CN105406484B - 一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法 - Google Patents
一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，不平衡的三相电网电压分别经正负序电压检测得到正序电压dq轴分量和和负序电压dq轴分量和，正负序电压dq轴分量分别与电压控制指令作差，偏差经过滑模PI控制得到STATCOM线电流正负序dq轴控制指令，将其进行同步坐标变换后，结合零序环流合成STATCOM相电流指令，经电流无差拍控制得到各相链节调制波信号，再经载波移相调制控制各模块开关动作，最终向电网注入正序无功电流和负序电流，支撑电网正序电压，减少公共连接点电压波动；抑制连接点负序电压，改善电网电压不平衡。本发明所采用的滑模PI控制方法，能够快速支撑电网正序电压，控制电网负序电压，并抑制短时电压突变，维持电网电压稳定。
Description
技术领域
本发明涉及静止同步补偿器的电压支撑策略，特别是一种角型级联同步补偿器(STATCOM)的电网电压调节方法。
背景技术
随着电力工业的不断发展，电网对无功电源的要求日益严格，传统的无功补偿装置已经难以满足某些特殊场合的应用要求。光伏、风力发电等可再生能源常常受自然环境影响，具有间歇性、随机性及不确定性等特点，其输出功率会发生波动，导致并网功率因数不合格，电压偏差大，同时存在电压波动和闪变，影响到新能源的发电效率，严重时可能造成发电场的大规模解列。因此在电压波动情况下，支撑电网正序电压，抑制电网负序电压，维持电网稳定性显得尤为重要。
静止同步补偿器已经广泛地用于低压配网的无功补偿及电能质量调节。基于级联多电平逆变技术的静止同步补偿器是一类新型的无功补偿装置，通过H桥模块级联，可以实现中高压配电网大容量无功功率的快速动态补偿，克服了单个电力电子器件耐压不足的特点，具有易扩展，器件开关频率低、并网谐波电流含量低等优点。三角形连接的级联STATCOM各链节承受电网线电压，易于分相控制，具有负序补偿功能，在电网不平衡条件下，可以快速地向电网注入基波无功和负序电流，达到抑制电网不平衡和支撑电网电压的目的。
本发明采用直流电压PI控制和电流内环无差拍控制的双闭环控制方法。在根据电网电压信号生成电流指令时，采用了滑模控制的及PI调节结合的方法。滑模控制具有对系统参数变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性，以及良好的动态特性，而PI控制可以实现对直流信号的快速无稳态误差跟踪。因此在电压突变时，可以通过结合以上两者优点的滑模PI控制，快速生成电流补偿信号，经过无差拍电流控制，就可以快速跟踪指令电流，实现支撑电网正序电压，控制电网负序电压，并抑制短时电压突变，维持电网电压稳定的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，包括以下步骤：
1)采样三相电网电压瞬时值Va、Vb、Vc，经过基于广义二阶广义积分器的正负序电压检测，分别得到正负序dq坐标系下的正序电压分量和负序电压分量并提取得到准确的电网频率；其中，是正序电压d轴分量，是正序电压q轴分量，是负序电压d轴分量，是负序电压q轴分量；
2)将分别与正常电网电压对应的正序和负序dq轴参考值比较，生成误差信号，该误差信号通过滑模PI控制后，输出指令电流信号 其中，正序电压q轴分量的参考值为正常电网电压的幅值，负序电压分量的参考值都是0；
3)将指令电流信号变换成三相同步信号后，再与角型级联同步补偿器链节稳压信号相加，形成三相线电流指令信号利用三角形拓扑中所含有的零序功率，生成相间电压平衡控制的零序环流指令补偿各相链节的不平衡电压；根据相间电压平衡控制的零序电流指令信号依据三角形结构线电流和相电流的数学关系，求出角型级联同步补偿器相电流指令信号
4)获得角型级联同步补偿器每相链节的开关信号，求得各相开关臂占空比的表达式为：
