CN104734164A - 一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器的控制方法，属于低压静止无功发生器的控制方法。方法：根据STATCOM检测环节检测出STATCOM实际输出电流和指令电流，确定误差电流矢量δ，并结合STATCOM的数学模型，确定其等效误差电压的约束条件；STATCOM采用双滞环控制方法，滞环内环环宽为I_w1，外环环宽为I_w0，当||δ||>I_w0时，确定误差电流在外环，电流内环采用内模控制器准确计算STATCOM的输出电压u_c ^*；当I_w1<||δ||<I_w0时，确定误差电流在内环，系统处于稳定状态，采用电压矢量法控制STATCOM在一个采样周期中输出一个基本电压矢量；当||δ||<I_w1时，误差电流位于死区，开关状态保持不变，提高系统的稳定性。将电压空间矢量调制方法和滞环控制方法相结合，补偿精度高，响应速度快，开关频率低，满足STATCOM的性能要求。

Description

一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种低压静止无功发生器的控制方法，特别是一种基于电压空间矢量的低压STATCOM控制方法。

背景技术

配电网中存在大量的感性器件(如输电线路、变压器等)，造成电力系统无功功率不足，用户侧电压下降；随着电力电子器件的快速发展和广泛应用，配电网中存在大量的谐波源，电力系统出现诸如：电压(电流)发生畸变，三相电压不平衡，电压波动与闪变等电能质量问题，STATCOM装置是交流柔性输电的一部分，不仅可以补偿电力系统中的无功功率，而且还可以以补偿的方式消除系统中的畸变电流或电压。准确的控制策略是STATCOM发挥良好性能的关键，可以使STATCOM输出电压或电流紧紧跟随指令电压或电流，实现零误差补偿，在低压用户侧，对STATCOM的响应速度和开关频率还有一定的要求，因此，完美的控制策略不仅应实现零误差补偿，更应该具有响应速度快，开关频率低的优点。

理论上可以通过采用某种控制器来准确获得低压STATCOM的输出电压，而后采用电压空间矢量法进行调制以输出相应的电压，但该算法开关频率高，响应速度慢，补偿效果不理想。

发明内容

本发明解决的技术问题是，针对现有控制技术的不足，提供一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器的控制方法，通过判断误差电流δ的位置，来切换不同的控制方法，以实现低压静止无功发生器补偿精度高，响应速度快，开关频率低的目的。

本发明的目的是这样实现的：该低压静止无功发生器控制方法，包括用于低压无功补偿和谐波抑制的低压静止无功发生器装置和控制方法；

该低压静止无功发生器装置的主电路为三相三桥臂的逆变电路；低压静止无功发生器采用三相三桥臂逆变电路，由6个电力电子器件和直流侧电容组成，负载为带感性负载的三相全桥整流电路，该负载消耗无功功率，产生谐波电流。

该低压静止无功发生器方法为：

1)根据低压静止无功发生器的实际输出电流和指令电流，确定其误差电流矢量δ：δ＝I_c ^*-I_c；

2)确定低压静止无功发生器等效误差电压的约束条件为：其中T为采样周期；

3)低压静止无功发生器采用电压空间矢量的调制方式，为了便于在α-β坐标系上直接控制，减少切换开关时造成的电压波动，控制低压静止无功发生器输出电压矢量在正六边形的内切圆中，内切圆半径为

4)采用双滞环的控制方法，该方法是将低压静止无功发生器指令电流与实际电流的差值与两个滞环相比较，滞环内环环宽为I_w1，滞环外环环宽为I_w0，根据位置的不同分为外环，内环，死区三个部分，若差值位于内环，则开关器件不动作，维持不变；若差值位于外环，则精确计算低压静止无功发生器输出的指令电压，使其能实现无静差补偿；若差值位于内环，采用最优电压矢量法，在保证补偿精度的情况下尽可能的减小开关频率；

5)将误差电流δ与滞环环宽相比较，可知误差电流有外环，内环，死区三个位置；

6)当||δ||>I_w0时，确定误差电流在外环，为了提高系统的补偿精度，电流内环采用内模控制器准确计算STATCOM的输出电压u_c ^*；

7)当I_w1<||δ||<I_w0时，确定误差电流在内环，系统处于稳定状态，为了减小开关频率，采用最优电压矢量法控制低压静止无功发生器在一个采样周期中输出一个基本电压矢量；

