CN110676850B - 三相四线三桥臂statcom的分裂电容直流电压均衡方法及系统 - Google Patents

三相四线三桥臂statcom的分裂电容直流电压均衡方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法及系统，方法包括检测分裂电容支路上、下分裂电容电压差Δu；判断Δu与预设阈值uft的关系，得到均压指令ε；若Δu>uft，则ε＝(uft‑Δu)K；若Δu<‑uft，则ε＝(Δu‑uft)K；否则ε＝0；其中，K为预设的比例系数；根据ε得到上、下桥臂参考电压，对MMC进行调制，抑制分裂电容直流电压的不均衡。本发明提供的三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法随直流电压不均的逐步消除自主减少ε中的直流成分εdc和交流成分εac，相较于比例积分控制器的均压策略而言降低了分裂电容交流电压不均对直流电压均衡与零序补偿电流控制的不利影响，进一步缩短了均压时间。

Description

三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法及 系统
技术领域
本发明属于电力系统电能质量控制领域，更具体地，涉及一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法及系统。
背景技术
随着新能源技术的迅猛发展，复杂电气设备的逐渐普及，电能质量问题正日益凸显。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator， STATCOM)能够通过补偿负载不对称、无功以及谐波电流的方式，维持电网供电电压的稳定，避免负载电流对电网的污染，有效解决电能质量问题。
当电网为单相负载供电时，需要采用三相四线的线路，为零序负载电流提供通路。相适应地，STATCOM也应采用三相四线的结构，以实现正序、负序以及零序负载电流的补偿。常见的三相四线STATCOM基于两电平变换器，分为H桥静止同步补偿器(H Bridge StaticSynchronous Compensator，HB STATCOM)，四桥臂静止同步补偿器(Four-leg StaticSynchronous Compensator，4L STATCOM)以及三桥臂静止同步补偿器 (Three-leg StaticSynchronous Compensator，3L STATCOM)三种类型。HB STATCOM具有最大的补偿容量，但是使用了大量的开关器件，成本较高。 4L STATCOM相较于HB STATCOM而言以损失部分补偿容量为代价，显著降低了器件数量。3L STATCOM在4L STATCOM的基础上进一步缩减了对于开关器件的使用。但是流过两分裂电容的零序电流会在其上引起难以抑制的交流电压不均，增加流入直流侧的二倍频电流环流，加剧分裂电容支路总的二倍频电压波动，增加开关器件的电压应力，限制补偿容量。受制于开关器件的耐压水平，这三种基于两电平变换器的三相四线STATCOM仅适用于低压领域。
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)具有模块化，易冗余，输出电压谐波含量低，子模块串联分压避免开关器件直接串联的特性，在高电压大容量应用场景正得到越来越广泛的关注和应用。采用MMC替代传统的两电平变换器可以有效提升三相四线STATCOM的电压等级。由于MMC子模块串联的结构以及环流可控的特性能够消除分裂电容交流电压不均对于开关器件的不利影响，对基于MMC的三相四线 STATCOM而言，采用三桥臂结构具有明显的优势。基于模块化多电平变换器的三相四线三桥臂静止同步补偿器(Modular Multilevel Converter Based Three-leg Static SynchronousCompensator，3L MMC-STATCOM)的分裂电容上还存在由零序补偿电流暂态过程等原因引起的直流电压不均。虽然这种直流电压不均可以由3L MMC-STATCOM自清除，但是缓慢的清除过程使得开关器件长时间工作在过电压状态，不利于器件的安全可靠运行。因此，有必要采用分裂电容直流电压均衡策略加速此过程。
