CN110445148A - 一种高压链式statcom的比例谐振控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法，属于电力电子技术领域，包括：将各次谐波的参考电流值设置为0，通过硬件电路获取实际电流，求出电流差值；根据电流差值的控制扰动规律，设计准PR调节器的连续模型带宽，得到准PR调节器的传递函数；利用离散化方法，将传递函数离散化得到离散化模型，并比较离散模型与连续模型的差别，进行相应的系数修正，利用离散化模型计算各次谐波值；将各次谐波计算的结果相加，输出得到谐波控制的调制波；通过仿真计算验证该谐波抑制方法的效果。该方法避免了傅里叶变换或者Ip‑Iq变换，可降低电网谐波，节省控制时间，控制响应速度更快，结构更加简单，工程实践方便。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法。
背景技术
国家标准规定了电网的电能质量要求，投入谐波控制后，电网PCC点谐波含量应满足《GB/T 14549-电能质量：公用电网谐波》要求，也即35kV侧电压谐波含量要求(总谐波≤3.0％，奇次≤2.4％，偶次≤1.2％)，电流谐波含量要求应满足以下标准：
(1)谐波抑制控制投入前后，35kV侧电压波动应满足《GB/T 12326-2008电能质量：电压波动和闪变》要求，也即电压波动率≤3.0％；
(2)电流控制响应时间≤10ms，超调量不大于10％；
(3)谐波抑制控制的响应时间≤40ms，超调量不大于10％；
(4)谐波抑制控制下的链式STATCOM的电压工作范围应当满足《Q/GDW 241-2008链式静止同步补偿器》的要求，也即能够在0.4p.u.到1.2p.u.正常工作。
现有的谐波抑制方案主要是调谐滤波器和有源电力滤波器(APF)两种。调谐滤波器占地面积大，调节范围不宽；有源电力滤波器调节范围宽，但是成本较高。
链式STATCOM是现代电网的必备设备之一，主要用于无功补偿和电压调节。在光伏电站和风力发电站中，必须接入一定容量的链式STATCOM。如果充分利用链式STATCOM的特点，将谐波抑制算法投入进行，将能够极大的改善电网的电能质量，使得在不增加成本的前提下，提高电网运行稳定性。
因此，本申请提出一种用于谐波抑制的高压链式STATCOM的比例谐振控制方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法，包括以下步骤：
步骤1、将各次谐波的参考电流值设置为0，通过硬件电路获取实际电流，求出电流差值；
步骤2、根据电流差值的控制扰动规律，设计准PR调节器的连续模型带宽，得到准PR调节器的传递函数；
步骤3、利用离散化方法，将传递函数离散化得到离散化模型，并比较离散模型与连续模型的差别，进行相应的系数修正，利用离散化模型计算各次谐波值；
步骤4、将各次谐波计算的结果相加，输出得到谐波控制的调制波；
步骤5、通过仿真计算验证该谐波抑制方法的效果。
优选地，所述准PR调节器的传递函数为：
式中：
Kp为比例项系数，KR为谐振项系数，ωc为中心频率，ω0为谐振频率，j为虚部符号，ω为频率。
本发明提供的高压链式STATCOM的比例谐振控制方法与传统方法相比，避免了傅里叶变换或者Ip-Iq变换，可降低电网谐波，节省控制时间，控制响应速度更快，结构更加简单，工程实践方便，能够极大的改善电网的电能质量，使得在不增加成本的前提下，提高电网运行稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1在50Hz下离散化模型和连续化模型的波特图对比；
图2为本发明实施例1在650Hz下离散化模型和连续化模型的波特图对比；
图3为本发明实施例1在685Hz下离散化模型和连续化模型的波特图对比；
图4为本发明实施例1的谐波方法在控制系统中的应用图例；
图5为本发明实施例1的谐波方法的控制框图；
图6为补偿前电网电流的谐波含量；
图7为补偿后的电网的电流；
图8为补偿后电网电流的谐波含量。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法，包括以下步骤：
步骤1、将各次谐波的参考电流值设置为0，通过硬件电路获取实际电流，求出电流差值；
步骤2、根据电流差值的控制扰动规律，设计准PR调节器的连续模型带宽，得到准PR调节器的传递函数；
步骤3、利用离散化方法，将传递函数离散化得到离散化模型，并比较离散模型与连续模型的差别，进行相应的系数修正，利用离散化模型计算各次谐波值；
步骤4、将各次谐波计算的结果相加，输出得到谐波控制的调制波；
步骤5、通过仿真计算验证该谐波抑制方法的效果。
实施例1
下面给出具体的实施过程：
(1)将各次谐波的参考电流值(谐波指令)设置为0，通过硬件电路获取实际电流(反馈)，求出电流差值；
(2)设计准PR调节器的带宽
PR调节控制器，即比例谐振控制器，由比例环节和谐振环节组成，可对正弦量实现无静差控制，理想PR控制器的传递函数如下式所示：
