CN105119306A - 适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多个静止同步补偿器并联电压前馈控制方法，包括以下步骤：(1)静止同步补偿器数量的确定：通过检测系统的无功分量I_q确定投入运行的静止同步补偿器的数量N；(2)网侧阻抗检测：采用主动注入谐波法检测补偿点的网侧阻抗Z_g；(3)前馈信号生成：根据步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g以及补偿点电压U_pcc和电流I_pcc，得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff。与现有技术相比，本发明具有适应性广、鲁棒性好、损耗低等优点。

Description

适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压前馈控制方法，尤其是涉及一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法。

背景技术

近年来，随着经济社会的飞速发展，用户的用电负荷不断提高，随之而来的是用户侧的无功负荷也有大量的增长，严重污染了电网的电能质量，使得电网的损耗不断提高，同时也会影响部分用电设备正常可靠地运行。静止同步补偿器作为一种先进的无功补偿装置，具有体积小，响应快，可连续补偿等优点，能有效地补偿用户侧的无功，降低输电线路压降，具有显著地经济效益，得到了广泛地关注和应用，成为研究的热点。

用户侧不断提高的无功容量，使得单个静止同步补偿器的补偿容量往往无法满足用户的需求。采用多个小容量的静止同步补偿器并联补偿，具有可大规模生产，缩短了研发周期，具有更低的生产成本，满足不同用户对无功补偿的需求。然而用户侧的电网不总是理想状态，变压器的存在使得用户侧的电网存在电网阻抗，电网阻抗的存在使得单个可靠运行的静止同步补偿器，在多个并联时，出现谐振，甚至无法运行的现象。电网阻抗的存在大大限制了规模化静止同步补偿器的并联运行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适应性广、鲁棒性好、损耗低，适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)静止同步补偿器数量的确定：通过检测系统的无功分量I_q确定投入运行的静止同步补偿器的数量N，其中，N-1台静止同步补偿器发出指令电流额定值，第N台静止同步补偿器动态跟踪系统无功分量的变化；

(2)网侧阻抗检测：采用主动注入谐波法检测补偿点的网侧阻抗Z_g，并判断网侧阻抗变化系数R_gest是否大于阈值A，若为是，则重新检测网侧阻抗Z_g，并实时更新网侧阻抗Z_g，否则，保持原网侧阻抗值；

(3)前馈信号生成：根据步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g以及补偿点电压U_pcc和电流I_pcc，得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff。

所述的步骤(1)具体为：根据补偿点电压U_pcc的相位，将检测到的负载电流I_L经dq变换得到系统的有功分量I_d和无功分量I_q，根据无功分量I_q决定投入运行的静止同步补偿器的数量N；其中，N-1台静止无功补偿器的无功参考电流为I_max，第N台静止同步补偿器的无功参考电流为I_qN，根据系统无功分量I_q的变化实现动态跟踪，达到补偿系统无功容量的效果，

I_qN＝I_q-(N-1)I_max

。

所述的步骤(2)具体为：向静止同步补偿器的公共连接点间歇性的注入设定次数谐波，检测补偿点电压U_pcc和电流I_pcc并作离散傅里叶变换，得到注入谐波频率次的分量U_{g_h}和I_{g_h}，此时谐波阻抗为

$Z_h=\frac{U_{g\_h}}{I_{g\_h}},$

再将谐波阻抗转换成基频时的网侧阻抗Z_g。

所述的将谐波阻抗转换成基频网侧阻抗Z_g具体过程为：注入两个不同频率的谐波，f₁和f₂，则此时谐波阻抗表示为：

$Z_{{\mathrm{hf}}_1}=\frac{U_{g\_h1}}{I_{g\_h1}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{L}_g\right)}^2}$

$Z_{{\mathrm{hf}}_2}=\frac{U_{g\_h2}}{I_{g\_h2}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{L}_g\right)}^2}$

