CN107069768B - 一种statcom的滞环控制策略 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种STATCOM的滞环控制策略，根据电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref，计算目标电流i_sk ^*的幅值A；实时获取交流侧近电源端的三相电压V_abc与三相电流I_abc，将该三相电流I_abc作为监控电流i_sk；将三相电压V_abc经过锁相环，获取目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc；将计算的目标电流i_sk ^*的幅值A与目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc经过正弦化，获得目标电流i_sk ^*；将计算的目标电流i_sk ^*与采集的监控电流i_sk进行差值计算；将其差值送入滞环控制模块，得到用于控制STATCOM的触发信号T。STATCOM根据触发信号T，发出负载需要的无功电流或吸收负载释放的无功电流。本申请公开了，以STATCOM交流侧近电源端的电流作为控制目标，避开了传统STATCOM控制策略需要检测无功电流的复杂过程，提高STATCOM的工作效率，降低出错误的可能性。

Description

一种STATCOM的滞环控制策略

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种STATCOM的滞环控制策略。

背景技术

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是一种由电力电子器件构成的无功功率补偿装置。图1为STATCOM的等效电路图，如图1所示，STATCOM经过电抗器并联在电网上或者并联在电网与负载之间。STATCOM的基本构件包括：功率开关器件桥路和电容器组。功率开关器件桥路包含数个开关管，控制开关管的通断状态，从而控制STATCOM无功补偿工作的开启或停止。图1中，e_as,e_bs,e_cs,i_as,i_bs,i_cs分别表示电源提供的三相电压与三相电流，e_al,e_bl,e_cl,i_al,i_bl,i_cl分别负荷的三相电压与电流。

当电网中的负载为纯阻性负载时，电网电压与负载电流同相，此时，负载只消耗有功功率，不消耗无功功率，因此，不需要无功补偿。当负载为感性或容性负载时，例如变压器或电动机等，负载在消耗有功功率的同时还要消耗无功功率，此时，就要求电网或无功补偿器给负载提供无功功率，这种提供无功功率的行为就是无功补偿。在实际电网中，大都需要电网或无功补偿器为其提供无功功率。

STATCOM作为提供无功功率的补偿设备，需要根据负载无功的需求，向电网发出或吸收相应的无功功率，使无功功率只在自身与负载之间流动，从而使电网只向负载输送有功功率。

STATCOM的性能取决于获得补偿电流参考值及产生补偿电流控制策略的方法。目前， STATCOM的控制策略包括直接电流控制与间接电流控制。其中，STATCOM电流直接控制的原理在于，直接电流控制以直流侧电压和负载的无功电流为目标值，通过直接调节功率开关器件桥路的输出电流，实现对电网的动态无功补偿。因此，在直接电流控制中，需要检测无功电流。

STATCOM电流间接控制的原理在于，通过调节功率开关器件桥路交流侧输出电压的幅值和相位，达到无功补偿的目的。其中，交流侧电压幅值和相位的目标值是通过检测的无功电流转化而来，因此，在间接电流控制中，需要检测无功电流。

综上可见，无论是直接电流控制法还是间接电流控制法，都要检测负载电流中的无功分量，即无功电流。但是，无功电流的检测一般需要5次矩阵变换，才可得到无功电流，多次的矩阵变换过程导致无功电流的检测过程繁琐、复杂，且容易出现错误，影响了STATCOM无功补偿的准确度与工作效率。

发明内容

本申请提供了一种STATCOM的滞环控制策略，以解决现有STATCOM控制策略因需要检测无功电流而导致控制过程复杂、矩阵转换次数多、使用模块数量多且易出错的问题。

一种STATCOM的滞环控制策略包括：

根据电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref，计算目标电流i_sk ^*的幅值 A；

根据电网电压的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc；

根据目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc，得到目标电流i_sk ^*；

采集STATCOM接入电路近电源端的三相电流I_abc作为监控电流i_sk；

根据目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk，得到用于控制STATCOM内开关管通断的触发信号T。

优选地，所述根据电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref，电容器组计算目标电流i_sk ^*的幅值A，具体包括，

实时测量电容器组的测量电压Uc；

计算电容器组的测量电压Uc与预设电容器组的目标电压Uref的差值ΔU；

将所述差值ΔU输入PI调节器，得到目标电流i_sk ^*的幅值A。

优选地，根据电网电压的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角，具体包括，

采集电网的三相电压V_abc；

根据所述三相电压V_abc，计算三相电压V_abc的相位角；

根据三相电压V_abc的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc。

优选地，根据目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc，得到目标电流i_sk ^*，具体包括，

将目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc进行正弦化计算，得到控制测量的目标电流i_sk ^*的波形。

优选地，根据目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk，得到用于控制STATCOM内开关管通断的触发信号T，具体包括，

