CN105515023B - 一种级联statcom变流单元容错方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种级联STATCOM变流单元的故障冗余方法，首先检测各H桥输出电流和直流侧电压，判断系统是否出现故障，系统发生故障时旁路故障H桥，通过对变流单元的三相直流侧电压差别控制，稳定故障相各H桥模块的电压，将变流单元改造为三相不对称系统，然后通过中心点偏移技术与载波移相调制策略实现STATCOM变流单元输出三相对称的线电压。使用本发明的故障容错方法可以在H桥故障时仅旁路故障H桥，直接提高了变流器H桥单元的利用率。

Description

一种级联STATCOM变流单元容错方法
技术领域
本发明涉及一种级联STATCOM的变流单元容错方法。
背景技术
随着我国国民经济及科技水平的快速发展，电能质量成为电力部门和电力用户共同关注的焦点，特别是随着各种电子装置和精密设备的广泛应用，使得用户希望供电企业能够提供高效优质的电能。而电力系统中异步电动机、变压器、电弧炉尤其是电力电子装置广泛应用，工业领域中很多企业日耗电量巨大，负荷呈非线性和冲击性，引发了多种电能质量问题，主要包括功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、功率冲击、电压闪变和电压波动。
STATCOM作为较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节。此外，STATCOM还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平。
目前高压STATCOM多采用级联结构，但是随着级联数量的增加，系统发生故障的概率也会增加。所以级联STATCOM必须要有相应的冗余措施。目前常用的冗余方法主要有以下缺陷：
1.采用冷预备冗余容错方式，系统出现故障时，预备H桥投入运行时需要一个充电过程，系统动态性能较差，其动态特性如图1所示，故障发生瞬间的电容电压波形如图2所示。
2.使用热预备冗余容错方式，当采用直流母线法实现的高压 STATCOM，直流侧电压由二极管整流提供，故障时为了保障系统的正常运行，必须切除非故障相相同位置的H桥，因此系统H桥利用率不高，故障时刻电网动态特性如图3所示，故障发生瞬间的电容电压波形如图4所示。
3.使用热预备冗余容错方式，采用交流母线法实现的高压 STATCOM，直流侧电压有DC/DC变换器提供，故障时为了保障系统的正常运行，常通过故障相模块升压以保障系统的正常运行，这增加了直流侧器件的选型成本。
发明内容
本发明的目的是提供级联结构的STATCOM一种的冗余容错方式，当系统出现故障时，可以不切除非故障相相同位置H桥模块，且不需要提升故障相非故障H桥模块的电压，以达到提高H桥利用率以及降低H桥器件选型成本的目的。
为达上述目的，本发明的冗余容错技术主要包括以下步骤：
1.检测三相负载电流，计算并提取负载侧无功电流，用于补偿电网中的无功功率。
2.故障前，将各H桥直流侧电压之和与设定电压值送入PI控制器，得到直流侧电压控制有功分量，通过指令有功分量的控制，使变流单元吸收电网有功功率，实现直流侧电压的平稳。
3.故障后，旁路故障H桥，将各相H桥直流侧电压送入故障冗余控制器，输出指令有功分量以抑制变流单元的三相耦合特性，实现故障状态下的各相电压稳定。
4.将检测提取的电网无功电流与输出指令有功分量通过前馈解耦环节得到指令电压信号实现变流单元的间接电流控制。
5.根据系统的故障运行状态，故障前坐标变换法将指令电压信号转换为三相调制信号，故障后将指令电压信号送入调制参数修正模块以实现故障状态下的参数修正。
6.最后通过载波移相调制方式使变流单元输出三相电压，以补偿电网无功功率。
本发明提供的故障冗余容错方法具有以下优点
1.适用于能量双向流动的级联STATCOM设备，故障时，通过故障冗余控制器实现了系统各相电压的解耦控制，从而抑制了三相电网之间的耦合特性。首先从主体上控制了STATCOM系统各相H桥模块直流侧总电压，并在均压模块的配合下保证了各H桥模块电压的恒定。实现了先整体粗调后局部细调的思想。