其中Z_hf1、U_{g_h1}和I_{g_h1}为在频率为f₁处的谐波阻抗、谐波电压、谐波电流；Z_hf2、U_{g_h2}和I_{g_h2}为在频率为f₂处的谐波阻抗，谐波电压，谐波电流；进一步得知，网侧等效电阻Rg和等效电抗Lg表示为：

$R_g=\sqrt{\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{Z}_{{\mathrm{hf}}_2}\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{Z}_{{\mathrm{hf}}_1}\right)}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

$L_g=\sqrt{\frac{{Z_{{\mathrm{hf}}_1}}^2-{Z_{{\mathrm{hf}}_2}}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

设基波频率为f₀，那么此时激波阻抗Zg表示为：

$Z_g=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_0{L}_g\right)}^2}.$

所述的步骤(3)具体为：将步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g与补偿点电压U_pcc相乘得到电压前馈修正量△U，

ΔU＝I_pcc×Z_g，

再用补偿点电压U_pcc减去电压前馈修正量△U，得到静止同步补偿器的初始前馈电压U_f，将初始前馈电压U_f除以逆变桥等效增益K_PWM得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff，

$U_{ff}=\frac{\left(U_{pcc}-Z_g{I}_{pcc}\right)}{K_{PWM}}.$

所述的步骤(2)还包括计算网侧阻抗变化系数R_gest，并根据该变化系数R_gest判断网侧阻抗Z_g的变化幅度，实时更新网侧阻抗Z_g。

所述的步骤(3)还包括有源阻尼信号生成环节，检测滤波电容电流，经比例系数K₁后叠加到调制信号中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明设计的一种应用于多台静止同步补偿器并联于补偿点的改进型电压前馈控制方法，有效地解决了多台逆变器由于补偿点电压波动太大而无法启动的情况，抑制了LCL滤波器的谐振现象，同时不带来任何损耗；

2)本发明根据在线检测的网侧阻抗，动态的修正系统的前馈电压，具有更广的适应性，鲁棒性，同时，最大限度的降低了注入谐波信号对电网的污染；

3)本发明检测的是补偿点的总电流，使得前馈修正量只和网侧阻抗和实际并网点总电流相关，对于并网点以后负载参数的变化，或者是静止同步补偿器数量的变化，都不会影响前馈系数，不需要考虑网侧等效阻抗变化的问题，具有很好的鲁棒性；

4)本发明检测补偿点的总电流在启动和负载变化时，具有更好的准确度，防止误启动；

5)本发明提出的方法适用于本领域的各种同类型设备，不仅限于静止同步补偿器，而且可以用于并网逆变器。

附图说明

图1为本申请一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法流程图；

图2为本申请网侧阻抗在线检测流程图；

图3为三相静止同步补偿器控制电路图；

图4为多个静止同步补偿器并联系统拓扑结构图；

图5为传统电压前馈控制系统等效框图(不包含参考电流信号生成)；

图6为单相静止同步补偿器的改进型电压前馈控制系统等效框图(不包含参考电流信号生成)；

图7为单相静止同步补偿器采用改进型电压前馈控制时三台静止同步补偿器发出电流的单相波形；

图8为单相静止同步补偿器采用改进型电压前馈控制方法运行时，突然改为传统电压前馈控制后，三台静止同步补偿器发出电流的单相波形；

图9为采用改进型电压前馈控制时，单台静止同步补偿器发出的三相电流波形；

图10为采用传统电压前馈时，单台静止同步补偿器发出的三相电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示为本申请一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法流程图；

如图3所示为三相静止同步补偿器控制电路图，其中，C_dc和C直流侧电容和滤波电容，L₁和L₂为滤波电感，Z_g为网测阻抗；U_ga，U_gb，U_gc分别为系统三相电压，U_pcc/ab和U_pcc/bc为补偿点线电压，θ为提取的补偿点电压相位，I_dref和I_qref分别为无功电流参考值和有功电流的参考值。

