CN105720587A - 一种级联型星形连接statcom直流母线相间均压控制方法 - Google Patents
一种级联型星形连接statcom直流母线相间均压控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种级联星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法,所述的均压控制方法是根据A、B两相直流电压与参考值的偏差,来调节电流环输出调制波d轴分量,调制波再经过dq到abc变换,由此调制波上叠加了负序分量,从而使STATCOM输出产生负序电压。该负序电压将产生负序电流,两者与正序电流、电压分别作用将改变三相功率流的分配,实现了直流电压三相之间的均衡。本发明提出的均压方法中叠加负序调制波的方式简单、易实现,不仅不影响电流环的稳定性,同时还除去了引入的调制波零序分量,避免零序分量会造成过调制,提高STATCOM运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电网无功补偿领域,尤其涉及一种级联型星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法。
背景技术
随着国民经济的不断发展,工农业生产生活对电能的质量和可靠性的要求越来越高。而电力系统中各种冲击性无功负荷(如异步电机、电弧炉、轧钢机等)会引起电网电压波动,闪变和功率因数降低,为了改善电压质量,无功功率补偿技术被广泛使用。静止同步补偿器(STATCOM)作为新一代的无功补偿装置,因其调节速度快、体积小、成本低的优势越来越受到广泛关注。
受到电力电子器件应力的限制,高压大容量STATCOM一般采用变压器多重化和多电平两种技术,多电平技术具有成本低、体积小等优点,成为高压大容量的首要选择,被广泛应用。级联H桥多电平结构,除了输出电压谐波小,开关频率低,电磁干扰小等优点外,还具有结构简单、器件少、模块化等优点成为近年来的研究热点。级联STATCOM直流侧电容相互独立,在理想情况下,直流侧不存在有功功率消耗,故三相之间直流电压能保持均衡。但是实际上三相之间的损耗差异与电网电压不平衡,造成三相功率流不均衡,进一步造成三相直流电压不均衡,从而导致电容或开关器件存在过压损坏的风险,影响了设备的安全运行。
针对级联型星形连接STATCOM三相之间直流母线电压均衡控制,已有一些文献提出了解决方案。Akagi,Hirofumi等人在“ControlandperformanceofatransformerlesscascadePWMSTATCOMwithstarconfiguration.″IndustryApplications,IEEETransactionson43.4(2007):1041-1049.”中提出一种有功电流调节的均压方案,该方法采用比例调节器,稳态情况下三相直流电压存在稳态误差,在电网电压不平衡下,稳态误差变大。Betz,R.E.等在“SymmetryCompensationusingaH-BridgeMultilevelSTATCOMwithZeroSequenceInjection.″IndustryApplicationsConference,2006.41stIASAnnualMeeting.ConferenceRecordofthe2006IEEEIEEE,2006:1724-1731.”中提出基于零序电压注入的方法来实现三相之间电压均衡,但是该方法均压能力弱,在三相损耗差异比较大或电网电压不平衡度较大时,直流电压需要很宽的裕量来防止过调制。季振东等在“零序和负序电压注入的级联型并网逆变器直流侧电压平衡控制[J].中国电机工程学报,2013,21期(21):9-17.”提出一种基于负序电压注入的方法,该方法涉及反三角函数运算,计算复杂,并且需要额外的电压检测装置检测STATCOM输出电压。Lee,Chia-tse等在“AveragePowerBalancingControlofaSTATCOMBasedontheCascadedH-BridgePWMConvenerWithStarConfiguration.”中提出基于负序电流注入的方法,该方法在求取负序电流给定过程中,涉及逆矩阵计算,对控制器形成大量的资源消耗。Han,Chong等人在AGeneralizedControlStrategyofPer-PhaseDCVoltageBalancingforCascadedMultilevelConverter-basedSTATCOM.″PowerElectronicsSpecialistsConference,2007.PESC2007.IEEEIEEE,2007:1746-1752.中提出独立微调三相d轴调制波的均压方法,该均压方法与电流控制之间有耦合关系,降低了电流环的稳态性能。
发明内容
发明目的:
本发明针对现有技术的不足,提供一种级联型星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法。
技术方案:
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
级联型STATCOM的主电路每相由N个H桥模块串联而成,三相以星形方式连接,在STATCOM的三相输出电压中叠加负序分量,负序电压可产生负序电流,负序电压与正序电流、负序电流与正序电压分别作用可改变每相的功率流分配,实现三相直流母线相电压均衡;
STATCOM输出电压的正序与负序分量由其输出的调制波正序与负序分量决定,电流环的控制输出为调制波的正序分量,相间均压环控制输出将产生调制波的负序分量;在三相所有直流电压的控制下,根据STATCOM的A、B两相直流电压与其参考值的偏差,在调制波中直接产生用于相间均压的负序分量,且又不影响其中的正序分量,实现与电流环控制的解耦,然后去除调制波中的零序分量,调制波的零序分量对控制无用且会增加过调制的风险,最后调制波再通过每相内部各模块直流电压均衡控制,得到各模块输出指令电压。具体实现步骤如下:
