CN105656056B - 一种级联statcom子模块混合均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法，在均压控制时，采用平均直流电压闭环控制、正负序分离电流闭环解耦控制、子模块直流电压闭环反馈控制和载波移相高频轮换控制，最终生成子模块的PWM脉冲信号，通过子模块直流电压闭环反馈控制能够消除各子模块损耗差异引起的电压不均衡，实现了级联STATCOM子模块电压的有效均衡控制，并且通过采用高频的轮换周期进行载波的轮换，轮换周期短，控制速度块，均压效果十分显著；而且能够有效消除各子模块间由于载波移相引起的脉冲差异，提高了链内子模块的均压效果。

Description

一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法

技术领域

本发明涉及一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法，属于柔性交流输电的STATCOM控制领域。

背景技术

静止同步补偿器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)有两种结构形式，一种是单相，另一种是三相，每相称为一个链，不管是单相或者三相，其每相(即每个链)均由若干个子模块级联构成，该静止同步补偿器还称为级联STATCOM。如图1所示，其为一种三相级联STATCOM的基本拓扑结构图，其中的子模块为H桥电路，但是子模块还可以是其他形式的子模块，比如：半桥或者全桥子模块。

级联STATCOM拓扑在链内子模块损耗特性和驱动脉冲均一致的情况下，链内子模块直流电压不进行控制也可以达到均衡，系统能够正常运行。但是在实际应用当中，各子模块的损耗特性不可能完全一致，并且其驱动脉冲的延时也不尽相同，因此造成在链内总平均电压不变的情况下，各子模块间的直流电压出现不均衡的现象，如果不采取特殊的均压控制策略，将导致链内各子模块间的直流电压差异逐渐增大，将会引起直流过压或欠压，最终导致STATCOM不能正常运行。因此，如何提高级联STATCOM子模块直流电压的均衡度是亟待解决的关键问题。

目前来讲，级联STATCOM子模块均压方法主要有两大类：

第一类方法，基于外部硬件电路。这类方法中，一种是通过给各个子模块提供独立的直流电压源，从而避免子模块均压问题；一种是在直流侧并联泄放电阻和可控开关，通过控制电阻的损耗达到子模块均压的目的；一种是通过在各子模块间建立基于硬件的能量交换平衡电路，通过控制实现子模块均压。此类方法的缺点在于增加了系统体积、损耗和复杂度，不利于装置稳定运行，同时也增加了系统成本。

第二类方法，基于子模块直流电压闭环反馈控制。这类方法将各个子模块直流电压进行采集后，通过闭环反馈控制器或排序的方法，实时调整子模块的调制波或脉冲时序，抑制由于子模块间的损耗差异导致的直流电压不均衡，达到均压的目的。此类方法的缺点在于，在小电流工况下，由于STATCOM和交流系统间交换能量的减小，均压控制能力有限，均压效果难以保证，容易发生均压失败的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法，用以解决现有的两种均压方法均不能有效实现均压控制的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法，该控制方法采用平均直流电压闭环控制、正负序分离电流闭环解耦控制、子模块直流电压闭环反馈控制和载波移相高频轮换控制，

对级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值进行平均直流电压闭环控制，并以其输出的信号作为正负序分离电流闭环解耦控制的正序有功电流指令值，经过正负序分离电流闭环解耦控制得到三相调制波；对每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压进行子模块直流电压闭环反馈控制，生成三相调制波调整量；将生成的三相调制波调整量与通过解耦控制得到的三相调制波对应叠加后生成修正后的三相调制波；将经载波移相高频轮换控制生成的载波与所述修正后的三相调制波进行比较，生成各子模块对应的PWM脉冲信号。

实现所述载波移相高频轮换控制的手段为：

对于一条链中的子模块，每经过一个设定的高频轮换周期时，将第k个子模块对应的载波更新为第k-1个子模块对应的载波，同时，将第一个子模块对应的载波更新为第N个子模块对应的载波，其中，k＝2，3，4……N，N为该链中的子模块的个数。

所述平均直流电压闭环控制为：将级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值做差，并对得到的差值进行PI控制。

所述子模块直流电压电压闭环反馈控制为：

将每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压做差，并对差值进行闭环反馈控制。

所述设定的高频轮换周期为m倍的载波周期，m大于或者等于1。

在进行均压控制时，采用平均直流电压闭环控制、正负序分离电流闭环解耦控制、子模块直流电压闭环反馈控制和载波移相高频轮换控制，通过平均直流电压闭环控制后能够输出电流给定信号，电流给定信号通过正负序分离电流闭环解耦控制后输出三相调制波；然后通过子模块直流电压闭环反馈控制能够输出三相调制波调整量；三相调制波调整量与三相调制波对应叠加后生成修正后的三相调制波，经载波移相高频轮换单元生成的载波与修正后的三相调制波进行比较，生成各子模块对应的PWM脉冲信号。通过上述各个控制能够消除各子模块损耗差异引起的电压不均衡，实现了级联STATCOM子模块电压的有效均衡控制，并且通过采用高频的轮换周期进行载波的轮换，轮换周期短，控制速度块，均压效果十分显著；而且能够有效消除各子模块间由于载波移相引起的脉冲差异，提高了链内子模块的均压效果。