现有的分裂电容直流电压均衡策略主要通过产生均压指令ε控制 STATCOM产生需要的零序电流，实现分裂电容直流电压均衡。根据ε产生方式的不同，这些均压策略主要可以分为：基于比例积分控制器的均压策略(Proportional-integral Balance Scheme，PIBS)、基于低通滤波器和带限幅的比例控制器的均压策略(Proportional Balance Schemewith Low-pass Filter and Saturation Block，PLS BS)。PI BS将两分裂电容电压差Δu作为被控对象通过PI控制器直接产生ε。Δu中除了分裂电容直流电压不均外还含有基频的分裂电容交流电压不均，这使得ε中存在抑制分裂电容直流电压不均的直流均压指令εdc和抑制分裂电容基频交流电压不均的交流均压指令εac。εac会干扰3L MMC-STATCOM的分裂电容直流电压均衡，并加剧电压均衡策略对零序补偿电流控制的不利影响。PLS BS采用低通滤波器滤除Δu中的交流成分，避免了εac的产生。但是，为了有效滤除交流成分，需要使用低截止频率的滤波器，这会带来较大的时间延迟，显著增加调节时间。综上，亟需一种优化的适用于3L MMC-STATCOM的分裂电容直流电压均衡策略缩短均压时间，减少对零序电流补偿的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相四线三桥臂 STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法及系统，旨在解决三相四线三桥臂STATCOM在需要零序电流补偿的应用场景下，分裂电容直流电压不均的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种三相四线三桥臂 STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法，3L MMC-STATCOM由分裂电容支路和三相半桥MMC构成，MMC输出三相补偿电流ia、ib、ic补偿负载电流ial、ibl、icl中的谐波电流，正序无功电流，负序电流以及零序电流，使得电网三相电流ias、ibs、ics中仅含有正序有功成分。分裂电容支路中点引出 3L MMC-STATCOM中线，与电网、负载中线相连，为负载中线电流inl提供电流通路，阻止其流入电网。通过这种方式，3L MMC-STATCOM消除了负载谐波、无功以及不对称电流对电网的污染。方法包括以下步骤：
检测分裂电容支路上、下分裂电容电压差Δu；
判断Δu与预设阈值uft的关系，得到均压指令ε；若Δu>uft，则ε＝(uft-Δu)K；若Δu<-uft，则ε＝(Δu-uft)K；否则ε＝0；其中，K为预设的比例系数；
根据均压指令ε得到上、下桥臂参考电压，对MMC进行调制，抑制分裂电容直流电压的不均衡。
进一步地，分裂电容支路包括上分裂电容和下分裂电容，上、下分裂电容串联在一起后并联在所述三相半桥MMC的上、下桥臂之间。
进一步地，上、下分裂电容的容值相等。
进一步地，预设阈值uft的公式为：
Figure RE-GDA0002288872330000041
其中，
Figure RE-GDA0002288872330000042
为参考零序补偿电流的幅值，ω为零序补偿电流角频率，Cs为上、下分裂电容容值。
进一步地，上、下桥臂参考电压
Figure RE-GDA0002288872330000043
的公式为：
Figure RE-GDA0002288872330000044
Figure RE-GDA0002288872330000045
其中，Udc为分裂电容支路总电压，eabcref为结合补偿电流控制产生的参考电动势。
按照本发明的另一方面，提供了一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡系统，包括：
检测模块，用于检测分裂电容支路上、下电容电压差Δu；
均压指令获取模块，用于判断Δu与预设阈值uft的关系，得到均压指令ε；
调制模块，用于根据均压指令ε得到上、下桥臂参考电压，对MMC进行调制，抑制分裂电容直流电压的不均衡。
进一步地，均压指令ε为：
若Δu>uft，则ε＝(uft-Δu)K；若Δu<-uft，则ε＝(Δu-uft)K；否则ε＝0；其中，K为预设的比例系数。
进一步地，上、下桥臂参考电压
Figure RE-GDA0002288872330000046
的公式为：
Figure RE-GDA0002288872330000047
Figure RE-GDA0002288872330000048
