CN110380424B - 电网电压不平衡下级联statcom改进正负序双环控制策略 - Google Patents

Abstract

电网系统中时常会存在三相电压不平衡问题，此时正、负序电压、电流的交叉会造成装置三相功率不平衡，导致直流侧电压不平衡产生，影响装置安全运行。因此设计一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，使装置不仅能可靠的补偿系统无功及负序电流，还能保证装置自身的安全运行。通过对正负序分量的独立控制，在实现对系统无功及负序电流的补偿的同时，实现装置全局电压的稳定；通过注入零序电压的方法可以均衡装置直流侧各相之间的功率分配，达到均衡直流侧相间电压的目的。仿真结果验证了本发明所提方可以有效均衡级联STATCOM直流侧相间电压，补偿系统无功及负序分量，降低系统不平衡度。

Description

电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略

技术领域

本发明涉及一种控制策略，更具体地，涉及一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略。

背景技术

级联静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)作为柔性交流技术的核心装置，能够动态、快速、大范围地调节无功，在提高系统静态、暂态稳定性，改善系统电能质量等方面起到了重要作用，从而受到广泛关注。由于不对称故障的发生及负载不对称的情况时常存在，电网中普遍存在三相电压不平衡问题。不平衡电压会在各链节H桥直流侧电容两端产生2倍频电压波动，且三相换流链会流过较大的负序电流，影响装置安全运行，因此级联STATCOM的控制策略必须考虑三相不平衡因素。不少专家及学者针对上述问题提出了相应的控制方法。2014年第29期的《电工技术学报》中《电网电压不平衡对STATCOM的影响及抑制》一文在传统正、负序双环控制方法的基础上，对开关函数进行了改进，不仅降低了装置输出的谐波分量，还抑制了负序电流对装置带来的过电流威胁。2014年第38期的《电网技术》中《一种改进的电网电压不平衡环境下链式STATCOM控制策略》一文一方面通过正、负序双环控制补偿系统的无功及负序分量，降低了电网的不平衡度，抑制了装置的过电流，另一方面通过调节装置输出负序电流的幅值与相位，改变直流侧相间功率分配，平衡了直流侧电压。2015年第49期的《电力电子技术》中《非理想条件D-STATCOM预测直接功率控制研究》一文在功率预测控制方法的基础上，提出通过控制正序功率达到调节补偿电流幅值与相位的效果，不仅降低了谐波分量的比重，还抑制了负序电流对装置过流的威胁。2017年第41期的《电力系统自动化》中《角形级联型STATCOM不平衡工况下的无功功率控制策略》一文对正序及负序无功功率指令进行了推导，通过调节两种指令值的比例，调节装置所输出无功的大小，对系统进行补偿。2012年第32期的《中国电机工程学报》中《H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略》一文对叠加零序电压、负序电流及负序电压的功率再分配方式进行了讨论，并提出一种基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压均衡控制方法，很好的解决了直流侧电压的稳态及动态平衡问题。

发明内容

本发明针对级联STATCOM工作在电网电压不平衡的情况，提出一种改进的正负序双环控制策略，通过对正负序电压、电流双环控制，补偿负载的负序电流，并通过注入零序电压均衡直流侧相间电压，降低电网不平衡度，维持装置整体直流侧电压平衡。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，包括以下步骤：

S1、将直流侧各相每周期从电网所吸收的功率分成两部分，令：

p_i＝p+Δp_i,i＝a,b,c

其中，

其中，U⁺、U^-分别为电网正序、负序电压的幅值，

为负序电压初相位，I⁺、I^-分别为装置输出正序、负序电流的幅值，α、β分别为正、负序电流的初相位。

S2、采用在直流侧各相叠加零序电压的方法，均衡各相所吸收的功率，设所叠加零序电压为：

u⁰＝U⁰sin(ωt+θ)

其中，U⁰为零序电压幅值，θ为零序电压初相位，

S3、注入零序电压后，在各相所叠加的功率为：

S4、注入零序电压后，各相所吸收的功率为：

其中，Δp_i ⁰(i＝a,b,c)为叠加零序电压后，各相所叠加的功率。

为平衡相间电压，可使所叠加零序电压产生的功率与各相偏差功率之和为零，即：

由此可以得出：

其中，

通过化简可得：

S5、通过对S4步骤中的正序、负序电流I⁺、I^-和电压U⁺、U^-双环控制，补偿负载的负序电流，降低电网不平衡度，维持装置整体直流侧电压平衡。

本发明的有益效果为引入在直流侧各相叠加零序电压的方法，确定了需要在各相叠加的零序电压，在实现对系统无功及负序电流的补偿的同时，保持装置整体直流侧电压平衡，实现装置全局电压的稳定。

附图说明

图1为级联STATCOM改进的正负序双环控制框图；

图2为传统控制方法下系统电压仿真波形图；

图3为传统控制方法下系统电流仿真波形图；

图4为改进控制方法下系统电流仿真波形图；

图5为改进控制方法下系统电流仿真波形图；

图6为传统控制方法下装置直流侧各相电压仿真波形图；

图7为改进控制方法下装置直流侧各相电压仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，具体控制框图如图1所示；

