CN110112753B - 一种星形连接级联statcom相间直流电压均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电压均衡控制技术领域，且公开了一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，其特征在于，包括：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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数。该星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，通过级联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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；本方法不涉及反三角函数、逆矩阵等复杂运算，计算简单，无需消耗大量的控制器资源，无需对不平衡电网电压正负序分离，减小控制延时，增强相间直流电压均衡控制的稳定性。

Description

一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电压均衡控制技术领域，具体为一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法。

背景技术

随着现代工业的不断发展，越来越多的非线性、冲击性以及不平衡负荷接入电网，引起了电网电压波动、闪变、不平衡甚至剧烈振荡导致系统崩溃。静止同步补偿器(STATCOM)被广泛应用在电力系统中，用于提高电网电能质量与电力系统稳定性，星形连接级联H桥变换器因其结构模块化、器件少、易于扩展、输出谐波特性好以及冗余程度高等优点被广泛的应用在中高压STATCOM场合。

然而，星形连接级联H桥STATCOM三相直流母线相互独立，在理想情况下，三相有功损耗一致，相间直流电压保持均衡，但在实际应用中，三相之间有功损耗不一致且电网电压不平衡，造成三相之间的功率流不均衡，进一步导致相间直流电压不均衡，不仅降低了输出电流质量，而且增加了电容与开关器件过压损坏的风险，影响了设备的安全运行，故而提出一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，具备容易实现，可以适应不平衡电网等优点，解决了在电网电压不平衡下，稳态误差大，易造成系统过压保护的问题。

(二)技术方案

为实现上述容易实现，可以适应不平衡电网的目的，本发明提供如下技术方案：一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，包括：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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压；前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能；反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压。

优选的，所述的相间直流电压均衡的反馈控制具体实现步骤如下：

1)检测星形连接级联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与星形连接级联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相调节量Δuda，将Udcref与星形连接级联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相调节量Δudb；

3)分别求取Δuda与Δudb的相反数后经过单路加法器，得到C相调节量Δudc；

4)检测星形连接级联STATCOM的输出三相电流ia，ib，ic；

5)将步骤2)与3)求得的三相直流电压调节量Δuda、Δudb、Δudc分别与对应相的电流经过单路乘法器，得到三相交流信号；

6)将步骤5)中所得的三相交流信号相加，得到相间直流电压均衡反馈控制的零序电压u0_fb。

优选的，所述的相间直流电压均衡的前馈控制具体实现步骤如下：

1)检测三相电网电压ea、eb、ec；

2)求取ea、eb、ec的平均值，得到相间直流电压均衡前馈控制的零序电压u0_ff，表达式如下：

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，具备以下有益效果：

1、该星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，通过级联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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压，前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能，反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压，本方法不涉及反三角函数、逆矩阵等复杂运算，计算简单，无需消耗大量的控制器资源，无需对不平衡电网电压正负序分离，减小控制延时，增强相间直流电压均衡控制的稳定性。

2、该星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，通过级联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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压，前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能，反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压，本方法提高电网电压不平衡下的动态性能，增加了STATCOM运行的可靠性，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

图1为本发明提出的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法主电路结构图；

图2为本发明提出的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法系统控制框图；

图3为本发明提出的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法框图；

图4为本发明提出的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法实验验证结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数，输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压；前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能；反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压。具体实现步骤如下：

1)检测星形连接级联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与星形连接级联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相调节量Δuda，同样，将Udcref与星形连接级联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相调节量Δudb；

3)分别求取Δuda与Δudb的相反数后经过单路加法器，得到C相调节量Δudc；

4)检测星形连接级联STATCOM的输出三相电流ia，ib，ic；

5)将步骤2)与3)求得的三相直流电压调节量Δuda、Δudb、Δudc分别与对应相的电流经过单路乘法器，得到三相交流信号；

6)将步骤5)中所得的三相交流信号相加，得到相间直流电压均衡反馈控制的零序电压u0_fb；

7)提取三相电网电压的零序分量作为相间直流电压均衡前馈控制的输出，步骤7.1，检测三相电网电压ea、eb、ec，步骤7.2，求取ea、eb、ec的平均值，得到相间直流电压均衡前馈控制的零序电压u0_ff，表达式如下：