其中，Udc为分裂电容支路总电压，eabcref为结合补偿电流控制产生的参考电动势。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法随直流电压不均的逐步消除自主减少ε中的直流成分εdc和交流成分εac，相较于PI BS而言降低了分裂电容交流电压不均对直流电压均衡与零序补偿电流控制的不利影响，进一步缩短了均压时间；
2、本发明提供的三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法相较于PLS BS而言不需要额外增加低通滤波器，显著缩短了均压时间；
3、本发明提供的三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法以基于逻辑判断和四则运算的均压指令产生方式替代基于PI控制器以及滤波器的均压指令产生方式，显著降低了控制方法的硬件成本。
附图说明
图1是本发明采用的三相四线三桥臂STATCOM的结构示意图；
图2是本发明提供的三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法控制框图；
图3为分裂电容交流电压不均对3L MMC-STATCOM的MMC上桥臂开关管承受电压影响示意图；
图4为分裂电容直流电压不均对3L MMC-STATCOM的MMC上桥臂开关管承受电压影响示意图；
图5为现有技术和本发明提供的分裂电容直流电压均衡方法均压效果对比图；
图6为现有技术和本发明提供的分裂电容直流电压均衡方法对零序补偿电流控制影响的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1为3L MMC-STATCOM原理图。3L MMC-STATCOM由分裂电容支路和三相半桥MMC构成，MMC输出三相补偿电流ia、ib、ic补偿负载电流ial、ibl、icl中的谐波电流，正序无功电流，负序电流以及零序电流，使得电网三相电流ias、ibs、ics中仅含有正序有功成分。分裂电容支路中点引出 3L MMC-STATCOM中线，与电网、负载中线相连，为负载中线电流inl提供电流通路，阻止其流入电网。通过这种方式，3L MMC-STATCOM消除了负载谐波、无功以及不对称电流对电网的污染。
由于3L MMC-STATCOM的对称性，3L MMC-STATCOM中线电流inp均分流过分裂电容支路上、下电容，于是有：
Figure RE-GDA0002288872330000061
Figure RE-GDA0002288872330000062
可以得到Δu与inp的关系：
Figure RE-GDA0002288872330000063
由于补偿电流中的正、负序分量相互抵消，负载中线电流inl中仅含补偿电流零序分量i0。在3L MMC-STATCOM的补偿电流控制器的作用下，负载中线完全流入3L MMC-STATCOM中线，存在以下关系：
inp＝inl＝3i0
考虑到i0的暂态过程，可以用下式表示：
Figure RE-GDA0002288872330000064
式中，
Figure RE-GDA0002288872330000065
为暂态零序补偿电流；I0和α0分别表示稳态零序补偿电流的幅值和相位；ts为零序补偿电流调节时间。
即可得到Δu的表达式：
Figure RE-GDA0002288872330000071
式中，Δu(0)表示分裂电容初始电压差。从上式可以看出，分裂电容包含直流电压不均与交流电压不均。直流电压不均由零序补偿电流的暂态过程和初始分裂电容电压差产生，交流电压不均由稳态零序补偿电流产生。由于3L MMC-STATCOM需要补偿负载零序电流，交流电压不均难以通过控制的方式抑制。此外，分裂电容交流电压不均对开关器件的电压应力影响较小。因此，交流电压不均一般通过合理的分裂电容值选取进行抑制，在控制策略设计方面不对其进行处理。零序补偿电流的暂态过程导致分裂电容直流电压不均，由于3LMMC-STATCOM的工作特性，分裂电容直流电压不均也会反作用于零序电流补偿的暂态过程，产生缓慢的分裂电容直流电压自均现象。此缓慢的自均过程使得3L MMC-STATCOM的开关管长时间工作在暂态过压工作状态，不利于器件的安全可靠运行。因此需要合理的分裂电容直流电压均衡策略，通过控制零序补偿电流的暂态过程，加速直流电压的均衡过程。
本发明提出了一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流快速均压策略(Fast-tracking Balance Scheme，FT BS)，可以凭借简单的控制逻辑，实现分裂电容直流电压的快速均衡，并能有效兼容现有的3L MMC-STATCOM补偿电流控制方案和调制方案。图2展示了其控制框图，包括均压参考指令ε以及桥臂参考电压
