CN104810835B - Statcom不平衡控制方法及其零序分量生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及STATCOM不平衡控制方法及其零序分量生成方法，采集STATCOM每条链子模块的直流电压，获取每条链的直流电压平均值；对所述每条链的直流电压平均值进行CLARKE变换，得到D轴分量和Q轴分量；以D轴分量和Q轴分量为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，得到不平衡控制所需的零序分量。本发明的方法实现简单且便于理解，控制效果优异，具有广泛的应用前景。

Description

STATCOM不平衡控制方法及其零序分量生成方法

技术领域

本发明涉及柔性交流输电领域的STATCOM控制，特别是一种基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法及其零序分量生成方法。

背景技术

三相级联STATCOM拓扑在平衡工况下，三条链之间的功率均匀分配，链间子模块直流电压平均值相同，系统可以正常运行。而在实际应用当中，当电网出现非对称故障，或者需要STATCOM对非对称负荷进行补偿，如果不采取特殊的控制策略，非对称分量的存在将会引起三条链间功率分配不均，导致三条链的直流电压平均值差异逐渐增大，将会引起直流过压或欠压，最终导致STATCOM不能正常运行。因此，如何提高三相级联STATCOM在不平衡工况下的控制能力是亟待解决的关键问题。

目前来讲，三相级联STATCOM的不平衡控制方法，主要有三大类，各自适用于不同的拓扑结构：

第一类方法，基于负序电流的控制方法，这类方法同时适用于星型和三角型拓扑结构。目前作为主流控制方法，其适应能力较强，能够应对包括负序和零序电网不平衡电压的影响。但缺点在于负序电流通道完全用于抑制不平衡，无法补偿负载产生的负序电流，限制了其功能；同时在电网电压不平衡度较大的情况下，较大程度上牺牲了正常的正序电流输出容量。

第二类方法，基于零序电压的控制方法，这类方法仅适用于星型拓扑。目前零序电压指令的获取，主要采用基于数学计算的方法，需要各子模块电容值、子模块直流电压瞬时值、三相电流瞬时值、三相电压正负序分量等，并对上述值进行包含向量的数量积等数学运算，得到不平衡控制所需零序电压指令。此方法的缺点在于数学计算复杂，占用控制硬件资源，且对直流电容值等电路参数有依赖性，控制效果难以保证。

第三类方法，基于零序电流的控制方法，这类方法仅适用于三角型拓扑。目前零序电流指令的获取，主要通过对三条链各自的平均直流电压与总平均直流电压之差做闭环PI控制，将闭环输出的三个直流指令分别乘以三个相差120°的单位基波正弦信号，然后相加得到。例如申请号为201210103401.0的中国专利申请《一种链式三角型连接STATCOM直流母线相间均压控制方法》就是一种采用类似思路的控制方法。此方法的缺点在于控制器较多，控制结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种级联STATCOM不平衡控制中零序分量的生成方法，不平衡控制中获取零序分量的一种新思路。同时，本发明还提供了一种基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

级联STATCOM不平衡控制的零序分量生成方法，步骤如下：

1)采集STATCOM每条链子模块的直流电压，获取每条链的直流电压平均值；

2)对所述每条链的直流电压平均值进行CLARKE变换，得到D轴分量Δv_{dc_d}和Q轴分量Δv_{dc_q}；

3)将Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，得到不平衡控制所需的零序分量。

本发明还提供了一种基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法，包括获取级联STATCOM不平衡控制的零序分量，将零序分量叠加在控制系统的控制指令上，实现基于零序分量注入的不平衡控制，获取级联STATCOM不平衡控制的零序分量的步骤如下：

1)采集STATCOM每条链子模块的直流电压，获取每条链的直流电压平均值；

2)对所述每条链的直流电压平均值进行CLARKE变换，得到D轴分量Δv_{dc_d}和Q轴分量Δv_{dc_q}；

3)将Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，得到不平衡控制所需的零序分量。

进一步的，所述级联STATCOM为星型拓扑，所述零序分量为零序电压控制量。

进一步的，所述级联STATCOM为角型拓扑，所述零序分量为零序电流控制量。

本发明提供的零序分量生成方法，通过将三条链的平均直流电压进行CLARKE变换，分别对所获取的DQ轴直流量进行闭环控制，将闭环输出值与基波正余弦进行合成，获取不平衡控制所需的零序分量；采用DQ变换，涉及的控制结构简单，而且能够适应于星型角型STATCOM拓扑。当采用星型拓扑时，作为零序电压分量叠加到调制波中；当采用三角型拓扑时，作为零序电流分量叠加到电流指令中，最终实现级联STATCOM在不平衡工况下的控制。作为三相级联STATCOM的一种不平衡控制方法，实现简单且便于理解，控制效果优异，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是三相级联STATCOM的基本拓扑结构；

