CN107611990B

CN107611990B - 一种具有电压穿越能力的链式statcom直流总压控制方法

Info

Publication number: CN107611990B
Application number: CN201710891054.5A
Authority: CN
Inventors: 彭勇
Original assignee: Xi'an Yifei Nuclear Energy Equipment Co ltd
Current assignee: Xi'an Yifei Nuclear Energy Equipment Co ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107611990A

Abstract

本发明公开了一种具有电压穿越能力的链式STATCOM直流总压控制方法，通过三相系统电压瞬时值计算当前系统线电压值；根据系统线电压值实时调整直流总压控制目标给定值U_dc*与基准调制度值M_base；结合每相功率单元直流总压，采用自调节器控制后获得的三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c；同时结合基准调制度值M_base与锁相角，获得三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc；最后采用调制技术获得功率单元的开关控制信号，可实现电压的穿越及直流总压的控制。该方法解决了STATCOM设备电压穿越问题，同时可进一步提高设备的响应时间，有利于提高整机的可靠性，增强了应用范围。

Description

一种具有电压穿越能力的链式STATCOM直流总压控制方法

技术领域

本发明涉及一种链式STATCOM直流总压控制方法。

背景技术

静止同步补偿器(STATCOM)是一种基于电力电子开关器件的电能质量问题动态补偿及治理装置，作为第四代补偿装置，代表了电能质量问题动态补偿的发展方向。静止同步补偿器(STATCOM)主要应用于电力系统输配电变电站、新能源行业(光伏电站、风电场)、钢铁冶金行业、煤炭行业、矿热炉行业、电解行业、石化行业、港口、造船行业、轨道交通行业、电动汽车充电行业等。

高压STATCOM通常采用链式拓扑结构，这种结构直流电容相互独立，其电压的控制决定了设备安全稳定性、输出性能。电容直流电压的控制一般采均压控制，常见的有脉冲轮换法、解析法、负序电流注入法、零序电压注入法等，都可使设备直流电容电压均衡，保证输出电流正弦度较好。但是对于变负载，直流电容电压也会随着输出容量上下波动，一方面电容波动范围不受控，存在安全隐患，而且直流电容波动范围大且频繁，影响其寿命；另一方面，在负载变化时，设备为了补偿不同无功功率，直流电容电压波动范围大，影响整机的响应速度。

为了解决快速响应的问题，有在均压控制基础上，施加直流总压控制方法，使直流电容总压控制在恒定值，在补偿不同负荷时只需间接控制输出电压的幅值即可快速响应负荷变化，大大提高了设备的响应时间，而且电容电压在可控范围，保证了电容的安全运行。

对于光伏电场、风电场、钢厂等电压容易发生突变的场合，补偿设备的控制难以及时响应电压变化以及调整控制策略时，将会造成STATCOM过流、跳闸等，不能完全发挥STATCOM提供连续的无功功率支撑电压的作用，这样的场合需要设备具备高、低电压穿越能力，尤其是低电压穿越能力。有通过参数自整定模糊PI控制外环电压来应对电压跌落问题，提高设备稳定性和抗扰动性能，这样的方法只是增强了控制的稳定性，对于快速跟踪电压变化以及快速响应控制并没有改善，并不能使补偿设备具备电压穿越能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种链式STATCOM具有电压穿越能力的直流总压控制方法，既解决STATCOM高、低电压穿越的问题，同时可提高设备的响应速度。

为实现以上目的，本发明提出的控制方法，包括以下步骤：

(1)根据三相系统电压瞬时值实时计算当前系统线电压U_now，并确定系统电压正常时的线电压U₀；

(2)根据计算得到的当前系统线电压U_now实时计算直流总压控制中当前总压给定值U_dc*；

(3)结合当前总压给定值U_dc*，采用直流总压控制方法获得根据系统电压动态调节的三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c；

(4)根据三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c对当前系统线电压下的基准调制度M_base作相应的调整，得出用于三相直流总压控制的新的调制度M_a、M_b、M_c，进而获得三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc，采用调制技术获得链式STATCOM相应功率单元的开关控制信号，实现电压的穿越及直流总压的控制。