8)当||δ||<I_w1时，误差电流位于死区，开关状态保持不变，提高系统的稳定性。

所述步骤中，I_c ^*表示低压静止无功发生器的指令电流；I_c表示低压静止无功发生器的实际输出电流；δ表示低压静止无功发生器指令电流与输出电流的差值；u_c ^*表示低压静止无功发生器输出的指令电压；u_c表示低压静止无功发生器输出的实际电压；T为采样周期；u_dc表示低压静止无功发生器主电路中的直流侧电容电压；I_w0表示滞环外环的环宽；I_w1表示滞环内环的环宽。

有益效果，由于采用了上述方案，根据误差的不同位置确定开关器件的不同动作方式，在误差较大时能够紧紧跟随指令电流的变化，补偿精度高，当负载突变时，由于算法简单，因此响应时间短，在误差较小时，采用最优电压矢量法使开关器件的开关频率大为降低，开关损耗低，满足了工矿企业在低压侧进行无功补偿和谐波抑制的要求。

附图说明：

图1为现有技术用于无功补偿和谐波抑制的低压静止无功发生器装置的原理图。

图2为本发明实施例1系统总的控制原理图。

图3为本发明实施例1误差电流矢量δ、参考电压u_c ^*和低压静止无功发生器实际输出电压u_c的相量图。

图4为本发明实施例1误差电流的位置图。

图5为本发明实施例1内模控制等效原理图。

图6为本发明实施例1低压静止无功发生器参考输出电压矢量确定图。

图6(a)为误差电流位于外环时，参考输出电压矢量的表示图。

图6(b)为误差电流位于内环时，参考输出电压矢量的表示图。

图7为本发明的一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器控制方法的实验波形。

图7(a)为低压静止无功发生器的稳态效果图。

图7(b)为低压静止无功发生器的动态响应图。

图7(c)为A相系统电流FFT分析图。

图7(d)为A相系统电压、电流波形图。

图7(e)为A相上桥臂IGBT的PWM波形。

具体实施方式

该低压静止无功发生器控制方法，包括用于低压无功补偿和谐波抑制的STATCOM装置和控制方法；所述的低压静止无功发生器英文表达为STATCOM；

该STATCOM装置的主电路为三相三桥臂的逆变电路；低压STATCOM采用三相三桥臂逆变电路，由6个电力电子器件和直流侧电容组成，负载为带感性负载的三相全桥整流电路，该负载消耗无功功率，产生谐波电流。

该STATCOM控制方法为：

1)根据STATCOM的实际输出电流和指令电流，确定其误差电流矢量δ：δ＝I_c ^*-I_c；

2)确定STATCOM的等效误差电压约束条件为：其中T为采样周期；

3)低压STATCOM采用电压空间矢量的调制方式，为了便于在α-β坐标系上直接控制，减少切换开关时造成的电压波动，控制STATCOM输出电压矢量在正六边形的内切圆中，内切圆半径为

4)采用双滞环的控制方法，该方法是将STATCOM指令电流与实际电流的差值与两个滞环相比较，滞环内环环宽为I_w1，滞环外环环宽为I_w0，根据位置的不同分为外环，内环，死区三个部分，若差值位于内环，则开关器件不动作，维持不变；若差值位于外环，则精确计算STATCOM输出的指令电压，使其能实现无静差补偿；若差值位于内环，采用最优电压矢量法，在保证补偿精度的情况下尽可能的减小开关频率。

5)将误差电流δ与滞环环宽相比较，可知误差电流有外环，内环，死区三个位置；

6)当||δ||>I_w0时，确定误差电流在外环，为了提高系统的补偿精度，电流内环采用内模控制器准确计算STATCOM的输出电压u_c ^*；

7)当I_w1<||δ||<I_w0时，确定误差电流在内环，系统处于稳定状态，为了减小开关频率，采用最优电压矢量法控制STATCOM在一个采样周期中输出一个基本电压矢量；

8)当||δ||<I_w1时，误差电流位于死区，开关状态保持不变，提高系统的稳定性。

实施例1：如图1所示，低压STATCOM接于三相三线制配电网中，用于无功补偿和谐波抑制，低压STATCOM采用三相三桥臂逆变电路，由6个电力电子器件和直流侧电容组成，负载为带感性负载的三相全桥整流电路，该负载消耗无功功率，产生谐波电流。