计算目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk的电流差值ΔI，滞环控制模块根据电流差值ΔI计算触发信号T，触发信号T用于控制STATCOM内的开关管。

本申请提供了一种STATCOM的滞环控制策略，以STATCOM交流侧近电源端的电流作为控制目标，避开了传统STATCOM控制策略需要检测无功电流的复杂过程，提高STATCOM 的工作效率，降低出错误的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为STATCOM的等效电路图；

图2为本申请STATCOM滞环控制策略一个实施例的流程图；

图3为本申请计算目标电流i_sk ^*的幅值A的一个实施例的流程图；

图4为本申请计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc的一个实施例的流程图；

图5为本申请STATCOM滞环控制策略应用在电网系统的示意图；

图6为采用申请控制策略后电网电压、电网电流、负载电流和补偿电流波形图；

图7为采用申请控制策略后有功和无功波形图。

具体实施方式

实际电网中存在很多感性负载或容性负载，感性负载具有阻碍电流突变的特性，当感性负载接通电源时，感性负载的电流相位滞后于感性负载的电压相位；容性负载具有阻碍电压突变的特性，当容性负载接通电源时，容性负载的电流相位超前于容性负载的电压相位，因此，大多电网需要无功补偿。

将感性或容性负载的电流分解，可得到电流的有功分量与无功分量，即I_l＝I_lq+I_ip。其中，I_l为负载电流；I_lq为负载电流中的有功分量；I_ip为感性负载电流中的无功分量。采用无功补偿装置为电网系统进行无功补偿，其目的在于，无功补偿装置提供负载所需的全部无功电流，电网仅向负载提供其所需的有功电流，即使电网向负载输出的电流为 I_lq，本申请中，将该电流为定义电网的目标电流I_sk ^*，即I_sk ^*＝I_lq。

本申请STATCOM滞环控制策略的原理在于，对流入负载前的电网电流进行监测，通过将电网电流与目标电流进行比较分析，控制STATCOM向电网系统发出负载所需的无功电流或吸收负载释放的无功电流，稳定电网的输出电流，从而减少电网的波动。

图2为本申请STATCOM滞环控制策略一个实施例的流程图，如图2所示，STATCOM 的滞环控制策略包括，

步骤S10，根据STATCOM的电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref，计算目标电流i_sk ^*的幅值A。

图3为本申请计算目标电流i_sk ^*的幅值A的一个实施例的流程图，如图3所示，本实施例中，计算目标电流i_sk ^*的幅值A的过程具体包括，步骤S11，实时测量STATCOM的电容器组的测量电压Uc；步骤S12，计算测量电压Uc与预设的目标电压Uref之间的差值ΔU；步骤S13，将差值ΔU输入PI调节器，得到目标电流i_sk ^*的幅值A。

差值ΔU与目标电流i_sk ^*存在正向关系，即当差值ΔU较大时，则要求电网输出一个较大的电流；当差值ΔU较小时，则要求电网输出一个较小的电流。本实施例中，通过将差值ΔU输入PI调节器，通过PI整定过程，计算目标电流i_sk ^*的幅值A。

步骤S20，根据电网电压的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc。

图4为本申请计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc的一个实施例的流程图，如图4所示，本实施例中，其具体包括，步骤S21，实时采集电网的三相电压V_abc；步骤S22，根据三相电压V_abc，计算三相电压V_abc的相位角；步骤S23，根据三相电压V_abc的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc。

本申请中，采用锁相环(phase locked loop，PLL)获得目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc，具体包括，实时采集电网的三相电压V_abc并输至PLL；PLL根据三相电压V_abc，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc。

以下将通过一具体实例说明计算目标电流i_sk ^*相位角θ_abc的过程，首先，实时采集STATCOM交流侧近电源端的三相电压V_abc，其中，A相电压V_a＝sinωt，B相电压为 V_b＝sin(ωt+2π/3)，C相电压为V_c＝sin(ωt+4π/3)。然后，根据每相电压，获取每相电压的相位角，例如，t＝0时，获得每相电压的初相位角，A、B、C相电压的初相位角分别为 0、2π/3与4π/3。当然，可也求解其他时刻的相位角，并不影响之后的控制过程。最后，将获得的A、B、C相电压的初相位角分别作为目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc，即目标电流i_sk ^*的A、B、C相电流的相位角分比为0、2π/3与4π/3。

步骤S30，根据目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc，得到目标电流i_sk ^*。

本实施例中，将步骤S10中计算的目标电流i_sk ^*的幅值A与步骤S20中计算的相位角θ_abc进行正弦化，得到控制测量的目标电流i_sk ^*的波形。其中，正弦化是根据幅值与相位，得到一个标准的电流波形的过程。