首先将直流侧各相周期从电网所吸收的功率分成两部分，令：

p_i＝p+Δp_i,i＝a,b,c

其中，P为直流侧各相所吸收功率相同成分,ΔPi为不同成分(i＝a,b,c)。

然后采用在直流侧各相叠加零序电压的方法，均衡各相所吸收的功率，设所叠加的零序电压为：

u⁰＝U⁰ sin(ωt+θ)

其中，U⁰为零序电压，θ为零序电压初相位。

在注入零序电压后，各相所叠加的功率为：

其中，Δpi0(i＝a,b,c)为叠加零序电压后，各相所叠加的电压；

此时各相所吸收的功率为：

为平衡相间电压，可使叠加零序电压产生的功率与各相偏差功率之和为零，即：

由此可得：

θ＝arctan(B/A)

其中：

由上面式子可确定需要在各相叠加的零序电压，即可均衡各相之间的功率分配，解决相与相之间的电压均衡问题，保持装置整体直流侧电压平衡，实现装置全局电压的稳定。

仿真实验与结果分析如下：

1、利用matlab/simulink仿真软件搭建系统仿真模型，仿真参数：系统线电压为10kV，电网频率为50Hz，并网电感为5mH，链节直流侧电容为5000uF，单相链节模块数为10个

2、采用传统控制方法仿真实验得出图2和图3。图2和图3分别为系统不平衡时，采用传统控制方法时的系统电压和系统电流波形。由图可知，当三相不平衡时，由于传统的正序控制无法对系统负序分量进行实时的跟踪补偿，系统中仍含有大量的负序分量及谐波成分，系统电压及电流均存在不平衡情况。可见，传统的正序控制不仅无法对不平衡系统进行良好的补偿，还将使装置的安全运行受到威胁。

3、采用改进的正负序双环控制方法仿真实验得到图4和图5，图4和图5分别为系统不平衡时，采用改进的正负序双环控制方法时的系统三相电压、电流波形。由图可知，由于改进的控制方法中加入了负序电流环，实现了对系统无功及负序电流的补偿，系统三相电压、电流基本稳定。系统中负序分量的含量得到了大大降低，三相电流的谐波含量较低。

4、采用传统控制方法仿真实验得到图6，图6为不平衡时装置直流侧三相电压波形。由图可知，装置直流侧三相电压波形产生不平衡现象，且三相电压的误差随时间的变化逐渐增大，当次误差增长过大时，会威胁装置的安全运行，增大装置输出电压的谐波含量。

5、采用改进的正负序双环控制方法仿真实验得到图7，图7为不平衡时装置直流侧三相电压波形。由图可知，改进控制方法所注入的零序电压，起到了均衡装置直流侧相间功率分配的效果，将直流侧各相电压平均值稳定在200V左右，起到了较好的平衡相间电压作用。

本发明通过分析STATCOM的数学模型以及各H桥能量交换与调节的原理，提出一种改进的正负序双环控制策略。通过对正负序分量的独立控制，在实现对系统无功及负序电流的补偿的同时，实现装置全局电压的稳定。通过注入零序电压的方法可以均衡装置直流侧各相之间的功率分配，达到均衡直流侧相间电压的目的。仿真结果验证了本发明所提方可以有效均衡级联STATCOM直流侧相间电压，补偿系统无功及负序分量，降低系统不平衡度。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将直流侧各相每周期从电网所吸收的功率分成两部分，令：

p_i＝p+Δp_i,i＝a,b,c

P为直流侧各相所吸收功率相同成分,ΔPi为不同成分(i＝a,b,c)；

S2、采用在直流侧各相叠加零序电压的方法，均衡各相所吸收的功率，设所叠加零序电压为：

u⁰＝U⁰sin(ωt+θ)

其中，U⁰为零序电压幅值，θ为零序电压初相位；

S3、注入零序电压后，得到在各相所叠加的功率；

S4、注入零序电压后，各相所吸收的功率为：

Δp_i ⁰(i＝a,b,c)为叠加零序电压后，各相所叠加的功率；

为平衡相间电压，使所叠加零序电压产生的功率与各相偏差功率之和为零，即：

则可以得出：

θ＝arctan(B/A)

其中：

通过化简得：

其中，U⁺、U^-分别为电网正序、负序电压的幅值，I⁺、I^-分别为装置输出正序、负序电流的幅值，A、B为常数；

S5、通过对S4步骤中的正序、负序电流I⁺、I^-和电压U⁺、U^-双环控制，补偿负载的负序电流，降低电网不平衡度，维持装置整体直流侧电压平衡。

2.根据权利要求1所述的一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，其特征在于，在步骤S1中：

3.根据权利要求1所述的一种电网电压不平衡下级联STATCOM改进正负序双环控制策略，其特征在于，在步骤S2中，各相所叠加的功率为：

其中：α、β分别为正、负序电流的初相位。

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