图2为总的控制框图。

将低压STATCOM看做一个电压源，忽略电阻R的影响，则图1所示结构图的数学模型可用下式表示：

$u_c=u_s-L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，u_c为STATCOM的输出电压，u_s为电网电压，L为滤波电路的电感，i_c为STATCOM的电流；

令STATCOM的指令电流为i_c ^*，STATCOM的输出参考电压为u_c ^*，误差电流δ＝i_c ^*-i_c，则式(1)可化为：

$L\frac{\mathrm{d\&delta;}}{\mathrm{dt}}={u_c}^{*}-u_c---\left(2\right)$

STATCOM采用空间电压矢量调制方法，为了便于在α-β坐标系上直接控制，减少切换开关时造成的电压波动，控制STATCOM输出电压矢量在正六边形的内切圆中，内切圆半径为√2u_dc/2；

图3为误差电流矢量δ、参考输出电压u_c ^*和STATCOM实际输出电压u_c的相量图；

若要求系统完全跟踪指令电流，则应满足：

$\frac{\mathrm{d\&delta;}}{\mathrm{dt}}=\underset{\mathrm{\&Delta;t}\&RightArrow;0}{\lim }\frac{0-{\mathrm{\&delta;}}_0}{\mathrm{\&Delta;t}}=\underset{\mathrm{\&Delta;t}\&RightArrow;0}{\lim }\frac{{-\mathrm{\&delta;}}_0}{\mathrm{\&Delta;t}}=\frac{1}{L}{u}_{\mathrm{eq}}---\left(3\right)$

其中，等效误差电压u_eq＝u_c ^*-u_c

将⊿t设为一个采样周期T，可得u_eq与δ₀的关系式为：

$\frac{-{\mathrm{\&delta;}}_0}{T}=\frac{1}{L}({u_c}^{*}-u_c)---\left(4\right)$

可准确得出STATCOM参考输出电压u_c ^*的大小和方向。

图4为误差电流的位置图。

本发明为双滞环控制方法，滞环内环环宽为I_w1，滞环外环环宽为I_w0，比较误差矢量δ与两个环宽的大小，可得出误差电流的位置关系。

当||δ||>I_w0，误差电流位于外环，为了提高系统补偿精度，利用内模控制器得到u_c ^*，控制STATCOM在一个采样周期输出多个基本电压矢量，使合成电压矢量满足u_c＝u_c ^*-u_eq，实现精确补偿，提高系统的响应速度；当I_w1<||δ||<I_w0，误差电流位于内环，系统处于稳态，此时采用最优电压矢量法控制STATCOM在一个采样周期内输出一个基本电压矢量，以此降低开关频率；当||δ||<I_w1，误差位于死区，开关状态维持不变，提高系统稳定性。

图5为内模控制等效原理图

STATCOM装置在三相静止坐标系abc下是一个非线性多变量，强耦合的时变系数微分方程，为了便于理论分析，常将其参数转换至两相旋转坐标系dq下，变换阵为：

$T=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&omega;t}& \cos (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&pi;}/3)& \cos (\mathrm{\&omega;t}+2\mathrm{\&pi;}/3)\\ -\sin \mathrm{\&omega;t}& -\sin (\mathrm{\&omega;t}-2\mathrm{\&pi;}/3)& -\sin (\mathrm{\&omega;t}+2\mathrm{\&pi;}/3)\end{array}\right]---\left(5\right)$

将式(1)所表示的三相坐标系下的数学模型转换至dq坐标系下，并进行拉式变换，可得其数学模型为(考虑实际损耗R)：

$\mathrm{LS}\left[\begin{array}{c}{I}_d\left(s\right)\\ I_q\left(s\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-R& \mathrm{\&omega;L}\\ -\mathrm{\&omega;L}& -R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_d\left(s\right)\\ I_q\left(s\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\left(s\right)\\ U_{\mathrm{sq}}\left(s\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cd}}\left(s\right)\\ U_{\mathrm{cq}}\left(s\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

选取内模控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)={G_1}^{-1}\left(s\right)L\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Ls}+R& -\mathrm{\&omega;L}\\ \mathrm{\&omega;L}& \mathrm{Ls}+R\end{array}\right]\mathrm{\&lambda;I}/s+\mathrm{\&lambda;}---\left(7\right)$

