CN111799816A - 一种角接链式statcom电流优化方法 - Google Patents

一种角接链式statcom电流优化方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种角接链式STATCOM电流优化方法，包括：获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；基于dq指令电流检测方法对三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；对无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；基于零序三次环流获取dq分量电流；基于dq分量电流和预设的参考量获取误差值；对误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；基于零序三次补偿电压对dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。本申请的安全可靠性高。

Description

一种角接链式STATCOM电流优化方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种角接链式STATCOM电流优化方法。
背景技术
电能是当今社会最重要的能源之一，人们的工作和日常生活等都离不开电能的使用。电力系统作为电能的运输载体，保证其安全运行是至关重要的。有功功率和无功功率是电力系统中两种能量的表达形式，有功功率是将电能转换为其他形式的能量消耗掉的电功率，无功功率相对抽象，但有功功率的传输离不开无功功率的支持，因此无功功率对于整个电力系统具有重要的意义。随着电网电压等级的升高，大功率高压静止无功补偿器(STATCOM)的应用愈发广泛，其对于稳定电网电压和减少输配电线路的功率损耗有着至关重要的作用。
STATCOM采用角型连接方式接入系统，可有效避免开关器件并联，提升装置寿命，同时还可进行负序和无功补偿。因此，角型链式STATCOM在众多场合中得到应用。在控制STATCOM输出这一方面，现有技术一般应用电流控制方法，通过指令电流信号进行内环PI控制，实现电流追踪，采用线性、非线性、模糊或神经网络等控制实现STATCOM输出相应的无功补偿电流。
然而本申请的发明人发现，现有技术在应用时，由于链节直流电容的存在，补偿电流将通过开关耦合在直流电容上产生二倍频的电压，该电压将在换流链中形成三倍频的零序电流，而零序电流的产生会危害到电力系统的安全性，因此现有技术存在安全性低的缺点。
发明内容
本申请提供了一种角接链式STATCOM电流优化方法，以解决现有技术安全性低的问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请提供了一种角接链式STATCOM电流优化方法，该方法包括：
获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；
基于dq指令电流检测方法对所述三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；
对所述无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；
基于所述零序三次环流获取dq分量电流；基于所述dq分量电流和预设的参考量获取误差值；
对所述误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；
基于所述零序三次补偿电压对所述dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。
可选的，所述基于dq指令电流检测方法对所述三相换流链电流进行处理，包括：
将所述三相换流链电流进行解析，得到基波分量和谐波分量的叠加形式；
对所述基波分量和谐波分量的叠加形式进行dq变换，得到基波分量；
基于低通滤波器对所述基波分量进行滤波，得到直流分量；
将所述直流分量和所述基波分量做差，得到无功补偿控制电流指令。
可选的，所述将所述三相换流链电流进行解析，公式为：
Figure BDA0002567070740000021
其中：
In+表示n次谐波正序分量；
In-表示n次谐波负序分量；
ω表示同步旋转角度；
t表示时间；
Figure BDA0002567070740000022
表示n次谐波正序分量的相位；
Figure BDA0002567070740000023
表示n次谐波负序分量的相位。
可选的，所述对所述基波分量和谐波分量的叠加形式进行dq变换，包括：
将所述基波分量和谐波分量的叠加形式乘以转换矩阵，公式为：
Figure BDA0002567070740000024
其中：
idΣ表示基波有功分量；
iqΣ表示基波无功分量。
可选的，所述基于所述零序三次环流获取dq分量电流，包括：
获取所述零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达；
对所述电流瞬时表达进行解析，并根据低通滤波器获取dq分量电流。
可选的，所述零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达，表达式为：
i3＝I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω)
其中：
i3表示零序三次环流；
I3d表示零序三次环流的d轴分量；
I3q表示q轴分量；
ω表示同步旋转角度。
可选的，对所述电流瞬时表达进行解析，包括：
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2cos(3ω)：