8)将u0_fb与u0_ff相加并归一化，得到相间直流电压均衡控制输出m0；

9)m0再与第一层电流控制输出、各模块直流电压均衡控制输出相加，得到各模块输出指令电压。

实施例二：三相电网和阻感性性负载之间并联连接级联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ea、eb、ec，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正负双序dq电流控制为例，三相总电压通过控制正序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零序分量使得STATCOM输出零序电压来实现。

参见图3，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压，前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能，反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，具体步骤如下：

1)检测星形连接级联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与星形连接级联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相调节量Δuda，同样，将Udcref与星形连接级联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相调节量Δudb；

3)分别求取Δuda与Δudb的相反数后经过单路加法器，得到C相调节量Δudc；

4)检测星形连接级联STATCOM的输出三相电流ia，ib，ic；

5)将步骤2)与3)求得的三相直流电压调节量Δuda、Δudb、Δudc分别与对应相的电流经过单路乘法器，得到三相交流信号；

6)将步骤5)中所得的三相交流信号相加，得到相间直流电压均衡反馈控制的零序电压u0_fb；

7)提取三相电网电压的零序分量作为相间直流电压均衡前馈控制的输出，检测三相电网电压ea、eb、ec，求取ea、eb、ec的平均值，得到相间直流电压均衡前馈控制的零序电压u0_ff，表达式如下：

8)将u0_fb与u0_ff相加并归一化，得到相间直流电压均衡控制输出m0。

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，实验结果为A相电网电压跌落前后STATCOM运行的电压和电流波形，从图4(a)中可以看出，t0后A相电网电压跌落80％，从图4(b)中可以看出，电网电压故障后，STATCOM仍然可以向电网注入对称的电流波形，从图4(c)可以看出，电网电压故障后，相间直流电压均衡控制器产生零序调制波，用于均衡三相相间直流电压，波形如图4(d)所示，即使在电网电压不平衡下，三相直流电压也能保持均衡，保证STATCOM稳定的运行，由此验证了本发明中的星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡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。

本发明的有益效果是：该星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，通过级联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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压，前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能，反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压，本方法不涉及反三角函数、逆矩阵等复杂运算，计算简单，无需消耗大量的控制器资源，无需对不平衡电网电压正负序分离，减小控制延时，增强相间直流电压均衡控制的稳定性，通过级联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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压，前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能，反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压，本方法提高电网电压不平衡下的动态性能，增加了STATCOM运行的可靠性，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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，其特征在于，包括：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，三相直流母线相互独立，STATCOM输出正序电压用于控制正序电流提高电网功率因数；输出负序电压用于抑制负序电流，输出零序电压用于重新分配三相间的有功功率，实现三相相间直流电压均衡，STATCOM输出的零序电压由相间直流电压均衡控制调节产生，相间直流电压均衡控制由反馈控制与前馈控制两部分组成，反馈控制根据A、B两相的直流电压的偏差与三相电流通过调节器产生反馈调节的零序电压；前馈控制则直接提取三相电网电压的零序分量产生前馈调节的零序电压，可在电网电压发生单相或两相跌落时提高三相直流电压的动态性能；反馈调节与前馈调节的零序电压叠加后，并进行归一化得到零序调制波，零序调制波再与电流环控制产生的调制波相加得到三相调制波，再通过每相内部各模块直流电压均衡控制，得到各模块输出的指令电压。

2.根据权利要求1所述的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，其特征在于，所述的相间直流电压均衡的反馈控制具体实现步骤如下：

1)检测星形连接级联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与星形连接级联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相调节量Δuda，将Udcref与星形连接级联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相调节量Δudb；

3)分别求取Δuda与Δudb的相反数后经过单路加法器，得到C相调节量Δudc；

4)检测星形连接级联STATCOM的输出三相电流ia，ib，ic；

5)将步骤2)与3)求得的三相直流电压调节量Δuda、Δudb、Δudc分别与对应相的电流经过单路乘法器，得到三相交流信号；

6)将步骤5)中所得的三相交流信号相加，得到相间直流电压均衡反馈控制的零序电压u0_fb。

3.根据权利要求1所述的一种星形连接级联STATCOM相间直流电压均衡控制方法，其特征在于，所述的相间直流电压均衡的前馈控制具体实现步骤如下：

1)检测三相电网电压ea、eb、ec；

2)求取ea、eb、ec的平均值，得到相间直流电压均衡前馈控制的零序电压u0_ff，表达式如下：

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