如图4所示为多个静止同步补偿器并联系统拓扑结构图，其中，I_pcc为补偿点电流，U_pcc为补偿点相电压，U_g为系统电压，I_C1，I_C2，I_C3，I_Cn为n台并联的静止同步补偿器的输出电流。多个静止同步补偿器并联系统包括配网系统，N台并联的静止同步补偿器以及负载，N台静止同步补偿器和负载通过共同的网侧阻抗Zg连接到电网，使得N台静止同步补偿器以及负载之间存在一定的相互影响。N台静止同步补偿器的电流，经LCL滤波以后连到公共补偿点。

如图1所示，本发明适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法包括以下步骤：

(1)静止同步补偿器数量的确定：通过检测系统的无功分量I_q确定投入运行的静止同步补偿器的数量N，其中，N-1台静止同步补偿器发出指令电流额定值，第N台静止同步补偿器动态跟踪系统无功分量的变化。具体来说，稳压外环PI控制器通过反馈调节直流侧电压参考值与实际值的差值，实现直流侧的稳压控制，并根据检测的补偿点电压U_pcc的相位，将检测到的负载电流I_L经dq变换得到系统的有功分量I_d和无功分量I_q，根据无功分量I_q决定投入运行的静止同步补偿器的数量N，用于补偿系统的无功容量；其中，N-1台静止无功补偿器的无功参考电流为I_max，第N台静止同步补偿器的无功参考电流为I_qN，根据系统无功分量I_q的变化实现动态跟踪，达到补偿系统无功容量的效果，

I_qN＝I_q-(N-1)I_max。

(2)网侧阻抗检测：如图2所示为本申请网侧阻抗在线检测流程图；采用主动注入谐波法向静止同步补偿器的公共连接点间歇性的注入设定次数谐波，检测补偿点电压U_pcc和电流I_pcc并作离散傅里叶变换，得到注入谐波频率次的分量U_{g_h}和I_{g_h}，此时谐波阻抗为

$Z_h=\frac{U_{g\_h}}{I_{g\_h}},$

再根据注入的谐波频率，将谐波阻抗转换成网侧阻抗Z_g，谐波阻抗转换成基频网侧阻抗Z_g具体过程为：注入两个不同频率的谐波，f₁和f₂，则此时谐波阻抗可表示为：

$Z_{{\mathrm{hf}}_1}=\frac{U_{g\_h1}}{I_{g\_h1}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{L}_g\right)}^2}$

$Z_{{\mathrm{hf}}_2}=\frac{U_{g\_h2}}{I_{g\_h2}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{L}_g\right)}^2}$

其中Z_hf1，U_{g_h1}和I_{g_h1}为在频率为f₁处的谐波阻抗，谐波电压，谐波电流；Z_hf2，U_{g_h2}和I_{g_h2}为在频率为f₂处的谐波阻抗，谐波电压，谐波电流；进一步可以得知，网侧等效电阻Rg和等效电抗Lg可表示为：

$R_g=\sqrt{\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{Z}_{{\mathrm{hf}}_2}\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{Z}_{{\mathrm{hf}}_1}\right)}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

$L_g=\sqrt{\frac{{Z_{{\mathrm{hf}}_1}}^2-{Z_{{\mathrm{hf}}_2}}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

设基波频率为f₀，那么此时激波阻抗Zg可表示为：

$Z_g=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_0{L}_g\right)}^2}$

并判断网侧阻抗变化系数R_gest是否大于阈值A，若为是，则重新检测网侧阻抗Z_g，并实时更新网侧阻抗Z_g，否则，不重新检测网测阻抗，最大程度的降低注入非特征次谐波对电网的影响，降低计算负担。