其中，Udc为各相链节直流侧总电压Udc_ab、Udc_bc、Udc_ca的平均值，T为载波控制周期；L为角型级联同步补偿器相间滤波电感值；Uab、Ubc、Uca为三相电网线电压，iinvab、iinvbc、iinvca为角型级联同步补偿器输出的相电流；
5)根据dab、dbc、dca，经载波移相调制得到角型级联同步补偿器各H桥模块开关的控制信号，驱动各开关管动作，控制角型级联同步补偿器向电网输出无功和负序电流。
正序dq轴电压分量和负序dq轴电压分量的计算公式为：
其中ω为经过检测获得的三相电网电压同步旋转角速度，t为时间，上标P表示正序分量，上标N表示负序分量。
输出电流指令信号的滑模PI控制方法计算公式为：
其中，s为拉普拉斯算子，是三相电网电压正序无功指令信号；是三相电网电压负序有功指令信号；是电网电压负序无功指令信号；是PI控制的系数；是正常三相电网电压幅值与的误差信号；是零与的误差信号；是零与的误差信号；kv是滑模控制的比例系数，分别是3个滑模面的比例系数，sgn(x)是符号函数，表达式如下：
角型级联同步补偿器相电流指令信号的计算公式为：
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用滑模PI控制方法提取电流指令信号，比仅使用PI控制器的指令电流信号提取具有更快的响应速度、鲁棒性，增加了控制系统的自由度，有效降低了超调量；本发明具有开关频率低，易于模块化生产，各模块电容电压一致，动态调节性能好等优点，同时具有更强的补偿基波负序电流的能力，输出电流的谐波含量更小；本发明提出的控制方法，可以更快地抑制电网电压波动，维持电网稳定性。
附图说明
图1为角型级联同步补偿器拓扑结构图；
图2为角型级联同步补偿器补偿电流指令信号提取框图；
图3为角型级联同步补偿器相电流指令信号获取框图；
图4为角型级联同步补偿器零序环流指令获取框图；
图5为相间平衡控制生成零序电流指令原理图；
图6为无差拍电流内环控制框图。
具体实施方式
参见图1，为每一相n个H桥模块级联的角型级联同步补偿器(STATCOM)的拓扑结构图，其中，Va、Vb、Vc是三相电网公共连接点电压，Ls是电网等效电抗，ia、ib、ic是角型级联STATCOM线电流，L是角型级联STATCOM滤波电抗，iab、ibc、ica是角型级联STATCOM相电流，Udc1、Udc2...Udcn是每个子模块的直流侧电压。由于电网电压出现不平衡、闪变或者含有较多谐波分量时，利用传统锁相环所提取的频率和相位信息可能会存在误差，故利用基于广义二阶积分器的电压检测，快速准确地提取相位和频率信息，使得系统能够在不对称故障下仍能保证准确的电网同步，将Va、Vb、Vc分别变换到正负序dq坐标系下，如图2所示，有如下结果：
其中ω为经过检测获得的三相电网电压同步旋转角速度，t为时间，是正序电压d轴分量，是正序电压q轴分量，是负序电压d轴分量，是负序电压q轴分量。
电网发生波动时，电网电压可能会出现三相不对称等情况，这时会产生大量负序电压分量，同时需要进行无功补偿，如何快速提取出电网电压的正序和负序误差信号，是本发明重点考虑的问题。
将分别与参考信号比较，生成误差信号ε，误差信号ε再与通过滑模控制产生的误差修正信号相叠加，通过PI控制器后，输出调压指令电流信号其中正序电压q轴分量的参考信号值是正常电网电压的幅值；因为正常电网电压不含负序分量，故和的参考信号值是0。角型级联STATCOM输出补偿电流指令信号的计算公式为：
其中，s为拉普拉斯算子，是电网电压正序无功指令信号；是电网电压负序有功指令信号；是电网电压负序无功指令信号；是PI控制的系数， 是正常电网电压幅值与的误差信号；是零与的误差信号；是零与的误差信号；kv是滑模控制的比例系数，kv＝10，其根据系统所要求动态响应特性决定，kv过大，会使系统发生抖振，kv过小，则系统响应速度慢；分别是3个滑模面的比例系数，sgn(x)是符号函数，表达式如下：