图2是基于零序电压分量注入的星型级联STATCOM不平衡控制框图；

图3是基于零序电流分量注入的角型级联STATCOM不平衡控制框图；

图4是零序分量生成控制框图；

图中，SM——H桥子模块；

L——每条链的连接电抗；

u_sa,u_sb,u_sc——三相电网电压；

i_ca,i_cb,i_cc——三相链内电流；

v_{dc_an},v_{dc_bn},v_{dc_cn}——STATCOM三条链子模块直流电压，其中n＝1,2,3…整数；

v_{dc_a},v_{dc_b},v_{dc_c}——三条链子模块直流电压平均值；

v_{dc_fdb}——三条链子模块总直流电压平均值；

Δv_{dc_d},Δv_{dc_q}——直流电压平均值过CLARKE变换后的DQ轴直流量；

G_z——不平衡控制环PI控制器；

sinωt,cosωt——电网电压同相的单位正弦、余弦信号；

——不平衡控制所需零序电压分量；

G_v——平均直流电压外环PI控制器；

——正序有功电流指令、正序无功电流指令、负序有功电流指令、负序无功电流指令；

——正序有功电流反馈、正序无功电流反馈、负序有功电流反馈、负序无功电流反馈；

——正序有功电压前馈、正序无功电压前馈、负序有功电压前馈、负序无功电压前馈；

G_i——电流内环PI控制器；

v⁺,v^-——正序调制波分量、负序调制波分量；

M_ref——叠加零序电压分量后的调制波；

G_c——被控对象传递函数；

图3中，——不平衡控制所需零序电流分量；

——电流内环指令设定值；

i_ref——叠加零序电流分量后的电流内环指令参考值；

图4中，Ref_z——不平衡控制所需零序分量。

具体实施方式

如图1表示三相级联STATCOM拓扑结构，包含星型和角型两种典型应用。子模块为H桥子模块。

下面将以星型和角型拓扑为例对本发明进行详细说明，需要说明的是，本发明的方法并不限于这两种拓扑结构，而且子模块也不限于H桥拓扑，其子模块也可以采用H全桥之外的其他拓扑(如半桥)等。

级联STATCOM不平衡控制方法实施例1

对星型级联STATCOM，如图2所述为基于零序电压分量的星型级联STATCOM不平衡控制框图。核心控制包含三大部分：第一部分为平均直流电压闭环控制；第二部分为正负序分离电流闭环控制；第三部分为基于零序电压的不平衡控制，即级联STATCOM不平衡控制中零序分量的生成。

对于基于零序电压的不平衡控制：

对星型拓扑STATCOM三条链中每条链内的子模块直流电压进行采集，如图2所示即v_{dc_a1}、v_{dc_a2}至v_{dc_an}，v_{dc_b1}、v_{dc_b2}至v_{dc_bn}，v_{dc_c1}、v_{dc_c2}至v_{dc_cn}，经过计算获取每条链的直流电压平均值v_{dc_a}、v_{dc_b}、v_{dc_c}，经过CLARKE变换，得到DQ轴直流量Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}：

将此直流量Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，从而得到不平衡控制所需的零序电压控制量v^* _zero。

对于平均直流电压闭环控制：

基于上述计算所得每条链的直流电压平均值v_{dc_a}、v_{dc_b}、v_{dc_c}，将其相加取平均值，与平均电压指令v_{dc_ref}相减，经过平均直流电压外环PI调节器G_v，做闭环控制，将闭环控制的输出量作为电流内环正序有功指令参考值i⁺ _{cd_ref}。

电流内环采用基于正负序分离的闭环解耦控制：

根据系统需求设置正序无功指令i⁺ _{cq_ref}、负序有功指令i^- _{cd_ref}和负序无功指令i^- _{cq_ref}参考值，分别经过内环PI调节器G_i，做闭环控制，将正序和负序闭环控制的输出量经过正负序dq/abc坐标变换，分别生成正序调制波v⁺和负序调制波v^-。