步骤1,检测级联星形连接STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i=1,2…N),得到3N个直流电压值,计算各相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc,并对这3个值求平均,得三相直流侧电压之和的平均值Udcref;
步骤2,将Udcref与级联星形连接STATCOM的A相各模块直流电压之和Udca经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出A相d轴微调量Δdda;
同样,将Udcref与级联星形连接STATCOM的B相各模块直流电压之和Udcb经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出B相d轴微调量Δddb。
步骤3,分别求取Δdda与Δddb的相反数后经过单路加法器,得到C相d轴的微调量Δddc;
步骤4,将步骤2与3求得的三相d轴微调量Δdda、Δddb、Δddc分别叠加到电流环控制输出的d轴调制波dcd上,得到三相新的d轴调制波dcda、dcdb、dcdc;
步骤5,通过锁相环得到电网电压A相的相位及其正弦值与sin(wt)与余弦值cos(wt);
步骤6,将dcda与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取A相调制波dfa输出,其计算表达式如下:
dfa=dcda·cos(ωt)-dcq·sin(ωt)
同样,将dcdb与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取B相调制波dfb输出,其计算表达式如下:
同样,将dcdc与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取C相调制波dfc输出,其计算表达式如下:
步骤7,去除调制波中的零序分量:
步骤7.1,计算三相调制波中的零序分量为:
步骤7.2,去除零序分量后的调制波的表达式为:
da=dfa-df0
db=dfb-df0
dc=dfc-df0
步骤8,将相间均压输出的调制波da、db、dc再通过每相内部各模块直流电压均衡控制,得到各模块输出指令电压。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)不涉及反三角函数、逆矩阵等复杂运算,计算简单,无需消耗大量的控制器资源;
(2)实现了与电流控制的解耦,在实现均压的同时,不影响电流控制的稳定性;
(3)除去了输出调制波的零序分量,降低了过调制的风险,增加了STATCOM运行的可靠性;
(4)同时搭建了容量为15kVar,每相5个H桥模块串联的实验样机,对本发明中的方法进行了实验验证。实验结果证明了该方法的正确、可靠性,为工程应用提供了很好的参考价值。
附图说明
附图1为级联星形连接的STATCOM主电路结构;
附图2为级联星形连接的STATCOM总的系统控制框图;
附图3为三相之间直流电压均衡控制框图;
附图4为本发明的实验验证结果图。
具体实施方式
本发明提供的一种级联型星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法,通过向STATCOM输出叠加负序电压实现三相之间直流电压的均衡。下面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1,三相电网和阻感性性负载之间并联连接级联型STATCOM,作无功补偿运行。级联STATCOM采用星形连接方式,每相串联5个H桥模块。每个模块由直流侧储能元件和电压源型PWM变换器组成,其中直流侧储能元件采用电力电容器串并联构成,电压源型PWM变换器采用全控器件如IGBT。
为了叙述方便,将级联STATCOM的三相输出电压记为ua、ub、uc,三相补偿电流记为ia、ib、ic,电网三相电压记为usa、usb、usc,三相各模块直流侧电压分别记为Udcai、Udcbi、Udcci(i=1,2…5)
参见图2,STATCOM输出电流的控制以采用dq解耦控制为例,三相总电压通过控制d轴电流实现,然后对三相之间进行均衡控制,最后再进行相内各模块的直流电压均衡控制。其中相内各模块的直流电压均衡控制可采用已有的控制方法,而三相之间直流电压均衡控制采用本发明中给出的通过在调制波中叠加负序分量使得STATCOM输出负序电压来实现。
参见图3,具体的根据STATCOM的A、B两相直流电压与其参考值的偏差,在调制波中直接产生用于相间均压的负序分量,且又不影响其中的正序分量,实现与电流环控制的解耦,然后去除调制波中的零序分量,调制波的零序分量对控制无用且会增加过调制的风险,具体步骤如下:
步骤1,检测级联星形连接STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i=1,2…N),得到3N个直流电压值,计算各相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc,并对这3个值求平均,得三相直流侧电压之和的平均值Udcref;
步骤2,将Udcref与级联星形连接STATCOM的A相各模块直流电压之和Udca经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出A相d轴微调量Δdda;
同样,将Udcref与级联星形连接STATCOM的B相各模块直流电压之和Udcb经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出B相d轴微调量Δddb。