式(1)中，s为拉普拉斯算子，Kp为比例项系数，KR为谐振项系数，ω0为谐振频率；PR控制器中的积分环节又称广义积分器，可以对谐振频率的正弦量进行幅值积分；
PR控制器中的积分部分在谐振频率点达到无穷大的增益，在这个频率点之外几乎没有衰减。
与PI控制器相比，PR控制器可以达到零稳态误差，提高有选择地抗电网电压干扰的能力。但是在实际系统应用中，PR控制器的实现存在两个主要问题：
一、由于模拟系统元器件参数精度和数字系统精度的限制，PR控制器不易实现
二、PR控制器在非基频处增益非常小，当电网频率产生偏移时，就无法有效抑制电网产生的谐波。
因此在比例谐振控制器的基础上，提出了一种易于实现的准PR控制器，既可以保持PR控制器的高增益，同时还可以有效减小电网频率偏移对逆变器输出电感电流的影响。
准PR调节器的传递函数为：
式中，KR越大，增益越大；中心频率ωc不仅影响控制器的增益，同时还影响控制器截止频率的带宽；随着ωc的增加，控制器的增益和带宽都会增加(基频增益为KR不变)，将s＝jω代入传递函数，则有：
Kp为比例项系数，KR为谐振项系数，ωc为中心频率，ω0为谐振频率，j为虚部符号，ω为频率；
根据对带宽的定义，时，此时计算得到的两个频率之差即为带宽；令经过计算得到准谐振控制器的带宽为：
设电网电压频率允许波动范围为±1.5Hz，则有即ωc＝9.42Hz，根据实际需要，ωc可取5到10之间的数。
(3)PR调节器的离散化方法及修正
模拟控制器的离散化有两种方式，分别为脉冲响应不变法与双线性变换法，一般用的较多的是双线性变换法，也即S域和Z域之间的变化方程为：
由于在实际装置中，离散存在一定的误差；根据工程实际应用，离散的步长一般为1e-4到2e-4秒之间；采用双线性变化，画出离散前和离散后的波特图如图7所示；步长选定为2e-4，取ωc＝5Hz，KR＝0.1也即SVG装置所采用的最大的中断周期；
则未离散前的50Hz下谐振项传递函数为：
离散后其传递函数为：
如图1所示，对比两个波特图。两种方案离散化的结果表明，在低频段，两者几乎完全重合，在3kHz下，离散化的PR调节器出现了衰减，而连续的PR调节器没有明显衰减。但是由于核心频率为50Hz，因此影响可以忽略不计。
根据电网的需求，补偿的谐波次数为13次以下。因此，考虑13次谐波的PR离散化的波特图对比；在650Hz情况下，由于离散化导致的误差，谐振点发生了偏移；离散后的谐振点约为617Hz，差别较大，约偏差了33Hz，因此需要增大核心频率进行修正，如图2所示。
如图3所示，修正核心频率为685Hz，再进行离散化，则偏差减小。经过修正后，核心频率可以达到要求的650Hz，与650Hz的连续模型对比，波特图较为一致，因此可以通过校正使得离散化模型达到连续模型的性能。
但是显然，除了基波外，谐波次数越高，需要修正的频率就越大，每个次数都需要独立修正，并且中断频率不同，修正值也不相同，这为实现带来了一定的难度。另外，这些算法都存在一个共同的缺陷，也即需要分频段滤波，带宽偏低，滤波效果一般。但是该算法实现较为简单，并且已经在风电以及融通装置上实际试验过，是一种较为可靠的方法。
(4)调制波生成
如图4所示，是链式STATCOM电压、电流控制得到的三相基波调制波，是谐波抑制算法所得到的叠加到三相基波调制波上的谐波调制波。通过载波移相调制(CPS-SPWM)，最终生成PWM脉冲指令驱动各个功率模块。按照图4的谐波算法在控制系统中的应用，谐波调制波叠加到基波调制波中，通过载波移相控制，驱动各个模块工作。
如图5所示，以A相谐波抑制为例，设置谐波指令为0，也即控制目标是消除谐波，PR控制器设计ω0分别为150Hz、250hz、350Hz、450Hz、550Hz、650Hz，进行叠加，最终生成谐波调制波
(5)仿真结果分析
通过仿真分析了该方法的效果，图6为补偿前的电网电流的谐波含量，接近30％，图7为补偿后的电网电流的波形，图8为补偿后的电网电流的谐波含量，降低到2％左右，因此本实施例提出的方法效果比较明显，本方法可以降低电网谐波。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高压链式STATCOM的比例谐振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将各次谐波的参考电流值设置为0，通过硬件电路获取实际电流，求出电流差值；
步骤2、根据电流差值的控制扰动规律，设计准PR调节器的连续模型带宽，得到准PR调节器的传递函数；
步骤3、利用离散化方法，将传递函数离散化得到离散化模型，并比较离散模型与连续模型的差别，进行相应的系数修正，利用离散化模型计算各次谐波值；
步骤4、将各次谐波计算的结果相加，输出得到谐波控制的调制波；
步骤5、通过仿真计算验证该谐波抑制方法的效果。
2.根据权利要求1所述的高压链式STATCOM的比例谐振控制方法，其特征在于，所述准PR调节器的传递函数为：
式中：
Kp为比例项系数，KR为谐振项系数，ωc为中心频率，ω0为谐振频率，j为虚部符号，ω为频率。
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