附图说明

图1是三相级联STATCOM的基本拓扑结构图；

图2是级联STATCOM子模块混合均压控制原理图；

图3是基于载波高频轮换的载波移相方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例

本实施例中，STATCOM为三相星型拓扑，子模块为H桥拓扑，如图1所示。但是，本发明中的STATCOM并不限于这两种拓扑结构，可以是包含级联结构的其他拓扑(如单相)等，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、全桥)等。

如图2所示，本发明提供的级联STATCOM子模块混合均压控制方法能够实现链内子模块电压的均衡控制，基本控制策略包括：平均直流电压闭环控制、正负序分离电流闭环解耦控制、子模块直流电压闭环反馈控制和载波移相高频轮换控制。其中，对级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值进行平均直流电压闭环控制，并以其输出的信号作为正负序分离电流闭环解耦控制的正序有功电流指令值，经过正负序分离电流闭环解耦控制得到三相调制波；对每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压进行子模块直流电压闭环反馈控制，生成三相调制波调整量；将生成的三相调制波调整量与通过解耦控制得到的三相调制波对应叠加后生成修正后的三相调制波；将经载波移相高频轮换控制生成的载波与修正后的三相调制波进行比较，生成各子模块对应的PWM脉冲信号。

以下对于各个控制进行详细说明：

对于平均直流电压闭环控制：

对星型拓扑STATCOM中的三条链中的每条链内的子模块的直流电压进行采集，如图2所示，a相子模块的电压为：v_{dc_a1}、v_{dc_a2}、……、v_{dc_ak}；，b相子模块的电压为：v_{dc_b1}、v_{dc_b2}、……、v_{dc_bk}；c相子模块的电压为：v_{dc_c1}、v_{dc_c2}、……、v_{dc_ck}；其中，k＝1，2，3……，N。然后，经过计算获取每条链的直流电压平均值v_{dc_a}、v_{dc_b}和v_{dc_c}，将这三个平均值相加并除以3即可获得三条链子模块总直流电压平均值v_{dc_fdb}。然后，平均电压指令v_{dc_ref}与该总平均值v_{dc_fdb}做差，差值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}。

对于正负序分离的闭环解耦控制：

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，如图2所示，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分量M⁺ _abc和负序调制波分量M^- _abc，两者对应相加，得到三相调制波M_a、M_b和M_c。

其中，主回路上的三相电压u_sa、u_sb、u_sc经过abc/dq坐标变换后分别生成分别为正序有功电压前馈量、正序无功电压前馈量、负序有功电压前馈量和负序无功电压前馈量；同理，主回路上的三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过abc/dq坐标变换后分别生成分别为正序有功电流反馈量、正序无功电流反馈量、负序有功电流反馈量和负序无功电流反馈量。

由于正负序分离电流闭环解耦控制属于常规技术手段，所以对于该控制的具体过程不做详细描述。

对于子模块直流电压闭环反馈控制：

将计算获取每条链的直流电压平均值v_{dc_a}、v_{dc_b}和v_{dc_c}作为指令，与对应每条链上的每个子模块直流电压相减，即v_{dc_ak}、v_{dc_bk}和v_{dc_ck}(k＝1，2，3……，N)，即直流电压平均值v_{dc_a}与a相上的各个子模块的直流电压分别相减得到k个输出量；同理，直流电压平均值v_{dc_b}与b相上的各个子模块的直流电压分别相减得到k个输出量；直流电压平均值v_{dc_c}与c相上的各个子模块的直流电压分别相减得到k个输出量。每个输出量均经过子模块直流电压闭环反馈控制器G_sm，做闭环控制，将闭环控制的输出量作为调制波的调整量对应叠加到三相调制波M_a、M_b和M_c中，获取每相每个子模块对应的调制波，即M_ak、M_bk和M_ck(k＝1，2，3……，N)。

最后，将链内各子模块调制波M_ak、M_bk和M_ck(k＝1，2，3……，N)与高频轮换之后各子模块对应的载波进行比较，生成各子模块的脉冲驱动信号，实现基于载波高频轮换的级联STATCOM子模块混合均压控制。