其中，G₁(s)为内模的传递函数，L(s)为低通滤波器的传递函数，该低通滤波器可调节内模传递函数与STATCOM传递函数引起的失配，保证系统无静差跟踪；

根据内模控制的原理和内模控制器的传递函数，可知内模控制的传递函数F(s)为：

$F\left(s\right)={[1-G_1\left(s\right)G_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)]}^{-1}{G}_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{s}\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Ls}+R& -\mathrm{\&omega;L}\\ \mathrm{\&omega;L}& \mathrm{Ls}+R\end{array}\right]$

电流内环采用内模控制后，STATCOM装置的参数可实现在dq坐标系下完全解耦，其数学模型可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=F\left(s\right)G\left(s\right)\left[\begin{array}{c}{i}_d*-i_d\\ i_q*-i_q\end{array}\right]=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{s}\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Ls}+R& -\mathrm{\&omega;L}\\ \mathrm{\&omega;L}& \mathrm{Ls}+R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d*-i_d\\ i_q*-i_q\end{array}\right]$

图6为STATCOM参考输出电压矢量确定图，

当误差电流位于外环时，才经由电流内环内模控制器的作用得出准确的参考输出电压u_c ^*，通过电压空间矢量调制得出各个基本电压矢量的作用时间，进而合成u_c ^*。

其中，Φ是误差电流矢量δ与α轴的夹角，θ是参考电压矢量u_c ^*与α轴的夹角，φ是STATCOM输出电压矢量与α轴的夹角。

当误差电流位于内环时，采用最优电压矢量法控制STATCOM仅输出一个最为接近的基本电压矢量。

以上计算和判断均由FPGA(现场可编程门阵列)实现。

图7为低压STATCOM的实验波形，在实验室搭建图1所示电路，FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，双滞环环宽分别为系统电流峰值的2％和4％，使用安捷伦示波器对STATCOM的输出波形进行观测，图7(a)为低压STATCOM稳态效果图，其实际输出电流基本与指令电流重合，补偿精度高；设置一组相同的并联负载：R＝8Ω，L＝2mH，在t＝0.05s时投入该负载，t＝0.15s切断该负载，图7(b)为低压STATCOM的动态响应图，响应时间大约为0.01s；图7(c)为A相系统电流FFT分析图，电流畸变率变小，补偿性能好；图7(d)为A相系统电压、电流波形图，说明不管负载突变与否，补偿后系统电压和电流总是同相位，说明采用本文所述方法进行控制后，STATCOM可以对感性器件进行全补偿，不过补；图7(e)为A相上桥臂IGBT的PWM波形，测得开关频率大概为8kHZ，说明在相同补偿精度下，开关频率降低。

Claims (1)

1.一种基于电压空间矢量的低压静止无功发生器的控制方法，其特征是：该低压静止无功发生器控制方法为：

1)根据低压静止无功发生器的实际输出电流和指令电流，确定其误差电流矢量δ：δ＝I_c ^*-I_c；

2)确定低压静止无功发生器的等效误差电压约束条件为：其中T为采样周期；

3)低压静止无功发生器采用电压空间矢量的调制方式，为了便于在α-β坐标系上直接控制，减少切换开关时造成的电压波动，控制低压静止无功发生器输出电压矢量在正六边形的内切圆中，内切圆半径为

4)采用双滞环的控制方法，该方法是将低压静止无功发生器指令电流与实际电流的差值与两个滞环相比较，滞环内环环宽为I_w1，滞环外环环宽为I_w0，根据位置的不同分为外环，内环，死区三个部分，若差值位于内环，则开关器件不动作，维持不变；若差值位于外环，则精确计算低压静止无功发生器输出的指令电压，使其能实现无静差补偿；若差值位于内环，采用最优电压矢量法，在保证补偿精度的情况下尽可能的减小开关频率；

5)将误差电流δ与滞环环宽相比较，可知误差电流有外环，内环，死区三个位置；

6)当||δ||＞I_w0时，确定误差电流在外环，为了提高系统的补偿精度，电流内环采用内模控制器准确计算STATCOM的输出电压u_c ^*；

7)当I_w1＜||δ||＜I_w0时，确定误差电流在内环，系统处于稳定状态，为了减小开关频率，采用最优电压矢量法控制低压静止无功发生器在一个采样周期中输出一个基本电压矢量；

8)当||δ||＜I_w1时，误差电流位于死区，开关状态保持不变，提高系统的稳定性。