所述的步骤(2)还包括计算网侧阻抗变化系数R_gest，其定义如下：

R_gest＝r_k+r_k-1+r_k-2

r_k＝|i_k-2i_k-1+i_k-2|

其中i_k、i_k-1、i_k-2分别为连续采样时间kT、(k-1)T、(k-2)T时进网电流采样值，T为采样时间。当网侧阻抗变化不大时，R_gest的值波动较小，当网侧阻抗有大幅变化时，如补偿点前端有较大的负荷投切，R_gest则会有比较大的变化，会触发网侧阻抗检测，重新对网侧阻抗进行检测，并更新前馈电压系数。

(3)前馈信号生成：如图6所示为单相静止同步补偿器的改进型电压前馈控制系统等效框图(不包含参考电流信号生成)，将步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g与补偿点电压U_pcc相乘得到电压前馈修正量△U，

ΔU＝I_pcc×Z_g，

再用补偿点电压U_pcc减去电压前馈修正量△U，得到静止同步补偿器的初始前馈电压U_f，将初始前馈电压U_f除以逆变桥等效增益K_PWM得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff，

$U_{ff}=\frac{(U_{pcc}-Z_g{I}_{pcc})}{K_{PWM}}.$

因为LCL滤波器存在谐振现象，所述的步骤3还包括有源阻尼信号生成环节，检测滤波电容电流，经PI调节器的比例系数K₁后叠加到调制信号中，实现LCL谐振抑制，与滤波电容支路串电阻的方式相比，采用LCL滤波结构实现更好的滤波效果，采用有源阻尼抑制LCL的谐振现象，不增加系统的损耗。

如图5所示为单相静止同步补偿器的传统电压前馈控制系统等效框图(不包含参考电流信号生成)，输出电流跟踪参考电流，经PI控制器之后，前馈电压信号实现对网侧扰动的高鲁棒性，滤波电流反馈实现LCL谐振的抑制。

与传统方法相比，本发明根据在线检测的网侧阻抗，动态的修正系统的前馈电压，具有更广的适应性，鲁棒性，同时，最大限度的降低了注入谐波信号对电网的污染；

以下对本发明提供的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法进行具体验证：

为了验证本发明的正确性及有效性，搭建了三台三相四线制静止同步补偿器的样机模型，、具体样机参数如表1所示：

表1静止同步补偿器样机参数

实验装置主控制器采用DSP+FPGA的体系，其中主控芯片为DSP，采用TMS320F28335DSP芯片作为核心运算及采样控制，FPGA采用CycloneEP1C12Q24017NFPGA芯片作为双口RAM并行处理数据。因为实验中，网侧电网不完全可控，通过串联电感来实现网侧阻抗Zg的模拟，在公共端串上100μH的电感以后，测得的电网阻抗为120μH，因为实验点电网不是一直都处于理想状态，大约有20～40μH的电抗，所以测量结果误差不大，认为该方法有效可行。

图7为单相静止同步补偿器采用改进型电压前馈控制时三台静止同步补偿器发出电流的单相波形，其中1格为200A；由图7可以看出，三台静止同步补偿器并联运行时可靠稳定，此时对于每一台静止同步补偿器，网侧等效阻抗约为3倍的网侧阻抗，即360μH；当采用改进型电压前馈控制方法运行时，突然改为传统电压前馈控制后，三台静止同步补偿器发出电流的单相波形，如图8所示，其中1格为200A，由于网侧等效阻抗偏大其中一台静止补偿器保护动作，这时只有两台运行，此时对静止同步补偿器来说，系统等效阻抗变为2倍的网侧阻抗，即240μH，此时可以有效运行。

如图9所示为采用改进型电压前馈控制时，单台静止同步补偿器发出的三相电流波形，其中1格为50A；如图10所示为采用传统电压前馈时，单台静止同步补偿器发出的三相电流波形，其中1格为50A。对比图9和图10可以明显的发现采用本发明以后，输出电流波形质量明显提高，效果明显，在弱电网下具有明显的优势。

