{i} - V_{r e f}}{V_{i}})}^{2}}

α_{i} = α + a r c t a n \frac{V_{i} - V_{r e f}}{V_{r e f}}

2.根据权利要求1所述的基于有功电压矢量叠加的级联STATCOM电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述下层控制步骤中，每个级联模块的新的调制比和新的相位角的计算步骤为：将每个级联模块的电容电压实际反馈值与电压参考值做差计算出电压偏移量，再用所述上层控制步骤中的调制比和相位角计算出每个级联模块的新的调制比和新的相位角。