CN113376463B - 一种statcom最小启动电压试验装置及方法 - Google Patents

一种statcom最小启动电压试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

发明提供一种基于IEC62927标准的STATCOM最小启动电压试验装置及方法，所述的试验装置包括试品阀、陪试阀、断路器CB01、交流试验电源P1、预充电电阻R1、隔离刀闸QS1、负载电抗器L1、补能电源Ud1；试品阀通过负载电抗器L1和断路器CB01与陪试阀构成回路，交流试验电源P1依次串联隔离刀闸QS1和预充电电阻R1后并联在陪试阀两端，补能电源Ud1连接在陪试阀的任意一个功率单元的直流侧。将试品阀和陪试阀通过电抗器相连，通过补能电源连接陪试阀功率任一单元，即可实现试品阀与陪试阀之间功率的交换，并可实现阀段内电容电压的平衡控制，试验拓扑简单，可实施性较强。可用于完成IEC62927标准的所有稳态运行试验。

Description

一种STATCOM最小启动电压试验装置及方法
技术领域
本发明涉及柔性输电和电力电子应用技术领域，特别涉及一种STATCOM最小启动电压试验装置及方法。
背景技术
静止同步补偿器(STATCOM)是电力电子技术在输配电系统中扮演着一个重要角色，主要用于增强电网稳定性、提高输配电系统功率因数、抑制线路次同步震荡、电弧炉闪变抑制等。随着高压大功率电力电子器件的快速发展，器件容量和性能日益增强，电力设备的可靠性和稳定性也相应提高。
试验是产品样机性能优劣的检验标准，也是产品得以量化的一个重要保障，因此，试验的重要性决不能忽略。
IEC62927规范是针对STATCOM型式试验的重要国际标准和依据，内容详细说明了试验环境(温度、湿度、气压等)、设备参数、冷却系统等具体要求。试验中工况均为STATCOM设备运行的极限工况，对实际系统安装和运行的各种不利条件做了充分的考虑。
实际工程中，STATCOM本体每相由多个阀段组成，功率单元是阀段的子单元。因此，功率单元是否能够长期稳定运行，直接决定了STATCOM系统的可靠性高低。IEC62927标准中对阀段、功率单元规定了多项试验，其中包含了稳态运行试验。最小启动电压试验是稳定运行试验中考核功率单元最低工作电压的标准，即交流电压较低的工况下，设备依然能够启动且工作正常。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种基于IEC62927标准的STATCOM最小启动电压试验装置及方法，可用于完成IEC62927标准的所有稳态运行试验。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种STATCOM最小启动电压试验装置，包括试品阀、陪试阀、断路器CB01、交流试验电源P1、预充电电阻R1、隔离刀闸QS1、负载电抗器L1、补能电源Ud1；试品阀和陪试阀均由多个IGBT功率单元串接而成。
试品阀通过负载电抗器L1和断路器CB01与陪试阀构成回路，交流试验电源P1依次串联隔离刀闸QS1和预充电电阻R1后并联在陪试阀两端，补能电源Ud1连接在陪试阀的任意一个功率单元的直流侧。
所述的一种STATCOM最小启动电压试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下：
步骤一、隔离刀闸QS1合闸后，由交流试验电源P1对陪试阀进行缓慢预充电，当陪试阀内功率单元电容电压上升到目标值后，断开预充电回路；
步骤二、预充电结束后，隔离刀闸QS1分闸，预充电源P1与试验回路断开，补能电源Ud1接通补能功率单元，提供陪试阀阀段解锁运行所需的有功功耗；
步骤三、断路器CB01闭合，陪试阀开环发波，输出交流电压流入试品阀，对试品阀内的功率单元进行充电；
步骤四、当试品阀内的单元电压上升到最小工作电压后，顺控逻辑解锁试品阀内功率单元，通过控制试品阀交流侧输出电压幅值和相位，进而对阀段间电流进行控制。
所述的一种STATCOM最小启动电压试验装置的试验控制方法，包括如下：
1)采用陪试阀段电容电压平均值UdcBFbk(1..n-1)作为试品阀段电容电压PI调节器的参考值，因此，试品阀段总的电容电压会跟随陪试阀段电容电压从初始值升高到试验最终目标电压，试品阀段电容电压PI调节器输出后得到功电流参考值Id，Id与控制器内部模拟的电网电压有功相位cosθ相乘，得到交流有功电流指令；无功电流参考值Iq与控制器内部模拟的电网电压无功相位sinθ相乘后，得到交流无功电流指令；交流有功电流指令和交流无功电流指令相加后，得到试品阀内功率单元桥臂电流给定指令IaRef为了方便控制参数调整，对试品阀内功率单元桥臂实际电流反馈值IaFbk也做了标幺化处理Iarated为试品阀额定电流峰值；
2)采用准PR调节器对试品阀内的桥臂电流做闭环控制，其输出部分作为试品阀阀段间环流在负载电抗器上形成的电压变化量ΔUL；
