CN113300381A - 不平衡工况下链式statcom的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种不平衡工况下链式STATCOM的控制方法。其中,该方法包括:基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围;基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策略;基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式STATCOM的正负序双环控制策略;基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。本公开通过结合反馈和前馈的零序电压注入的相间均衡控制策略,采用正负序电流控制策略补偿不平衡负载,达到同时补偿无功电流和负序电流的目的。
Description
技术领域
本公开涉及电力电子领域,具体而言,涉及一种不平衡工况下链式 STATCOM的控制方法。
背景技术
不平衡工况包括电网不平衡和负载不平衡两种,其中,负载不平衡 可分为三相不平衡负载和单相不平衡负载,如单相负载电力机车和电弧 炉均能导致较严重的负载电流不平衡,影响用户的稳定运行,因此,链 式STATCOM需对负载电流不平衡进行补偿。
在实际电力系统中,电网电压并不是完全平衡的,主要是由于负荷 不平衡电流在系统传输线路中会产生压降,或电力系统故障造成的。因 此,为保证链式STATCOM在一定电网不平衡度的范围内正常并网运行、 进行无功补偿、支撑电压,需对系统在不平衡工况下的控制进行研究。
链式STATCOM在补偿不平衡负载时需要输出负序电流,而负序电 流会导致三相输入功率不相等,造成相间直流侧电压不均衡。不仅如此, 三相电网不平衡补偿对称无功功率时,由于三相吸收的输入功率不一 致,也会造成相间直流侧电压不均衡。因此,为保证链式STATCOM的 正常运行,首先需要解决不平衡工况下三相间的有功功率分配问题,目 前常采用负序电流注入法和零序电流注入法。其中,负序电流注入法会 给电网引入负序电流,污染电网,不适用于不平衡负载补偿。
因此,需要一种或多种方法解决上述问题。
需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公 开的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现 有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种不平衡工况下链式STATCOM的控制方 法,进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一 个或者多个问题。
根据本公开的一个方面,提供一种不平衡工况下链式STATCOM的 控制方法,包括:
基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模 型,生成零序电压注入范围;
基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系下的数学模 型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策略;
基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM的相间功率模型中 补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式STATCOM的正负序双 环控制策略;
基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略,实现对不平 衡工况下链式STATCOM的控制。
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于链式STATCOM的相间 功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包 括:
对不平衡工况下链式STATCOM进行相间功率特性分析,生成各相的 平均功率表达式。
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于链式STATCOM的相间 功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包 括:
基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模 型,采用相量形式可将零序电压表示为:U0=V0∠θ0,
其中,V0为零序电压有效值;θ0为零序电压初始相位。
零序电压对应三相有功功率为:
其中,P0a、P0b、P0c为三相平均功率,P0a+P0b+P0c=0,I+、I-分别为补 偿电流正、负序的有效值,θ+、θ-分别为正、负序电压的初始相位。
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于链式STATCOM的相间 功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包 括:
零序电压的幅值和相角可表示为:
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于链式STATCOM的相间 功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序 电压注入控制策略还包括:
将所述链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系转化,并将 三相相间平均电压的反馈输出作为反馈控制,不平衡电网和不平衡负载电 流引起的三相之间功率的偏差量作为前馈控制,生成零序电压注入控制策 略。
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于解耦双同步参考坐标系 提取链式STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量还包括:
链式STATCOM不平衡负载电流正、负序分量表达式为:
其中,上标“+”代表正序分量;上标“-”代表负序分量;I+、I-分别为正、 负序负载电流的幅值;θi+,θi-分别为正、负序负载电流的初始相角;
在本公开的一种示例性实施例中,所述基于解耦双同步参考坐标系 提取链式STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不 平衡工况下链式STATCOM的正负序双环控制策略还包括:
根据补偿电流的正、负序分量生成正、负序双同步旋转坐标系下链式 STATCOM的表达式,并根据电流前馈解耦控制策略生成不平衡工况下链 式STATCOM的正负序双环控制策略。
在本公开的一种示例性实施例中,所述步骤还包括:
基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略生成控制调 制量,基于所述控制调制量控制载波移相PWM模块,实现对不平衡工况 下链式STATCOM的控制。
本公开的示例性实施例中的不平衡工况下链式STATCOM的控制方 法,该方法包括:基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标 系下的数学模型,生成零序电压注入范围;基于链式STATCOM的相间 功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零 序电压注入控制策略;基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM 的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式 STATCOM的正负序双环控制策略;基于所述零序电压注入控制策略及 正负序双环控制策略,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。本 公开通过结合反馈和前馈的零序电压注入的相间均衡控制策略,采用正 负序电流控制策略补偿不平衡负载,达到同时补偿无功电流和负序电流 的目的。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解 释性的,并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例,本公开的上述和其它特征 及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本公开一示例性实施例的不平衡工况下链式 STATCOM的控制方法的流程图;
图2示出了根据本公开一示例性实施例的零序电压叠加原理相量 图;
图3示出了根据本公开一示例性实施例的基于零序电压的相间控制 框图;
图4示出了根据本公开一示例性实施例的解耦双同步坐标系的电流 检测原理图;
图5A-5B示出了根据本公开一示例性实施例的正负序电流控制器框 图;
图6示出了根据本公开一示例性实施例的正负序双环控制系统框 图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而,示例实施例能够 以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施例;相反,提供 这些实施例使得本公开将全面和完整,并将示例实施例的构思全面地传 达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部 分,因而将省略对它们的重复描述。
此外,所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一 个或更多实施例中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本 公开的实施例的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践 本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多,或者可以采用 其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出 或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开 的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体,不一定必须与物理上独立的 实体相对应。即,可以采用软件形式来实现这些功能实体,或在一个或 多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分,或在不 同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本示例实施例中,首先提供了一种不平衡工况下链式STATCOM 的控制方法;参考图1中所示,该不平衡工况下链式STATCOM的控制 方法可以包括以下步骤:
步骤S110,基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系 下的数学模型,生成零序电压注入范围;
步骤S120,基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系 下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策略;
步骤S130,基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM的相间 功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式STATCOM 的正负序双环控制策略;
步骤S140,基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略, 实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。
本公开的示例性实施例中的不平衡工况下链式STATCOM的控制方 法,该方法包括:基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标 系下的数学模型,生成零序电压注入范围;基于链式STATCOM的相间 功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零 序电压注入控制策略;基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM 的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式 STATCOM的正负序双环控制策略;基于所述零序电压注入控制策略及 正负序双环控制策略,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。本 公开通过结合反馈和前馈的零序电压注入的相间均衡控制策略,采用正 负序电流控制策略补偿不平衡负载,达到同时补偿无功电流和负序电流 的目的。
下面,将对本示例实施例中的不平衡工况下链式STATCOM的控制 方法进行进一步的说明。