2.根据链节的故障状态，修正变流单元输出电压的调制比与输出电压相角，保证变流单元输出三相对称的线电压，相比常用冗余容错方式，该方法提高了故障状态下系统无功补偿容量。
3.由于故障前后各H桥模块直流侧电压不变，所以与常用热预备冗余方法相比减小了H桥单元的器件选型成本。
附图说明
以下结合附图与具体实现过程进一步说明本发明
图1是冷预备方式下故障瞬间电网特性曲线；
图2是冷预备方式下故障瞬间电容电压曲线；
图3是热预备方式下故障瞬间电网特性曲线；
图4是热预备方式下故障瞬间电容电压曲线；
图5是本发明级联H桥控制器的控制原理图；
图6是本发明故障冗余控制器原理图；
图7是本发明调制参数修正示意图；
图8是本发明调制信号修正方法的原理图；
图9是本发明A相均压控制器原理图；
图10是本发明故障发生时STATCOM级联变流单元的电压波形；
图11是A相故障瞬间各H桥直流侧电压波形；
图12是故障瞬间的电网特性曲线；
图13是故障瞬间的变流单元输出线电压波形。
具体实施方式
图5是本发明的级联H桥控制器的控制原理图，参照图5所示的控制原理图，ΔId为直流侧电压指令有功电流调节值，ΔIq为系统提取得到负载无功电流量，通过前馈解耦环节得到变流单元输出电压指令Vd和Vq，对Vd和Vq进行坐标变换得到变流单元的三相输出电压调制波Va、Vb、Vc。最后通过载波移相调制策略实现变流单元的调制输出。
一种级联STATCOM变流单元容错方法具体故障容错步骤如下：
1.故障前将各H桥直流侧电压之和与设定电压值送入PI控制器，得到直流侧电压控制有功分量，通过指令有功分量的控制ΔId，使变流单元吸收电网有功功率，实现变流单元直流侧总电压的平稳。故障时，系统首先旁路故障H桥单元，然后将各H桥直流侧电压与设定电压值送入故障冗余控制器。图6是本发明的故障冗余控制原理图。 Udci为变流单元的相电压，Udci_SET为变流单元相电压设定值，两者送入PI控制器进行控制，输出调节量与各相电网相角正弦值做乘积运算，产生与三相电网电压同相位的电流调节量ΔIi，对三相调节量ΔIi进行旋转坐标变换产生指令有功电流ΔId。旋转坐标变换的具体实现过程为：
对该指令电流信号做CLARK变换得：
(2)再将其进行park变换，实现无功电流与有功电流的分解：
由于ΔId是由变流器的三相电压ΔIi经过变换合成的，所以通过ΔId的控制可以实现三相电压的差异控制，从而抑制变流器的三相耦合特性，当系统出现故障时保证H桥单元电压恒定。
2.指令有功电流ΔId与负载侧无功电流信号ΔIq送入图5中编号 2所示的前馈解耦环节得到变流单元指令电压信号Vd和Vq。
3.根据变流单元指令电压信号Vd和Vq实现三相指令电压信号 Va、Vb和Vc的生成，故障前使用旋转坐标逆变换即可得到三相指令电压信号Va、Vb和Vc。故障时，由变流单元三相电压不平衡，所以三相指令电压信号Va、Vb和Vc不能直接使用旋转坐标逆变换，同时由于三相输出电压不对称，会给电网带来较大的谐波电流，所以使用调制参数修正方法，以保证变流单元输出三相对称的线电压。具体调制参数修正如图7所示，图中Udc为变流单元直流侧电压之和，计算输出电压调制比为：
变流单元输出电压信号与电网电压之间的相角差为：
δ＝arctan(Ud/Uq) (4)
正常状态下变流单元输出为三相相角差为120°的对称电压，由于故障相的的输出电压较低，且星型级联拓扑的中心点可以不与电网中心点即电网N线相连，所以其中心点是浮动的，因此变流单元运行时，中心点可以偏离电网中心点，表现为输出三相相电压不对称，此时通过调整相电压的相位可以得到三相平衡的负载线电压。调制信号修正方法的原理如图8所示，图中O为电网中心点，O’为逆变器中心点，正常运行时链式逆变器输出相电压与线电压关系如图8外侧三角形所示，当发生故障后，各相非故障链节相对于逆变器中心点输出电压幅值为|Va’|、|Vb’|和|Vc’|，如果三相输出相角差仍为120°，则三相输出电压相对于电网中心点O不对称，通过改变输出各相电压的输出相角，对逆变器输出电压的中心点适当调整，如图8内侧三角形所示，此时A、B、C三相电压相角不再是120°，虽然三相相对于逆变器中心点的电压是非对称的，但是输出的线电压仍是三相对称的，因此可以保证级联STATCOM在故障状态下的稳定运行。