在以上方案的基础上，本发明的各个环节具体可采用以下实现方式：

所述步骤(1)中，当前系统线电压U_now的实时计算方法为：

1.1)采集系统电压，将三相系统电压分解到α、β坐标系中，具体如下：

其中，

u_α为α、β坐标变换后α轴电压瞬时值，单位伏特；u_β为α、β坐标变换后β轴电压瞬时值，单位伏特，u_a、u_b、u_c为三相系统相电压瞬时值，单位伏特；

1.2)u_α、u_β变换到d、q坐标系，获得u_d、u_q分量，具体如下：

其中，u_d为d、q坐标变换后d轴电压值，单位伏特；u_q为d、q坐标变换后β轴电压值，单位伏特；θ为三相电压锁相角，单位弧度；

为了消除系统电压中谐波等干扰，计算出电压d、q坐标轴分量u_d、u_q后，最好加入低通滤波器，截止频率设置为基波频率的一半，可获得滤波后的电压d、q坐标轴分量为

1.3)由获得的电压d、q坐标轴分量实时计算系统线电压有效值，具体如下：

其中，U_now为当前系统线电压，单位伏特；

为d、q坐标变换后d轴电压值，单位伏特；

为d、q坐标变换后β轴电压值，单位伏特。

所述系统电压正常时的线电压U₀的实时计算可以采用以下两种方法：

一种是参照上述当前系统线电压U_now的实时计算方法，只需在系统电压在合格范围时将合格的三相系统相电压u_a、u_b、u_c带入上述公式计算出的U_now即为U₀。

另一种是直接人为设置U₀值，具体可为系统额定值。

所述步骤(2)中，实时计算当前总压给定值U_dc*的计算方法如下：

其中，U_dc ^*为当前总压给定值，单位伏特；

为系统电压正常时的初始直流总压控制给定值，单位伏特；U_now为当前系统线电压值，单位伏特；U₀为系统电压正常的线电压值，单位伏特。

所述步骤(3)中，结合当前总压给定值U_dc*以及每相功率单元直流电压总和U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}，采用自调节器获得三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c，具体如下：

3.1)计算三相功率单元直流电压总和：

其中，U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总和，单位伏特；U_{dc_an}、U_{dc_bn}、U_{dc_cn}分别为三相功率单元第n个的直流电压，单位伏特；

3.2)计算直流总压控制误差量：

其中，e_{dc_a}、e_{dc_b}、e_{dc_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总与给定控制目标的误差值，单位伏特；U_dc ^*为当前直流总压控制给定值，单位伏特；U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总和，单位伏特；

3.3)计算三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c：

三相直流总压控制误差量经过自调节器获得三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c。

上述自调节器可采用PI调节器、模糊PI调节器等。

所述步骤(4)的具体实现方法如下：

4.1)跟踪系统电压变化，计算当前系统线电压下的基准调制度：

其中，M_base为当前系统线电压下的基准调制度；M₀为系统电压正常时的初始基准调制度；U_now为当前系统线电压值，单位伏特；U₀为系统电压正常的线电压值，单位伏特；

4.2)计算新的调制度M_a、M_b、M_c：

其中，M_a、M_b、M_c为直流总压控制获得的新的调制度；M_base为当前系统线电压下的基准调制度；dM_a、dM_b、dM_c为三相控制调节量(三相直流电压总压控制的调制度调节量)；

4.3)对调制度M_a、M_b、M_c做限幅处理，限幅范围0到1；

4.4)计算三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc：

其中，M_a、M_b、M_c为直流总压控制获得的新调制度；θ_a、θ_b、θ_c为三相电压锁相角，单位弧度；

三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc经过移相载波调制技术后，获得每相对应功率单元的控制信号，实现具有电压穿越能力的直流总压控制。

本发明提供的具有电压穿越能力的链式STATCOM直流总压控制方法，相比目前的方法有以下明显优点：

(1)响应时间更快。本发明通过调节调制度M的方式控制直流总压，并且在基准调制度M_base基础上通过调制量dM实现精准和快速调节，使整机的动态响应时间更快。

(2)电压穿越能力更强。本发明一方面根据系统电压变化调节直流总压控制中基准调制度M_base，使STATCOM直流总压快速调节到与系统电压基本保持一致，从而能快速避免直流电压与系统电压作用在电抗器上电压差过大的问题，这个过程无PI调节器等过程，为阶跃响应过程，速度更快；另一方面在STATCOM直流总压快速调节到与系统电压基本保持一致后，根据系统电压变化对直流电压控制目标给定值U_dc ^*进行修正更新，使STATCOM在相应系统电压下进行直流电压的精准跟踪控制。本发明在这两方面从快速性和精准控制方面都做出了优化，使STATCOM能精准快速实现直流总压控制，从而适应系统电压变化，实现高、低电压的穿越。

附图说明

图1是链式STATCOM中A相功率单元级联的结构示意图。

图2是链式STATCOM直流总压控制方法原理框图。

具体实施方式

本发明的主要实现过程是：通过三相系统电压瞬时值计算当前系统线电压值；根据系统线电压值实时调整直流总压控制目标给定值U_dc*与基准调制度值M_base；结合每相功率单元直流总压，采用自调节器控制后获得的三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c；同时结合基准调制度值M_base与锁相角，获得三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc；最后采用调制技术获得功率单元的开关控制信号，可实现电压的穿越及直流总压的控制。该方法采用实时调整基准值调制度值M_base和修正调制度的方式，快速跟踪系统电压变化，解决了STATCOM设备电压穿越问题，同时可进一步提高设备的响应时间，有利于提高整机的可靠性，增强了应用范围。