上述公开的仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚地说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)静止同步补偿器数量的确定：通过检测系统的无功分量I_q确定投入运行的静止同步补偿器的数量N，其中，N-1台静止同步补偿器发出指令电流额定值，第N台静止同步补偿器动态跟踪系统无功分量的变化；

(2)网侧阻抗检测：采用主动注入谐波法检测补偿点的网侧阻抗Z_g，并判断网侧阻抗变化系数R_gest是否大于阈值A，若为是，则重新检测网侧阻抗Z_g，并实时更新网侧阻抗Z_g，否则，保持原网侧阻抗值；

(3)前馈信号生成：根据步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g以及补偿点电压U_pcc和电流I_pcc，得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体为：根据补偿点电压U_pcc的相位，将检测到的负载电流I_L经dq变换得到系统的有功分量I_d和无功分量I_q，根据无功分量I_q决定投入运行的静止同步补偿器的数量N；其中，N-1台静止无功补偿器的无功参考电流为I_max，第N台静止同步补偿器的无功参考电流为I_qN，根据系统无功分量I_q的变化实现动态跟踪，达到补偿系统无功容量的效果，

I_qN＝I_q-(N-1)I_max

。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：向静止同步补偿器的公共连接点间歇性的注入设定次数谐波，检测补偿点电压U_pcc和电流I_pcc并作离散傅里叶变换，得到注入谐波频率次的分量U_{g_h}和I_{g_h}，此时谐波阻抗为

$Z_h=\frac{U_{g\_h}}{I_{g\_h}},$

再将谐波阻抗转换成基频时的网侧阻抗Z_g。

4.根据权利要求3所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的将谐波阻抗转换成基频网侧阻抗Z_g具体过程为：注入两个不同频率的谐波，f₁和f₂，则此时谐波阻抗表示为：

$Z_{{\mathrm{hf}}_1}=\frac{U_{g\_h1}}{I_{g\_h1}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{L}_g\right)}^2}$

$Z_{{\mathrm{hf}}_2}=\frac{U_{g\_h2}}{I_{g\_h2}}=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{L}_g\right)}^2}$

其中Z_hf1、U_{g_h1}和I_{g_h1}为在频率为f₁处的谐波阻抗、谐波电压、谐波电流；Z_hf2、U_{g_h2}和I_{g_h2}为在频率为f₂处的谐波阻抗，谐波电压，谐波电流；进一步得知，网侧等效电阻Rg和等效电抗Lg表示为：

$R_g=\sqrt{\frac{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1{Z}_{{\mathrm{hf}}_2}\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2{Z}_{hf1}\right)}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

$L_g=\sqrt{\frac{{Z_{{\mathrm{hf}}_1}}^2-{Z_{{\mathrm{hf}}_2}}^2}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_1\right)}^2-{\left(2{\mathrm{\πf}}_2\right)}^2}}$

设基波频率为f₀，那么此时激波阻抗Zg表示为：

$Z_g=\sqrt{R_g^2+{\left(2{\mathrm{\πf}}_0{L}_g\right)}^2}.$

5.根据权利要求1所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：将步骤(2)中检测到的网侧阻抗Z_g与补偿点电压U_pcc相乘得到电压前馈修正量△U，

ΔU＝I_pcc×Z_g，

再用补偿点电压U_pcc减去电压前馈修正量△U，得到静止同步补偿器的初始前馈电压U_f，将初始前馈电压U_f除以逆变桥等效增益K_PWM得到静止同步补偿器的最终前馈电压U_ff，

$U_{ff}=\frac{(U_{pcc}-Z_g{I}_{pcc})}{K_{PWM}}.$

6.根据权利要求1所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)还包括计算网侧阻抗变化系数R_gest，并根据该变化系数R_gest判断网侧阻抗Z_g的变化幅度，实时更新网侧阻抗Z_g。

7.根据权利要求1所述的一种适用于多个静止同步补偿器并联的电压前馈控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)还包括有源阻尼信号生成环节，检测滤波电容电流，经比例系数K₁后叠加到调制信号中。