4.将调制信号与均压控制器产生的均压信号相叠加以实现各H 桥模块之间的均压控制，以A相均压控制器为例原理图如图9所示。 udcA为级联变流单元A相电压之和，N为A相H桥数量，两者相除得到各H桥模块的平均电压，HV1至HVN为A相N个H桥模块的电压值，将其与A相平均电压值送入PI控制器并将输出电压值与变流器输出电流值相乘，此时各H桥的等效于在原有调制电压控制量上叠加一个与变流器输入电流同相的电压分量，此时H桥模块等效增加有功功率为：
ΔP＝HAX×Ia (5)
通过叠加的有功功率即可实现A相H桥直流侧电压的均压控制。最后使用移相载波调制策略使级联变流单元输出三相指令电压。
通过仿真验证本发明的故障容错方法。图10是使用本发明的故障容错方法在故障发生时STATCOM级联变流单元的电压波形。图 11是故障瞬间的A相7个H桥直流侧电压波形，可以看出系统出现故障后，使用本发明的故障冗余方法，A相电压直流侧电压下降并稳定在13kV，非故障链节电压稳定在2.6kV，两个故障链节由于并联损耗电压呈现下降趋势。图12是故障瞬间电网的动态特性曲线，可以看出系统功率因数由0.9997降低至0.9985，系统容错运行的补偿效果较好。图13是故障时修正调制参数后输出变流单元输出三相线电压波形，从图中可以明显看出故障前电网输出三相对称的线电压，虽然由于中性点的浮动，逆变器的输出电压相对电网中心点存在高频谐波分量，但是总体而言输出的电压相对电网中性点仍为三相对称。

Claims (2)

1.一种级联H桥STATCOM变流单元故障冗余方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)检测三相负载电流iaL、ibL、icL，计算并提取负载侧无功电流ΔIq，用于补偿电网中的无功功率；
(2)故障前，将各H桥直流侧电压之和与设定电压值送入PI控制器，得到直流侧电压控制有功分量，通过直流侧电压控制有功分量的控制，使变流单元吸收电网有功功率，实现直流侧电压的平稳；
(3)故障后，旁路故障H桥，将各相H桥直流侧电压Udci送入故障冗余控制器，即将变流单元的相电压与变流单元相电压设定值送入PI控制器进行控制，输出调节量与各相电网相角正弦值做乘积运算，产生与三相电网电压同相位的电流调节量，对三相电流调节量进行旋转坐标变换产生指令有功电流ΔId，输出指令有功电流ΔId以抑制变流单元的三相耦合特性，实现故障状态下的各相电压稳定；
(4)将检测提取的负载侧无功电流ΔIq与输出的指令有功电流ΔId通过前馈解耦环节得到变流单元指令有功电压信号Vd与变流单元指令无功电压信号Vq，实现变流单元的间接电流控制；
(5)根据系统的故障运行状态，故障前采用坐标变换法将变流单元指令有功电压信号Vd与变流单元指令无功电压信号Vq转换为三相调制信号Va、Vb、Vc，故障后将变流单元指令有功电压信号Vd与变流单元指令无功电压信号Vq送入调制参数修正模块以实现故障状态下的STATCOM参数修正；将调制信号与均压控制器产生的均压信号相叠加以实现各H桥模块之间的均压控制；
(6)最后通过载波移相调制方式使变流单元输出三相对称的线电压，以补偿电网无功功率。
2.针对权利要求1所述的级联H桥STATCOM变流单元故障冗余方法，其特征在于故障H桥模块切除后，通过故障冗余控制器抑制变流单元的三相耦合特性，实现变流单元三相电压不平衡控制，并通过调制参数修正模块实现变流单元的三相对称线电压输出，以达到出现故障时提高H桥模块利用率以及减小H桥器件选型成本的目的。
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