Figure RE-GDA0002288872330000072
的生成。具体流程如下：
(1)根据实际应用场景，输入参考零序补偿电流的幅值
Figure RE-GDA0002288872330000073
分裂电容容值Cs，零序补偿电流角频率ω，比例系数K具有初始预设值。
(2)输入分裂电容电压差Δu作为被控量。
(3)计算快速均压判定阈值
Figure RE-GDA0002288872330000074
(4)判断Δu与uft的数量关系。若Δu>uft，令ε＝(uft-Δu)K；若Δu<-uft，令ε＝(Δu-uft)K；否则令ε＝0。
(5)结合补偿电流控制产生的参考电动势eabcref、分裂电容支路总电压 Udc以及ε计算桥臂参考电压
Figure RE-GDA0002288872330000081
Figure RE-GDA0002288872330000082
Figure RE-GDA0002288872330000083
(6)将
Figure RE-GDA0002288872330000084
输入调制模块，控制3L MMC-STATCOM产生暂态的均衡电压以及电流，对分裂电容直流电压不均进行抑制。
(7)根据分裂电容直流电压均衡效果以及实际需要，调节比例系数K。
通过MATLAB/Simulink仿真可以直观地验证分裂电容直流电压均衡策略的必要性和FT BS的优越性。为了缩小仿真规模，3L MMC-STATCOM 桥臂子模块数目设置为8个。桥臂子模块数的减少会加剧子模块电容电压波动，进而增加补偿电流的谐波含量。因此3L MMC-STATCOM采用了 0.02H的交流电感抑制补偿电流的高频谐波成分。桥臂中半导体器件和电感的电阻用50mΩ桥臂电阻集中表示。仿真的详细参数如表1所示。
表1
参数 数值
分裂电容支路总电压 ±12kV
桥臂子模块数 8
子模块电容容量 5mF
分裂电容容量 5mF
子模块电容电压 3kV
桥臂电感 5mH
桥臂电阻 50mΩ
交流电压 10kV
交流电感 0.02H
调制方法 RSF PSC-PWM
载波频率 1kHz
图3为分裂电容交流电压不均对3L MMC-STATCOM的MMC上桥臂开关管承受电压影响示意图。可以看出，当分裂电容支路出现交流电压不均(4800V)时，开关管所承受的重复峰值电压仅增加2V(占原电压峰值的0.07％)；所承受的直流电压分量保持不变。分裂电容交流电压不均几乎不对开关管电压应力产生影响。因此，仅需在参数设计阶段通过设计合理的分裂电容容值对分裂电容交流电压不均进行适当的抑制，无需针对其设计控制策略。
图4为分裂电容直流电压不均对3L MMC-STATCOM的MMC上桥臂开关管承受电压影响示意图。可以看出，当分裂电容支路出现直流电压不均(2400V，占分裂电容支路总电压10％)时，开关管所承受的重复峰值电压增加174V(占原重复峰值电压的5.74％)，所承受的直流电压增加169V (占原直流电压的5.63％)。分裂电容直流电压不均会对开关管电压应力造成不可忽略的影响，因此，有必要设计相应的直流电压快速均衡策略消除直流电压不均，维护开关管的安全可靠运行。
图5对比了PLS BS、PI BS以及FT BS三种分裂电容直流电压均衡策略的效果。在t＝0.1s将零序补偿电流参考指令
Figure RE-GDA0002288872330000091
从
Figure RE-GDA0002288872330000092
调节到
Figure RE-GDA0002288872330000093
以102％分裂电容交流电压不均作为2％误差带。调节三种直流电压均衡策略的参数，使得Δu在最短的时间内稳定在2％误差带内，即可得到如图5所示的三种直流电压均衡策略下Δu的波形。容易看出，i0的突变会在分裂电容支路引起直流电压不均。分裂电容直流电压均衡策略的使用，显著加快了直流电压不均的衰减过程。PLS BS由于采用了低通滤波器产生ε，虽然消除了分裂电容交流电压不均对电压均衡策略的影响，但是引入了较大的延迟环节，因此具有最长的调节时间。PI BS将Δu作为被控量直接通过PI控制器产生ε，省去了低通滤波器，相较于PLSBS显著缩短了调节时间。但是，分裂电容电压差中不仅包含直流电压不均，还存在交流电压不均，交流电压不均通过PI BS产生始终存在的εac对分裂电容直流电压均衡造成干扰，阻碍了调节时间的进一步缩短。FT BS通过比较Δu和uft的方式产生ε，ε中的εac随直流电压不均的消除自动衰减至零，减小了交流电压不均对电压均衡策略的不利影响，相较于PI BS进一步缩短了调节时间。