滑模控制的特性是可以使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动。滑模控制系统通过对滑模面切换函数S的符号来进行判别，不断切换控制量来改变系统结构，使得系统达到设计好的滑模面S＝0上，然后系统沿滑模面进行滑动。到达过程和滑动过程的特性决定了滑模控制的动态响应速度。在滑模控制时，它需要限制控制状态到其相应的滑模面。其中，三个滑模面的切换函数S要满足以下公式：
以电压正序无功分量误差计算为例，滑模面函数需要满足：系统就可以在滑模面上进行滑动，维持稳定。误差为电网电压幅值与参考值之差，滑模系数由系统所要求的动态响应特性来决定。
通过滑模控制，可以快速地对误差进行校正，同时还有较强的鲁棒性。PI控制器可以无误差地跟踪直流分量，还可以增加控制系统的自由度，因此在dq坐标系下，采用滑模控制与PI调节相结合的滑模PI控制方法，结合角型级联STATCOM，就可以快速无误差地补偿不平衡电网的正序分量和负序分量，在稳态时，还可以迅速对噪声进行相应，保证电网中其他设备的稳定运行。以正序q轴指令电流为例分析，将与滑模控制输出值相加后，再经过PI控制器，输出电流指令信号负序电流d轴分量和q轴分量指令信号的提取方式与正序q轴分量提取原理相同，仅系数不同。因为角型级联STATCOM是利用输出滤波电抗器，发出正序基波无功电流和负序电流来补偿电网电压，因此利用电压误差信号就可以生成指令电流信号。
如图3所示，为相电流指令信号获取框图。将经过同步坐标变换，就可以生成指令电流信号Udc_ref为直流侧总电容电压的参考值，Udc为各相链节直流侧总电压Udc_ab、Udc_bc、Udc_ca的平均值。Udc_ref与Udc的误差经过PI控制器后，经过三相同步坐标变换，就可以生成三相的直流侧电容电压的稳压信号，再与补偿电网电压的指令信号相叠加，就可以生成三相线电流指令信号由于角型级联STATCOM在向电网中注入负序电流时，会造成装置各相链节的直流侧总电压不平衡，进而可能造成系统的失控。因此需要利用三角形拓扑中所含有的零序功率，生成零序环流指令补偿各相链节的不平衡电压。角型STATCOM是以相电流为控制量进行跟踪控制，根据相间电压平衡控制可得零序电流指令信号进而可求出STATCOM相电流指令信号上述各步骤计算公式如下：
iab+ibc+ica＝3i0 (9)
如图4所示为角型级联同步补偿器零序指令电流获取框图。图中Udc_ab、Udc_bc、Udc_ca与Udc的差值经过PI控制器后，经过同步变换，矢量相加后即可得到零序电流参考值Iref。Iref与角型级联STATCOM内部的零序电流I0之差为相间电压平衡控制的零序电流指令信号。
如图5所示，即为相间平衡控制原理图。图中PS为电网流入STATCOM的有功功率，Pab、Pbc、Pca为各相链节的输出功率，各相链节的输出功率中都由正序分量、负序分量以及零序分量组成。利用三角形结构，在级联STATCOM内依据电压偏差量构造零序功率环流。零序功率环流可以平衡各相链节的有功功率，有效抑制了因为输出负序电流而造成的各相链节直流侧总电压不平衡的问题。
依据无差拍等效电路可以进行电流内环无差拍控制，L为AB相链节输出滤波电抗，因为线路等效电阻R远远小于ωL，因此在进行无差拍电路等效计算时，可以不计线路等效电阻。
基于KVL可列出角型级联STATCOM等值电路的暂态方程：
将公式(11)离散化可得
如图6所示，为无差拍电流内环控制框图，依据经典无差拍计算公式(12)，可得调制波信号为：
其中，Udc为各相链节直流侧总电压Udc_ab、Udc_bc、Udc_ca的平均值，T为载波控制周期；L为角型级联STATCOM相间滤波电感；Uab、Ubc、Uca为三相电网线电压，iinvAB、iinvBC、iinvCA为角型级联STATCOM输出的相电流。