在步骤S110中,可以基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静 止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围。
在本示例的实施例中,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在三 相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包括:
对不平衡工况下链式STATCOM进行相间功率特性分析,生成各相的 平均功率表达式。
在本示例的实施例中,由于正序电压的初相角为零,电网电压用相量 可表示
式(4-1)中,E+、E-分别为电网电压正、负序有效值;θu-为电网负序 电压的初相角。
同理,忽略谐波分量,补偿电流可表示为
式(4-2)中,I+、I-分别为补偿电流正、负序的有效值;θi+、θi-分别为 电网正、负序电压的初始相位。
根据式(4-1)和式(4-2)可得各相的平均功率表达式为
式(4-3)中,三个等式右侧第一项和第二项分别为正序电压和正序电 流、负序电压和负序电流产生相等的有功功率,说明这两项会影响总有功 功率,但不会引起三相间功率转移;第三项和第四项分别为正序电压和负 序电流、负序电压和正序电流产生的三相有功功率,这两项产生的有功功 率之和为零,不会影响总有功功率输出,但由于三相间有功功率不一致, 会引起三相之间的有功功率转移。由上述功率分析可知,在不平衡工况下,三相间的平均功率不一致,即三相吸收电网的功率不一致,会引起三相间 直流侧电压不均衡,从而影响链式STATCOM的正常运行。为了实现三相 之间直流侧电压的均衡,需采用相间均衡控制,使三相间有功功率保持一 致。
在本示例的实施例中,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在三 相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包括:
基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模 型,采用相量形式可将零序电压表示为:U0=V0∠θ0,
其中,V0为零序电压有效值;θ0为零序电压初始相位。
零序电压对应三相有功功率为:
其中,P0a、P0b、P0c为三相平均功率,P0a+P0b+P0c=0,I+、I-分别为补 偿电流正、负序的有效值,θ+、θ-分别为正、负序电压的初始相位。
在本示例的实施例中,由式(4-3)可知,当三相有功功率不一致时,可 以采用注入负序电流或负序电压来改变三相系统间的功率分配,但该方法 会给系统引入负序电流,二次污染电网。
在三相系统中,注入零序电压不会影响电网的线电压,因此可以分析 注入零序电压时的功率模型。
采用相量形式可将零序电压表示为
U0=V0∠θ0 (4-4)
式(4-4)中,V0为零序电压有效值;θ0为零序电压初始相位。
零序电压对应三相有功功率为
由式(4-5)可知,三相平均功率P0a、P0b、P0c不同,但P0a+P0b+P0c=0。 说明零序电压可以对三相间的有功功率进行调节,且不影响三相总有功功 率。因此,本章采用注入零序电压的方法来平衡三相间的有功功率。
由式(4-3)可知,系统每相吸收功率的偏差量可表示为
为了计算方便,可以将系统三相功率进行坐标变换,得到αβ坐标系 下的三相功率表达式为
同理,将零序功率在αβ坐标系下进行变换,可得表达式为
为了使三相之间功率相同,需要使注入零序电压产生的有功功率抵消 三相功率间的偏差量,可得
由式(4-7)~式(4-9)可得
若忽略系统装置的损耗,此时正序电压与正序电流相位夹角为90°或 -90°,负序电压与负序电流相位的夹角为90°,即θi+=90°或-90°,若以 θi+=90°为例,可得零序电压叠加原理相量图如图2所示。
在本示例的实施例中,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在三 相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包括:
零序电压的幅值和相角可表示为:
在本示例的实施例中,根据式(4-10)与图2可得
由式(4-11)可得零序电压表达式为
定义电网电压不平衡度为
电流不平衡度为
将式(4-13)和式(4-14)代入式(4-11),可得零序电压u0的表达式为
由式(4-15)可知,零序电压与电网电压不平衡度、补偿电流不平衡度、 负序电压初相角、负序电流初相角及电网正序电压有关,即
u0=E+f(ku,ki,θu-,θi-) (4-16)
零序电压的幅值和相角可表示为
在已知负序电压相角和负序电流相角的情况下,可得零序电压在电压 和电流平衡度不同时,所得到的幅值及相角变化范围。
在步骤S120中,可以基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静 止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策 略。
在本示例的实施例中,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在两 相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制 策略还包括:
将所述链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系转化,并将 三相相间平均电压的反馈输出作为反馈控制,不平衡电网和不平衡负载电 流引起的三相之间功率的偏差量作为前馈控制,生成零序电压注入控制策 略。
在本示例的实施例中,由式(4-7)可得在dq旋转坐标系下的功率表达 式为
由式(4-8)可得在dq旋转坐标系下的功率表达式为
根据以上分析,可得出的零序电压注入法控制策略如图3所示。
由图3所知,ΔPα、ΔPβ为三相相间平均电压的反馈输出,可视为反 馈控制;ΔPsα、ΔPsβ为不平衡电网和不平衡负载电流引起的三相之间功率 的偏差量,可视为前馈控制。将上述两部分功率通过零序电压的注入抵消, 可得
将式(4-18)、式(4-19)代入式(4-20)可得零序电压表达式为
由三角函数可求得零序电压u0的表达式为
式(4-22)中,cos(ωt)和sin(ωt)可以通过锁相环获得。上述公式无需复 杂的反三角函数运算和开方运算,相对传统方法零序电压推导,上述所提 的零序电压推导方法更加简单直观。
在步骤S130中,可以基于解耦双同步参考坐标系提取链式 STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况 下链式STATCOM的正负序双环控制策略。
在本示例的实施例中,所述基于解耦双同步参考坐标系提取链式 STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量还包括:
链式STATCOM不平衡负载电流正、负序分量表达式为:
其中,上标“+”代表正序分量;上标“-”代表负序分量;I+、I-分别为正、 负序负载电流的幅值;θi+,θi-分别为正、负序负载电流的初始相角;
在本示例的实施例中,所述基于解耦双同步参考坐标系提取链式 STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况 下链式STATCOM的正负序双环控制策略还包括:
根据补偿电流的正、负序分量生成正、负序双同步旋转坐标系下链式 STATCOM的表达式,并根据电流前馈解耦控制策略生成不平衡工况下链 式STATCOM的正负序双环控制策略。
在本示例的实施例中,为综合补偿无功和负序电流,首先需对二者进 行检测。通过采用基于解耦双同步参考坐标系的正、负序分量提取方法, 可以快速准确的获取补偿电流的正、负序分量。
忽略谐波分量,不平衡负载电流可分解为正、负序分量,其表达式为
式(4-23)中,上标“+”代表正序分量;上标“-”代表负序分量;I+、 I-分别为正、负序负载电流的幅值;θi+,θi-分别为正、负序负载电流的初 始相角。
通过正负序坐标变换,可得电流正、负序的表达式为
交流量即为解耦方程,其表达式为
根据式(4-26)可得如图4所示电流检测框图。
为控制正、负序电流,需要构造两个坐标系下的控制器及正、负序双 同步参考坐标系控制结构。在不平衡工况下,电网电压表达式为
补偿电流表达式为
式(4-27)、式(4-28)中,上标“+”代表正序分量;上标“-”代表负序 分量;esa +、esa -分别为正、负序电网电压,ica +、ica -分别为正、负序补偿电 流。
在三相静止坐标系下,得到的正、负序的链式STATCOM交流侧数学 模型为
将式(4-29)进行正序旋转坐标变换,式(4-30)进行负序旋转坐标变换, 可得到正、负序双同步旋转坐标系下链式STATCOM的表达式为
根据链式STATCOM的数学模型,采用第二章的电流前馈解耦控制策 略,可得如图5A-5B所示的正、负序电流控制器控制框图。
在步骤S140中,可以基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环 控制策略,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。
在本示例的实施例中,所述步骤还包括:基于所述零序电压注入控 制策略及正负序双环控制策略生成控制调制量,基于所述控制调制量控 制载波移相PWM模块,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。
在本示例的实施例中,正、负序电流控制器的输出经反变换可以得 到abc坐标系下的调制量,最后将二者相加送入载波移相PWM模块。根 据以上分析,可得如图6所示的正负序双环控制系统整体控制框图。
需要说明的是,尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各 个步骤,但是,这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步 骤,或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选 的,可以省略某些步骤,将多个步骤合并为一个步骤执行,以及/或者将 一个步骤分解为多个步骤执行等。
此外,上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理 的示意性说明,而不是限制目的。易于理解,上述附图所示的处理并不 表明或限制这些处理的时间顺序。另外,也易于理解,这些处理可以是 例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想 到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、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公开的一般性原理 并包括本公开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,本公开的真正范围和精神由权利要求指 出。
应当理解的是,本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的 精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范 围仅由所附的权利要求来限。
Claims (8)
1.一种不平衡工况下链式STATCOM的控制方法,其特征在于,所述方法包括:
基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围;
基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策略;
基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式STATCOM的正负序双环控制策略;
基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在三相静止坐标系下的数学模型,生成零序电压注入范围还包括:
对不平衡工况下链式STATCOM进行相间功率特性分析,生成各相的平均功率表达式。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系下的数学模型及零序电压注入范围,生成零序电压注入控制策略还包括:
将所述链式STATCOM的相间功率模型在两相静止坐标系转化,并将三相相间平均电压的反馈输出作为反馈控制,不平衡电网和不平衡负载电流引起的三相之间功率的偏差量作为前馈控制,生成零序电压注入控制策略。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于解耦双同步参考坐标系提取链式STATCOM的相间功率模型中补偿电流的正、负序分量,生成不平衡工况下链式STATCOM的正负序双环控制策略还包括:
根据补偿电流的正、负序分量生成正、负序双同步旋转坐标系下链式STATCOM的表达式,并根据电流前馈解耦控制策略生成不平衡工况下链式STATCOM的正负序双环控制策略。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤还包括:
基于所述零序电压注入控制策略及正负序双环控制策略生成控制调制量,基于所述控制调制量控制载波移相PWM模块,实现对不平衡工况下链式STATCOM的控制。
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