图6对比了PLS BS、PI BS和FT BS对i0控制的影响。为了突出分裂电容直流电压均衡策略对i0控制暂态过程的影响，在不施加电压均衡策略的情况下调节i0的控制器参数，使i0能够在极短的时间内准确跟踪参考指令
Figure RE-GDA0002288872330000101
两者波形在暂态过程中几乎贴合。t＝0.1s时，i0参考指令
Figure RE-GDA0002288872330000102
调节到
Figure RE-GDA0002288872330000103
由于低通滤波器的作用，PLS BS仅对分裂电容直流电压不均敏感，仅产生εdc，对i0控制的影响最小。PI BS以Δu作为被控对象产生ε，ε既包含随分裂电容直流电压不均减小逐渐衰减的εdc，也包含由分裂电容交流电压不均引起的始终存在的εac，因此PI BS对i0暂态过程的影响最大。FT BS以Δu与uft的比较结果产生ε，ε中同样包含εdc和εac。与PI BS不同的是， FT BS产生的εdc和εac都会随分裂电容直流电压不均的消除自动衰减，当直流电压不均消除时，FT BS不再影响i0控制。因此，FT BS对i0控制的影响小于PI BS。
综和图5、图6可以看出，本发明FT BS相较于PLS BS而言，用分裂电容电压差与判定阈值比较的方式产生电压均衡指令，取代了低通滤波器，极大地缩短了分裂电容直流电压均衡的调节时间；相较于PI BS而言，抑制了分裂电容交流电压不均对电压均衡控制的影响，不仅缩短了均压调节时间，还减少了对i0控制的影响。FT BS相较于现有的分裂电容直流电压均衡策略而言具有明显的优越性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡方法，所述STATCOM由分裂电容支路和三相半桥MMC构成，其特征在于，包括以下步骤：
检测分裂电容支路上、下分裂电容电压差Δu；
判断Δu与预设阈值uft的关系，得到均压指令ε；若Δu>uft，则ε＝(uft-Δu)K；若Δu<-uft，则ε＝(Δu-uft)K；否则ε＝0；其中，K为预设的比例系数；所述预设阈值uft的公式为：
Figure FDA0002743958020000011
其中，
Figure FDA0002743958020000012
为参考零序补偿电流的幅值，ω为零序补偿电流角频率，Cs为上、下分裂电容容值；
根据所述均压指令ε得到上、下桥臂参考电压，对MMC进行调制，抑制分裂电容直流电压的不均衡；所述上、下桥臂参考电压
Figure FDA0002743958020000013
的公式为：
Figure FDA0002743958020000014
Figure FDA0002743958020000015
其中，Udc为分裂电容支路总电压，eabcref为补偿电流控制产生的参考电动势。
2.根据权利要求1所述的电压均衡方法，其特征在于，所述分裂电容支路包括上分裂电容和下分裂电容，所述上、下分裂电容串联在一起后并联在所述三相半桥MMC的上、下桥臂之间。
3.根据权利要求2所述的电压均衡方法，其特征在于，所述上、下分裂电容的容值相等。
4.一种三相四线三桥臂STATCOM的分裂电容直流电压均衡系统，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测分裂电容支路上、下电容电压差Δu；
均压指令获取模块，用于判断Δu与预设阈值uft的关系，得到均压指令ε；若Δu>uft，则ε＝(uft-Δu)K；若Δu<-uft，则ε＝(Δu-uft)K；否则ε＝0；其中，K为预设的比例系数；所述预设阈值uft的公式为：
Figure FDA0002743958020000021
其中，
Figure FDA0002743958020000022
为参考零序补偿电流的幅值，ω为零序补偿电流角频率，Cs为上、下分裂电容容值；
调制模块，用于根据均压指令ε得到上、下桥臂参考电压，对MMC进行调制，抑制分裂电容直流电压的不均衡；所述上、下桥臂参考电压
Figure FDA0002743958020000023
Figure FDA0002743958020000024
的公式为：
Figure FDA0002743958020000025
Figure FDA0002743958020000026
其中，Udc为分裂电容支路总电压，eabcref为补偿电流控制产生的参考电动势。
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