最后，将正序调制波v⁺、负序调制波v^-和零序电压控制量v^* _zero相加作为总的调制波，从而实现基于零序电压的不平衡控制。

以上实施例中，平均直流电压闭环控制、正序分离电流闭环控制、以及后续调制过程，均属于现有技术。作为其他实施方式，也可以采用其它现有类型的控制方法，如直接电流控制或者间接电流控制等等，只需要在这种控制方法的基础上，在它们的电压指令上增加通过本发明方法形成的零序电压控制量v^* _zero即可。

级联STATCOM不平衡控制方法实施例2

基于零序电流分量的角型级联STATCOM不平衡控制同样包含三大部分：第一部分为平均直流电压闭环控制；第二部分为正负序分离电流闭环控制；第三部分为基于零序电流的不平衡控制，即级联STATCOM不平衡控制中零序分量的生成。

实施例2与实施例1的区别仅在于第三部分控制产生的零序电流将作为电流指令的一部分参与第二部分的电流闭环控制，其余部分与图2相同，因而此处为避免重复描述，仅给出第三部分的控制策略，其余控制策略简化处理，如图3所示。

将每条链内的直流电压进行采集，如图3所示v_{dc_a1}、v_{dc_a2}至v_{dc_an}，v_{dc_b1}、v_{dc_b2}至v_{dc_bn}，v_{dc_c1}、v_{dc_c2}至v_{dc_cn}，经过计算获取每条链的直流电压平均值v_{dc_a}、v_{dc_b}、v_{dc_c}，经过与上述相同的CLARKE变换，得到DQ轴直流量Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}，将此直流量作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，从而得到不平衡控制所需的零序电流控制量i^* _zero。

电流内环指令设定为i^* _c，叠加上述零序电流控制量i^* _zero作为总的电流内环指令参考值，将三相电流作为反馈值，经过电流内环PI调节器G_i，做闭环控制，从而实现基于零序电流的不平衡控制。

零序分量的生成方法实施例

零序分量的生成过程如图4所述，由于其具体过程已经在前两个实施例中进行了详细描述，在此不再进行重复说明。

以上给出了本发明涉及两个主题的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.级联STATCOM不平衡控制的零序分量生成方法，其特征在于，步骤如下：

1)采集STATCOM每条链子模块的直流电压，获取每条链的直流电压平均值；

2)对所述每条链的直流电压平均值进行CLARKE变换，得到D轴分量Δv_{dc_d}和Q轴分量Δv_{dc_q}；

3)将Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，得到不平衡控制所需的零序分量；

所述零序分量为零序电压控制量或零序电流控制量；

当零序分量为零序电压控制量时，所述零序电压控制量与基于正负序分离的闭环解耦控制生成的正序调制波和负序调制波相加作为总的调制波，从而实现基于零序电压的不平衡控制；

当零序分量为零序电流控制量时，所述零序电流控制量与电流内环指令叠加作为总的电流内环指令参考值，将三相电流作为反馈值，经过电流内环PI调节器Gi做闭环控制，从而实现基于零序电流的不平衡控制。

2.基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法，包括获取级联STATCOM不平衡控制的零序分量，将零序分量叠加在控制系统的控制指令上，实现基于零序分量注入的不平衡控制，其特征在于，获取级联STATCOM不平衡控制的零序分量的步骤如下：

1)采集STATCOM每条链子模块的直流电压，获取每条链的直流电压平均值；

2)对所述每条链的直流电压平均值进行CLARKE变换，得到D轴分量Δv_{dc_d}和Q轴分量Δv_{dc_q}；

3)将Δv_{dc_d}和Δv_{dc_q}作为反馈量，分别与零参考值进行比较，经过PI调节器G_z做闭环控制，将闭环控制的输出量分别乘以与电网电压同相的单位正弦和余弦量sinωt和cosωt，得到不平衡控制所需的零序分量；

所述零序分量为零序电压控制量或零序电流控制量；

当零序分量为零序电压控制量时，所述零序电压控制量与基于正负序分离的闭环解耦控制生成的正序调制波和负序调制波相加作为总的调制波，从而实现基于零序电压的不平衡控制；

当零序分量为零序电流控制量时，所述零序电流控制量与电流内环指令叠加作为总的电流内环指令参考值，将三相电流作为反馈值，经过电流内环PI调节器Gi做闭环控制，从而实现基于零序电流的不平衡控制。

3.根据权利要求2所述的基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法，其特征在于，所述级联STATCOM为星型拓扑，所述零序分量为零序电压控制量。

4.根据权利要求2所述的基于零序分量注入的级联STATCOM不平衡控制方法，其特征在于，所述级联STATCOM为角型拓扑，所述零序分量为零序电流控制量。