2i3cos(3ω)＝(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))cos(3ω)
＝2I3dcos(3ω)cos(3ω)+2I3qsin(3ω)cos(3ω)
＝I3d+I3dcos(6ω)+I3qsin(6ω)
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2sin(3ω)：
2i3sin(3ω)＝2(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))sin(3ω)
＝2I3dcos(3ω)sin(3ω)+2I3qsin(3ω)sin(3ω)
＝-I3q+I3qcos(6ω)+I3dsin(6ω)
其中：
第一项-I3q为直流分量；
第二项I3qcos(6ω)和第三项I3dsin(6ω)为交流分量。
可选的，所述对所述误差值进行PR控制，PR控制的传递函数为：
Figure BDA0002567070740000031
其中：
kp为比例系数；
k3th为三次谐振系数；
ωC3th为三次截止频率；
ω3th为谐振频率；
s为误差值。
可选的，还包括：
基于CPS-SPWM载波技术控制角接链式STATCOM的输出。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供了一种角接链式STATCOM电流优化方法，包括：获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；基于dq指令电流检测方法对三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；对无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；基于零序三次环流获取dq分量电流；基于dq分量电流和预设的参考量获取误差值；对误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；基于零序三次补偿电压对dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。本申请首先对指令电流进行检测，并通过PI控制和交叉解耦对指令电流进行追踪，至此实现STATCOM无功功率的双向流动以提升弱交流系统强度；再获取零序三次补偿电压对电流中的零序三次环流进行抑制消除，从而消除零序三次环流带来的危害，保证STATCOM的输出安全。因此本申请的安全可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的角接链式STATCOM电流优化方法的整体流程图；
图2为本申请一个实施例中的指令电流检测示意图；
图3为本申请一个实施例中交叉解耦后d轴、q轴电流的控制框图；
图4为本申请一个实施例中电流优化的整体示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
参见图1，为本申请实施例提供的角接链式STATCOM电流优化方法的整体流程图，该方法包括以下步骤：
S1、获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；
S2、基于dq指令电流检测方法对上述三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；
S3、对上述无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；
S4、基于上述零序三次环流获取dq分量电流；基于上述dq分量电流和预设的参考量获取误差值；
S5、对上述误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；
S6、基于上述零序三次补偿电压对上述dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。
下面对各个步骤进行详细描述：
在步骤S1中，获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流。
具体的，在角接链式STATCOM，获取流过换流链的三相电流和零序三次环流。
在步骤S2，基于dq指令电流检测方法对上述三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令。
具体的，包括以下步骤：
S201、将上述三相换流链电流进行解析，得到基波分量和谐波分量的叠加形式。
具体的，解析公式为：
Figure BDA0002567070740000051
其中：
In+表示n次谐波正序分量；
In-表示n次谐波负序分量；
ω表示同步旋转角度；
t表示时间；
Figure BDA0002567070740000061
表示n次谐波正序分量的相位；
Figure BDA0002567070740000062
表示n次谐波负序分量的相位。
S202、对上述基波分量和谐波分量的叠加形式进行dq变换，得到基波分量。
具体的，将上述基波分量和谐波分量的叠加形式乘以转换矩阵。
转换矩阵为：
Figure BDA0002567070740000063
叠加形式乘以转换矩阵，公式为：
Figure BDA0002567070740000064
其中：
idΣ表示基波有功分量；
iqΣ表示基波无功分量。
由上式可知，换流链电流经dq变换后，正序分量降低一次，负序分量则升高一次，基波分量降低为直流分量。因此d轴的直流分量对应为基波有功分量，q轴的直流分量对应为基波无功分量。
S203、基于低通滤波器对上述基波分量进行滤波，得到直流分量。