步骤3,分别求取Δdda与Δddb的相反数后经过单路加法器,得到C相d轴的微调量Δddc;
步骤4,将步骤2与3求得的三相d轴微调量Δdda、Δddb、Δddc分别叠加到电流环控制输出的d轴调制波dcd上,得到三相新的d轴调制波dcda、dcdb、dcdc;
步骤5,通过锁相环得到电网电压A相的相位及其正弦值与sin(wt)与余弦值cos(wt);
步骤6,将dcda与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取A相调制波dfa输出,其计算表达式如下:
dfa=dcda·cos(ωt)-dcq·sin(ωt)
同样,将dcdb与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取B相调制波dfb输出,其计算表达式如下:
同样,将dcdc与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取C相调制波dfc输出,其计算表达式如下:
步骤7,去除调制波中的零序分量:
步骤7.1,计算三相调制波中的零序分量为:
步骤7.2,去除零序分量后的调制波的表达式为:
da=dfa-df0
db=dfb-df0
dc=dfc-df0
三相输出调制波da、db、dc再通过每相内部各模块直流电压均衡控制,得到各模块输出指令电压。
对上述方法进行实验验证,结果如下:
在实验样机(容量为15kVar,每相5个H桥单元模块的级联型STATCOM)上采用本发明中的控制方法进行实验,参见图4的实验结果。实验波形为三相直流电压的整个均衡过程。从实验波形中可以看出,在三相直流电压均衡控制开始前,三相直流电压存在稳态偏差,当均压控制方法开始后,三相直流电压开始均衡。由此验证了本发明中的级联型星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法的正确性与可靠性,为工程应用提供了很好的参考价值。
Claims (3)
1.一种级联星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
级联STATCOM的主电路每相由N个H桥模块串联而成,三相以星形方式连接,可通过向STATCOM的三相输出电压中叠加负序分量,负序电压可产生负序电流,负序电压与正序电流、负序电流与正序电压分别作用可改变每相的功率流分配,实现三相直流母线相电压均衡;
STATCOM输出电压的正序与负序分量由其输出的调制波正序与负序分量决定,电流环的控制输出为调制波的正序分量,相间均压环控制输出将产生调制波的负序分量;在三相所有直流电压的控制下,可根据STATCOM的A、B两相直流电压与其参考值的偏差,在调制波中直接产生用于相间均压的负序分量,且又不影响其中的正序分量,实现与电流环控制的解耦;然后去除调制波中的零序分量,调制波的零序分量对控制无用且会增加过调制的风险;最后调制波再通过每相内部各模块直流电压均衡控制,得到各模块输出指令电压。
2.根据权利要求1所述的级联星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法,其特征在于:根据STATCOM的A、B两相直流电压与其参考值的偏差,在调制波中直接产生用于相间均压的负序分量,且又不影响其中的正序分量,实现与电流环控制的解耦,步骤如下:
1)检测级联星形连接STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i=1,2...N),得到3N个直流电压值,计算各相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc,并对这3个值求平均,得三相直流侧电压之和的平均值Udcref;
2)将Udcref与级联星形连接STATCOM的A相各模块直流电压之和Udca经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出A相d轴微调量Δdda;
将Udcref与级联星形连接STATCOM的B相各模块直流电压之和Udcb经过单路减法器相比较,其输出经过单路比例积分调节器调整,单路比例积分调节器输出B相d轴微调量Δddb。
3)分别求取Δdda与Δddb的相反数后经过单路加法器,得到C相d轴的微调量Δddc;
4)将步骤2)与3)求得的三相d轴微调量Δdda、Δddb、Δddc分别叠加到电流环控制输出的d轴调制波dcd上,得到三相新的d轴调制波dcda、dcdb、dcdc;
5)通过锁相环得到电网电压A相的相位及其正弦值与sin(wt)与余弦值cos(wt);
6)将dcda与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取A相调制波dfa输出,其计算表达式如下:
dfa=dcda·cos(ωt)-dcq·sin(ωt)
将dcdb与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取B相调制波dfb输出,其计算表达式如下:
将dcdc与电流环控制输出的q轴调制波dcq经过dq到abc坐标变换后,取C相调制波dfc输出,其计算表达式如下:
3.根据权利要求1所述的级联型星形连接STATCOM直流母线相间均压控制方法,其特征在于:去除调制波中的零序分量,调制波的零序分量对控制无用且会增加过调制的风险,具体实现方式如下:
1)三相调制波中的零序分量为:
2)去除零序分量用于最终输出的调制波的表达式为:
da=dfa-df0
db=dfb-df0
dc=dfc-df0
其中dfa、dfb、dfc由权利2中步骤6计算得出。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180102 Termination date: 20190321 |