下面以较为常用的链式STATCOM为例，结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1、图2，该STATCOM直流总压控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统电压锁相获得锁相角θ_a、θ_b、θ_c；

系统锁相可以采用硬件锁相或软件锁相，锁相环节并不是本发明的重点，在此不再具体介绍锁相计算方法。

步骤1：实时计算系统电压系统线电压U_now和系统电压正常时的线电压U₀，具体步骤如下：

1)采集系统电压，将三相系统电压分解到α、β坐标系中，具体方法如下：

其中，

u_α为α、β坐标变换后α轴电压瞬时值，单位伏特；u_β为α、β坐标变换后β轴电压瞬时值，单位伏特，u_a、u_b、u_c为三相系统相电压瞬时值，单位伏特。

2)u_α、u_β变换到d、q坐标系，获得u_d、u_q分量，具体方法如下：

其中，u_d为d、q坐标变换后d轴电压值，单位伏特；u_q为d、q坐标变换后β轴电压值，单位伏特；θ为三相电压锁相角，单位弧度。

为了消除系统电压中谐波等干扰，计算出电压d、q坐标轴分量u_d、u_q后，应加入低通滤波器，截止频率设置为基波频率的一半，可获得滤波后的电压d、q坐标轴分量为

3)由获得的电压d、q坐标轴分量实时计算系统线电压有效值方法如下：

其中，U_no_w为当前系统线电压有效值，单位伏特；

为d、q坐标变换后d轴电压值，单位伏特；

为d、q坐标变换后β轴电压值，单位伏特。

4)正常系统线电压U₀获取方法如下：

方法1：系统电压正常时的线电压U₀计算方法与实时计算系统线电压U_now的方法相同，只需在系统电压在合格范围时将合格的三相系统相电压u_a、u_b、u_c带入上述公式计算出的U_now即为U₀。

方法2：直接人为设置U₀值，可为系统额定值。

步骤2：跟踪系统电压U_now变化，实时计算直流总压控制中总压给定值U_dc*，具体方法如下：

其中，U_dc ^*为当前直流总压控制给定值，单位伏特；

为系统电压正常时的初始直流总压控制给定值，单位伏特；U_now为当前系统线电压值，单位伏特；U₀为系统电压正常的线电压值，单位伏特；

步骤3：采用直流总压控制方法，获得根据系统电压动态调节的三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c，具体步骤如下：

1)计算每相功率单元直流电压总和U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}，方法如下：

其中，U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总和，单位伏特；U_{dc_an}、U_{dc_bn}、U_{dc_cn}分别为三相功率单元第n个的直流电压，单位伏特。

2)计算直流总压控制误差量e_{dc_a}、e_{dc_b}、e_{dc_c}，计算方法如下：

其中，e_{dc_a}、e_{dc_b}、e_{dc_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总与给定控制目标的误差值，单位伏特；U_dc ^*为当前直流总压控制给定值，单位伏特；U_{sum_a}、U_{sum_b}、U_{sum_c}分别为STATCOM三相功率单元的直流电压总和，单位伏特。

3)三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c计算，方法如下：

三相直流总压控制误差量e_{dc_a}、e_{dc_b}、e_{dc_c}经过自调节器获得三相控制调节量dM_a、dM_b、dM_c，其中自调节器可采用PI调节器、模糊PI调节器等。

步骤4：三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc计算，具体步骤如下：

1)跟踪系统电压变化，计算当前系统线电压下的基准调制度：

2)新的调制度M_a、M_b、M_c计算方法:

其中，M_a、M_b、M_c为直流总压控制获得的新的调制度；M_base为当前系统线电压下的基准调制度；dM_a、dM_b、dM_c为三相直流电压总压控制的调制度调节量；

3)对调制度M_a、M_b、M_c做限幅处理，限幅范围0到1；

4)三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc计算，具体方法如下：

5)每相功率单元直流总压控制信号生成；

三相直流总压控制瞬时指令值i_Ma、i_Mb、i_Mc经过移相载波调制技术后，可获得每相对应功率单元的控制信号，可实现具有电压穿越能力的直流总压控制。

通过以上步骤，可实现具有电压穿越能力的链式STATCOM直流总压控制方法，该方法可实时检测系统电压变化，动态调节输出电压的调制度，能快速跟踪上系统电压变化，可解决STATCOM设备电压穿越问题，并进一步提高设备的响应时间，有利于提高整机的可靠性，增强了应用范围。

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，并不完全局限于各个参数的计算过程。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。