S204、将上述直流分量和上述基波分量做差，得到无功补偿控制电流指令。
至此，完成了对指令电流的检测。
如图2所示，为本申请一个实施例中的指令电流检测示意图。
其中，PLL为锁相回路或锁相环，用来统一整合时钟信号，使高频器件正常工作。将三相静止坐标系下的电流ia、ib、ic，电压ua、ub、uc加上相角θ后，根据转换矩阵转换为dq旋转坐标下方程。当图中开关S打开时，得到无功、谐波以及不对称分量的全补偿电流指令信号。S闭合时则仅进行谐波补偿。因此通过dq指令电流检测可准确得到STATCOM无功补偿控制的电流指令。
在步骤S3中，对上述无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流。
具体的，利用PI控制器对检测到的无功补偿控制电流指令个交叉解耦，实现对指令电流的追踪。
如图3所示，为本申请一个实施例中交叉解耦后d轴、q轴电流的控制框图。对于指令电流
Figure BDA0002567070740000071
根据PI控制器进行交叉解耦得到电流Id(Iq)。图中，T为电流采样时间常数，Kp、Ki分别为PI控制器的比例与积分常数。KM为PWM增益常数，TM为时间常数。
在步骤S4中，基于上述零序三次环流获取dq分量电流；基于上述dq分量电流和预设的参考量获取误差值。
具体的，包括以下步骤：
S4011、获取上述零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达。
具体的，表达式为：
i3＝I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω)
其中：
i3表示零序三次环流；
I3d表示零序三次环流的d轴分量；
I3q表示q轴分量；
ω表示同步旋转角度。
S4012、对上述电流瞬时表达进行解析，并根据低通滤波器获取dq分量电流。
具体的，解析过程包括：
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2cos(3ω)：
2i3cos(3ω)＝(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))cos(3ω)
＝2I3dcos(3ω)cos(3ω)+2I3qsin(3ω)cos(3ω)
＝I3d+I3dcos(6ω)+I3qsin(6ω)
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2sin(3ω)：
2i3sin(3ω)＝2(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))sin(3ω)
＝2I3dcos(3ω)sin(3ω)+2I3qsin(3ω)sin(3ω)
＝-I3q+I3qcos(6ω)+I3dsin(6ω)
其中：
第一项-I3q为直流分量；
第二项I3qcos(6ω)和第三项I3dsin(6ω)为交流分量。
通过低通滤波器可得到三次环流i3在同步旋转坐标下的直轴分量I3d与交轴分量I3q。
S402、基于上述dq分量电流和预设的参考量获取误差值。
在本申请实施例中，设定直轴参考分量I* 3d与交轴参考分量I* 3q为零。通过将实际值与参考量相减得到误差值。
在步骤S5中，对上述误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压
具体的，PR控制的传递函数为：
Figure BDA0002567070740000081
其中：
kp为比例系数；
k3th为三次谐振系数；
ωC3th为三次截止频率；
ω3th为谐振频率；
s为误差值。
在步骤S6中，基于上述零序三次补偿电压对上述dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。
具体的，通过零序三次补偿电压用以抑制dq解耦电流中的零序三次环流，实现了STATCOM电流优化，保证STATCOM装置平滑稳定地支撑交直流系统的无功波动，提升了系统稳定性和安全性。
在本申请一个实施例中，如图4所示，图4为电流优化的整体示意图，电流优化的流程为：
对于换流链三相电流iab、ibc、ica，经dq变换后，正序分量降低一次，负序分量则升高一次，基波分量降低为直流分量，d轴直流分量id对应为基波有功分量，q轴直流分量iq对应为基波无功分量。由系统级控制的母线电压控制外环得出直轴电流参考量i′d，无功检测计算出的无功全补偿指令电流交轴为电流参考量i′q。系统交直轴电流参考量与实际量相比较得出交直轴误差电流ied、ieq，后将ied、ieq进行比例积分控制。经由数学解析计算并经低通滤波器滤波后得出零序三次环流的dq分量电流I3q、I3d，根据dq分量电流和参考值做差，并采用PR控制器输出零序三次补偿电压以抑制换流链中的零序环流。至此完成了对STATCOM电流的优化。
本申请实施例还包括：
S7、基于CPS-SPWM载波技术控制角接链式STATCOM的输出。
具体的，CPS-SPWM载波技术为现有技术。CPS-SPWM的全称是载波移相正弦脉宽调制(CarrierPhaseShift-SinusoidalPulseWidthModulation)。CPS-SPWM技术是在综合自然采样SPWM技术和多重化技术的基础上产生的，根据逆变电路的串联的级数，将三角形载波进行相应级数的移相，仍利用调制正弦波与载波比较，在交点时刻控制开关器件的通断，以此产生电路的调制波形。该技术能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