3)试品阀段两端瞬时前馈ΔUG由两部分组成：陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC和陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB之和；由于控制算法均采用标幺化处理方法，所以SModeB的占比为SModeC的占比为/>由于补能电源连接的功率单元电压是所有单元电压的控制目标值，所以试品阀电容电压均值UdcAFbk和陪试阀电容电压均值UdcBFbk(1..n-1)均需要对UdcBFbkn进行标幺化；ΔUG与调制度M、试品阀电容电压均值标幺值/>相乘后，并与ΔUL相加即可得到试品阀的期望电压调制波SModeA，下发给每个功率单元调制使用。
进一步地，所述的陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB由调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积，并与陪试阀电容电压平均值标幺值相乘得到。
进一步地，所述的陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC需要考虑整体功率单元的功率损耗补偿，因此，除了调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积之外，还需加上试品阀的有功损耗部分ΔUP；试品阀电流给定指令IaRef通过SOGI传递函数后，得到其自身相位由于陪试阀内补能电源连接的功率单元的电容电压是其他单元的目标电压，所以试品阀电容电压平衡控制PI调节器的输入参考为1,反馈值为试品阀电容电压均值UdcAFbk的标幺值，此PI调节器的输出与试品阀指令电流相位相反方向/>乘积后，得到有功损耗补偿部分ΔUP。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的试验装置，将试品阀和陪试阀通过电抗器相连，通过补能电源连接陪试阀功率任一单元，即可实现试品阀与陪试阀之间功率的交换，并可实现阀段内电容电压的平衡控制，试验拓扑简单，可实施性较强；
(2)本发明的试验装置，预充电期间只需对陪试阀进行预充电，且无需真实高压电网连接，采用小功率升压变压器即可，试验成本较低，节省试验场地，降低试验环境需求；
(3)本发明的试验装置，试品阀交流侧输出电压控制灵活，避免了连接真实电网后在负载电感上形成较大压降，更容易实现；
(4)本发明的试验方法，试品阀解锁条件为试品阀内最低功率单元电容电压大于最低器件工作电压，解锁后的交流侧电压为试品阀最小工作电压；
(5)本发明的试验控制方法，试品阀和陪试阀在不同顺控阶段解锁运行，将试品阀、陪试阀、补能单元做为控制拓扑中三个不同组成部分，三者调制信号不同，且相互影响，控制准确率高。
附图说明
图1是本发明的试验装置的拓扑结构图；
图2是本发明的功率单元模块电路原理图；
图3是本发明的试验装置的控制方法拓扑图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种STATCOM最小启动电压试验装置，包括试品阀、陪试阀、断路器CB01、交流试验电源P1、预充电电阻R1、隔离刀闸QS1、负载电抗器L1、补能电源Ud1。
所述试验装置的试品阀阀段由一个或多个功率单元模块级联而成，IGBT功率单元模块电路如图2所示，每个功率单元子模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、电容器Csm、放电电阻Rc、功率单元模块主控板组成；通过控制触发IGBT的导通和关断来控制功率单元模块交流侧的输出电压。
试品阀通过负载电抗器L1和断路器CB01与陪试阀构成回路，交流试验电源P1依次串联隔离刀闸QS1和预充电电阻R1后并联在陪试阀两端，补能电源Ud1连接在陪试阀的任意一个功率单元的直流侧。图1中为最后一个功率单元连接补能电源Ud1。
所述的一种STATCOM最小启动电压试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下：
步骤一、隔离刀闸QS1合闸后，由交流试验电源P1对陪试阀进行缓慢预充电，当陪试阀内功率单元电容电压上升到目标值后，断开预充电回路；
步骤二、预充电结束后，隔离刀闸QS1分闸，预充电源P1与试验回路断开，补能电源Ud1接通补能功率单元，提供陪试阀阀段解锁运行所需的有功功耗；
步骤三、断路器CB01闭合，陪试阀开环发波，输出交流电压流入试品阀，对试品阀内的功率单元进行充电；
步骤四、当试品阀内的单元电压上升到最小工作电压后，顺控逻辑解锁试品阀内功率单元，通过控制试品阀交流侧输出电压幅值和相位，进而对阀段间电流进行控制。
如图3所示，所述的一种STATCOM最小启动电压试验装置的试验控制方法，包括如下：