步骤S40，采集STATCOM接入电路近电源端的三相电流I_abc作为监控电流i_sk。

本申请中，将STATCOM接入电路近电源端的三相电流I_abc作为监控电流i_sk，即实时监测STATCOM接入电路近电源端的三相电流I_abc，通过分析三相电流I_abc的变化情况，获知负载的是否存在无功电流，从而控制STATCOM无功补偿工作的开启或停止，其具体过程如步骤S50所述。

步骤S50，根据目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk，得到用于控制STATCOM内开关管通断的触发信号T。

本申请中，其具体步骤包括，计算目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk的电流差值ΔI，并将电流差值ΔI输至滞环控制模块；滞环控制模块根据电流差值ΔI，计算触发信号T，触发信号T用于控制STATCOM内的开关管的通断状态，从而控制STATCOM无功补偿工作的开启或停止。其中，滞环控制模块用于计算电流差值ΔI与预设阀值的关系值，然后，将该关系值转化为电学的触发信号T。

图5为本申请STATCOM滞环控制策略应用在电网系统的示意图，如图5所示，将STATCOM接入电网中，通过控制STATCOM内开关管的接通或断开，使STATCOM选择性的向电网中发送或吸收无功功率，从而实现对电网的无功补偿。

在实际控制过程中，实时测量STATCOM直流侧的电容器组的测量电压Uc，计算电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref的差值ΔU，将该差值ΔU经过PI调节，得到目标电流i_sk ^*的幅值A；同时，实时获取STATCOM交流侧近电源端的三相电压V_abc与三相电流I_abc，并将该三相电流I_abc作为监控电流i_sk；将获取的交流侧近电源端的三相电压V_abc经过PLL，获取目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc；将计算的目标电流i_sk ^*的幅值A与目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc经过正弦化，获得目标电流i_sk ^*；将计算的目标电流i_sk ^*与采集的监控电流i_sk进行差值计算，得到电流差值ΔI；将该电流差值ΔI送入滞环控制模块，得到用于控制STATCOM内开关管通断的触发信号T。触发信号T控制STATCOM向电网发出负载需要的无功电流或吸收负载释放的无功电流。

图6为采用申请控制策略后电网电压、电网电流、负载电流和补偿电流波形图，如图6所示，在0.25s时，将STATCOM投入系统，并在0.29s时，将STATCOM切除。在 0.25-0.29s内，STATCOM提供的无功电流和负载电流叠加，叠加后的电流和电压同相位，避免了因负载消耗大量无功功率造成电网电压与电网电流相位差变大的问题，降低了电网的功率因数。

图7为采用申请控制策略后有功和无功波形图，如图7所示，在STATCOM投入电网以后，负载电流与电网电压同相位，电网输出无功降为零，输出有功功率保持不变，负载所需无功功率完全由STATCOM发出，实现了STATCOM对电网的无功补偿。

本申请提供了一种STATCOM的滞环控制策略，以STATCOM交流侧近电源端的电流作为控制目标，避开了传统STATCOM控制策略需要检测无功电流的复杂过程，提高STATCOM 的工作效率，降低出错误的可能性。同时，工作效果方面，它在固定无功补偿、动态投切和负载跳变情况下都能很好满足负载无功补偿的需求，且动态响应速度快、精度高。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种STATCOM的滞环控制策略，其特征在于，所述STATCOM的滞环控制策略包括：

根据电容器组的测量电压Uc与电容器组的目标电压Uref，计算目标电流i_sk ^*的幅值A，具体包括，实时测量电容器组的测量电压Uc；计算电容器组的测量电压Uc与预设电容器组的目标电压Uref的差值ΔU；将所述差值ΔU输入PI调节器，得到目标电流的幅值A；

根据电网电压的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc；

根据目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc，得到目标电流i_sk ^*；

采集STATCOM接入电路近电源端的三相电流I_abc作为监控电流i_sk；

根据目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk，得到用于控制STATCOM内开关管通断的触发信号T，具体包括，计算目标电流i_sk ^*与监控电流i_sk的电流差值ΔI，滞环控制模块根据电流差值ΔI计算触发信号T，触发信号T用于控制STATCOM内的开关管。

2.如权利要求1所述的STATCOM的滞环控制策略，其特征在于，根据电网电压的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角，具体包括，

采集电网的三相电压V_abc；

根据所述三相电压V_abc，计算三相电压V_abc的相位角；

根据三相电压V_abc的相位角，计算目标电流i_sk ^*的相位角θ_abc。

3.如权利要求1所述的STATCOM的滞环控制策略，其特征在于，根据目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc，得到目标电流i_sk ^*，具体包括，

将目标电流i_sk ^*的幅值A与相位角θ_abc进行正弦化计算，得到控制测量的目标电流i_sk ^*的波形。

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