本申请实施例提供了一种角接链式STATCOM电流优化方法，包括：获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；基于dq指令电流检测方法对三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；对无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；基于零序三次环流获取dq分量电流；基于dq分量电流和预设的参考量获取误差值；对误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；基于零序三次补偿电压对dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。本申请首先对指令电流进行检测，并通过PI控制和交叉解耦对指令电流进行追踪，至此实现STATCOM无功功率的双向流动以提升弱交流系统强度；再获取零序三次补偿电压对电流中的零序三次环流进行抑制消除，从而消除零序三次环流带来的危害，保证STATCOM的输出安全。因此本申请的安全可靠性更高。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种角接链式STATCOM电流优化方法，其特征在于，所述方法包括：
获取角接链式STATCOM的三相换流链电流和零序三次环流；
基于dq指令电流检测方法对所述三相换流链电流进行处理，得到无功补偿控制电流指令；
对所述无功补偿控制电流指令进行交叉解耦PI控制，得到dq解耦电流；
基于所述零序三次环流获取dq分量电流；基于所述dq分量电流和预设的参考量获取误差值；
对所述误差值进行PR控制，得到零序三次补偿电压；
基于所述零序三次补偿电压对所述dq解耦电流进行零序环流抑制，实现STATCOM电流优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于dq指令电流检测方法对所述三相换流链电流进行处理，包括：
将所述三相换流链电流进行解析，得到基波分量和谐波分量的叠加形式；
对所述基波分量和谐波分量的叠加形式进行dq变换，得到基波分量；
基于低通滤波器对所述基波分量进行滤波，得到直流分量；
将所述直流分量和所述基波分量做差，得到无功补偿控制电流指令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述三相换流链电流进行解析，公式为：
Figure FDA0002567070730000011
其中：
In+表示n次谐波正序分量；
In-表示n次谐波负序分量；
ω表示同步旋转角度；
t表示时间；
Figure FDA0002567070730000012
表示n次谐波正序分量的相位；
Figure FDA0002567070730000013
表示n次谐波负序分量的相位。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述基波分量和谐波分量的叠加形式进行dq变换，包括：
将所述基波分量和谐波分量的叠加形式乘以转换矩阵，公式为：
Figure FDA0002567070730000021
其中：
idΣ表示基波有功分量；
iqΣ表示基波无功分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述零序三次环流获取dq分量电流，包括：
获取所述零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达；
对所述电流瞬时表达进行解析，并根据低通滤波器获取dq分量电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达，表达式为：
i3＝I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω)
其中：
i3表示零序三次环流；
I3d表示零序三次环流的d轴分量；
I3q表示q轴分量；
ω表示同步旋转角度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述电流瞬时表达进行解析，包括：
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2cos(3ω)：
2i3cos(3ω)＝(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))cos(3ω)
＝2I3dcos(3ω)cos(3ω)+2I3qsin(3ω)cos(3ω)
＝I3d+I3dcos(6ω)+I3qsin(6ω)
将零序三次环流在同步旋转坐标下的电流瞬时表达式等号两端同时乘以2sin(3ω)：
2i3sin(3ω)＝2(I3dcos(3ω)+I3qsin(3ω))sin(3ω)
＝2I3dcos(3ω)sin(3ω)+2I3qsin(3ω)sin(3ω)
＝-I3q+I3qcos(6ω)+I3dsin(6ω)
其中：
第一项-I3q为直流分量；
第二项I3qcos(6ω)和第三项I3dsin(6ω)为交流分量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述误差值进行PR控制，PR控制的传递函数为：
Figure FDA0002567070730000031
其中：
kp为比例系数；
k3th为三次谐振系数；
ωC3th为三次截止频率；
ω3th为谐振频率；
s为误差值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于CPS-SPWM载波技术控制角接链式STATCOM的输出。
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