最后经过载波移相调制，即可生成各个H桥模块的开关控制信号。载波移相调制是对于n个子模块级联的多电平变流器，采用2n个幅值和频率相同，相位依次相差n/π的三角载波与调制波进行比较，每路三角载波与调制波的比较结果决定相应桥臂的开关状态。
通过上述过程，角型级联同步补偿器就可以根据电网电压不平衡情况，快速提取正序和负序误差分量，结合相间平衡控制生成相电流指令，控制级联的H桥模块发出正序基波无功电流和负序电流，依靠输出滤波电感产生正序基波无功电压和负序电压，来对波动的电网电压进行补偿，实现对故障情况下的电网支撑作用。
Claims (4)
1.一种角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采样三相电网电压瞬时值Va、Vb、Vc，经过基于广义二阶广义积分器的正负序电压检测，分别得到正负序dq坐标系下的正序电压分量和负序电压分量并提取得到准确的电网频率；其中，是正序电压d轴分量，是正序电压q轴分量，是负序电压d轴分量，是负序电压q轴分量；
2)将分别与正常电网电压对应的正序和负序dq轴参考值比较，生成误差信号，该误差信号通过滑模PI控制后，输出指令电流信号 其中，正序电压q轴分量的参考值为正常电网电压的幅值，负序电压分量的参考值都是0；
3)将指令电流信号变换成三相同步信号后，再与角型级联同步补偿器链节稳压信号相加，形成三相线电流指令信号利用三角形拓扑中所含有的零序功率，生成相间电压平衡控制的零序环流指令补偿各相链节的不平衡电压；根据相间电压平衡控制的零序环流指令依据三角形结构线电流和相电流的数学关系，求出角型级联同步补偿器相电流指令信号
4)获得角型级联同步补偿器每相链节的开关信号，求得各相开关臂占空比的表达式为：
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其中，Udc为各相链节直流侧总电压Udc_ab、Udc_bc、Udc_ca的平均值，T为载波控制周期；L为角型级联同步补偿器相间滤波电感值；Uab、Ubc、Uca为三相电网线电压，iinvab、iinvbc、iinvca为角型级联同步补偿器输出的相电流；
5)根据dab、dbc、dca，经载波移相调制得到角型级联同步补偿器各H桥模块开关的控制信号，驱动各开关管动作，控制角型级联同步补偿器向电网输出无功和负序电流。
2.根据权利要求1所述的角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，其特征在于，正序电压d轴分量正序电压q轴分量负序电压d轴分量负序电压q轴分量的计算公式为：
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其中ω为经过检测获得的三相电网电压同步旋转角速度，t为时间，上标P表示正序分量，上标N表示负序分量。
3.根据权利要求2所述的角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，其特征在于，输出电流指令信号 的滑模PI控制方法计算公式为：
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其中，s为拉普拉斯算子，是三相电网电压正序无功指令信号；是三相电网电压负序有功指令信号；是电网电压负序无功指令信号；是PI控制的系数；是正常三相电网电压幅值与的误差信号；是零与的误差信号；是零与的误差信号；kv是滑模控制的比例系数，分别是3个滑模面的比例系数，sgn(x)是符号函数，表达式如下：
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4.根据权利要求3所述的角型级联同步补偿器的电网电压调节方法，其特征在于，角型级联同步补偿器相电流指令信号的计算公式为：
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2
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