其中，载波的获取是基于载波移相高频轮换载波的。如图1所示，该STATCOM中的各相均包括N个子模块，依次分别为SM1、SM2、……、SMn，其中一相中的子模块级联构成一个链，针对其中一相(其余两相与此原理相同)，在初始状态下每个子模块对应一个载波信号，载波按顺序排列；在经过一个高频轮换周期Tr时，将该相中的子模块SMk对应的载波更新为子模块SMk-1对应的载波，同时，将子模块SM1对应的载波更新为子模块SMn对应的载波，完成一次载波的更新，其中，k＝2，3，4……N；自此之后，每当经过一个高频轮换周期Tr时，按照上述步骤对该相中的子模块对应的载波进行一次更新。

其中，高频轮换周期Tr是人为设定的，根据具体情况具体设置，而且，它是以载波周期作为基本单位，是载波周期的整数倍，也可以是非整数倍。

为了具体说明，下面以一相由3个H桥子模块级联为例进行说明。3个子模块对应3个初始移相载波，采用载波倍频的调制方式，各载波之间相差π/3角度，各H桥子模块两个桥臂的载波反相。链内3个子模块初始状态各对应一个载波，载波按照移相载波顺序排列。经过一个高频轮换周期Tr时，将子模块2的载波更新为子模块1的载波，将子模块3的载波更新为子模块2的载波，同时将子模块1的载波更新为子模块3的载波，如图3所示。

下一个高频轮换周期Tr到来时，基于已经轮换之后的载波，重复上述轮换步骤，最终结果如图3所示。由于此处轮换周期直接采用了一倍的载波周期，因此链内3个子模块轮换一周所需时间为3个载波周期，因此3个子模块的载波形状相同，仅相位相差一个载波周期。

系统实施例

与上述级联STATCOM子模块混合均压控制方法相对应，本发明提供的控制系统包括平均直流电压闭环控制单元、正负序分离电流闭环解耦控制单元、子模块直流电压闭环反馈控制单元、载波移相高频轮换单元和PWM信号生成单元。每个单元模块分别对应其各自的功能，例如：平均直流电压闭环控制单元的功能作用为平均直流电压闭环控制。

所以，该系统整体为：平均直流电压闭环控制单元根据输入的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值输出电流信号，该电流信号为正负序分离电流闭环解耦控制单元的正序有功电流指令值，正负序分离电流闭环解耦控制单元生成三相调制波；子模块直流电压闭环反馈控制单元根据每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压输出三相调制波调整量；生成的三相调制波调整量与通过解耦控制得到的三相调制波对应叠加后生成修正后的三相调制波；PWM信号生成单元的输入信号为修正后的三相调制波和经载波移相高频轮换单元生成的载波，经载波移相高频轮换单元生成的载波与修正后的三相调制波进行比较，生成各子模块对应的PWM脉冲信号。

而各个单元模块的具体的功能作用在上述方法实施例中已经有了详细的描述，这里不做赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种级联STATCOM子模块混合均压控制方法，其特征在于，该控制方法采用平均直流电压闭环控制、正负序分离电流闭环解耦控制、子模块直流电压闭环反馈控制和载波移相高频轮换控制，

对级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值进行平均直流电压闭环控制，并以其输出的信号作为正负序分离电流闭环解耦控制的正序有功电流指令值，经过正负序分离电流闭环解耦控制得到三相调制波；对每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压进行子模块直流电压闭环反馈控制，生成三相调制波调整量；将生成的三相调制波调整量与通过解耦控制得到的三相调制波对应叠加后生成修正后的三相调制波；将经载波移相高频轮换控制生成的载波与所述修正后的三相调制波进行比较，生成各子模块对应的PWM脉冲信号；

在初始状态下每个子模块对应一个载波信号，载波按顺序排列，采用载波倍频的调制方式，设置高频轮换周期为m倍的载波周期，m大于或者等于1。

2.根据权利要求1所述的级联STATCOM子模块混合均压控制方法，其特征在于，实现所述载波移相高频轮换控制的手段为：

对于一条链中的子模块，每经过一个设定的高频轮换周期时，将第k个子模块对应的载波更新为第k-1个子模块对应的载波，同时，将第一个子模块对应的载波更新为第N个子模块对应的载波，其中，k＝2，3，4……N，N为该链中的子模块的个数。

3.根据权利要求1所述的级联STATCOM子模块混合均压控制方法，其特征在于，所述平均直流电压闭环控制为：将级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值的指令值与实际的级联STATCOM中所有子模块的直流电压的平均值做差，并对得到的差值进行PI控制。

4.根据权利要求1所述的级联STATCOM子模块混合均压控制方法，其特征在于，所述子模块直流电压电压闭环反馈控制为：

将每条链中所有子模块的直流电压的平均值与对应链上的每个子模块的直流电压做差，并对差值进行闭环反馈控制。