1)采用陪试阀段电容电压平均值UdcBFbk(1..n-1)(除连接了补能单元的功率单元之外，本实施例为最后一个功率单元n)作为试品阀段电容电压PI调节器的参考值，因此，试品阀段总的电容电压会跟随陪试阀段电容电压从初始值升高到试验最终目标电压，试品阀段电容电压PI调节器输出后得到功电流参考值Id，Id与控制器内部模拟的电网电压有功相位cosθ相乘，得到交流有功电流指令；无功电流参考值Iq与控制器内部模拟的电网电压无功相位sinθ相乘后，得到交流无功电流指令；交流有功电流指令和交流无功电流指令相加后，得到试品阀内功率单元桥臂电流给定指令IaRef为了方便控制参数调整，对试品阀内功率单元桥臂实际电流反馈值IaFbk也做了标幺化处理Iarated为试品阀额定电流峰值；
2)采用准PR调节器对试品阀内的桥臂电流做闭环控制，其输出部分作为试品阀阀段间环流在负载电抗器上形成的电压变化量ΔUL；
3)试品阀段两端瞬时前馈ΔUG由两部分组成：陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC和陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB之和；由于控制算法均采用标幺化处理方法，所以SModeB的占比为SModeC的占比为/>由于补能电源连接的功率单元电压是所有单元电压的控制目标值，所以试品阀电容电压均值UdcAFbk和陪试阀电容电压均值UdcBFbk(1..n-1)均需要对UdcBFbkn进行标幺化；ΔUG与调制度M、试品阀电容电压均值标幺值/>相乘后，并与ΔUL相加即可得到试品阀的期望电压调制波SModeA，下发给每个功率单元调制使用。
所述的陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB由调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积，并与陪试阀电容电压平均值标幺值相乘得到。
所述的陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC需要考虑整体功率单元的功率损耗补偿，因此，除了调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积之外，还需加上试品阀的有功损耗部分ΔUP；试品阀电流给定指令IaRef通过SOGI传递函数后，得到其自身相位由于陪试阀内补能电源连接的功率单元的电容电压是其他单元的目标电压，所以试品阀电容电压平衡控制PI调节器的输入参考为1，反馈值为试品阀电容电压均值UdcAFbk的标幺值，此PI调节器的输出与试品阀指令电流相位相反方向/>乘积后，得到有功损耗补偿部分ΔUP。
图3中的变量解释如下：
UdcBFbk(1..n-1)：用陪试阀段电容电压平均值(除连接了补能单元的功率单元之外，本实施例为最后一个功率单元n)；
UdcAFbk：试品阀内功率单元电容电压平均值；
UdcBFbkn；陪试阀中连接补能电源的功率单元电容电压值；
试品阀段电容电压PI调节器传递函数(陪试阀与试品阀的阀段间电容电压平衡控制)；
试品阀电容电压平衡控制PI调节器传递函数(试品阀自身的电容电压平衡控制)；
cosθ：控制器内部模拟的电网电压有功相位；
sinθ：控制器内部模拟的电网电压无功相位；
M：调制度；
Iq：无功电流参考值，标幺值；
Id：有功电流参考值，标幺值；
n：试品阀和陪试阀功率单元个数(试品阀和陪试阀功率单元个数相同)；
IaRef：试品阀电流给定指令；
IaFbk：试品阀实际电流反馈值；
Iarated：试品阀额定电流峰值；
准PR调节器传递函数(准PR调节器传递函数为现有技术，其中的变量为公知内容，此处不做解释)；
ΔUL：试品电流闭环控制输出；
ΔUG：试品阀两端瞬时前馈；
ΔUP：试品阀的有功损耗补偿部分；
SOGI(二阶广义积分器)的传递函数(SOGI传递函数为现有技术，其中的变量为公知内容，此处不做解释)；
试品阀指令电流相位；
SModeA：试品阀的期望电压调制波；
SModeB：陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波；
SModeC：陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波。
本发明的试验装置及方法有如下特点：
(1)只需对陪试阀中的功率单元进行预充电，预充电电源在单元电压达到目标值后断开充电回路，预充电电源要求较低，小功率升压变压器即可实现；
(2)补能电源可连接陪试阀的任何一个单元，对解锁后的试品阀和陪试阀的有功损耗进行补偿；
(3)试品阀解锁条件为试品阀内最低功率单元电容电压大于最低器件工作电压，解锁后的交流侧电压为试品阀最小工作电压；
(4)顺控逻辑先解锁陪试阀内功率单元，开环输出交流电压对试品阀进行充电。当试品阀电容电压达到目标值后，顺控逻辑解锁试品阀内功率单元，通过控制试品阀交流侧输出电压幅值和相位，进而对阀段间电流进行控制；
(5)陪试阀段中补能的功率单元直接连接补能电源，其电容电压是其他功率单元的目标电压，所以该补能单元不参与平衡控制，只是开环发波，交流侧产生的输出电压交流分量与陪试阀段内的其他模块输出电压交流分量形成一定角度差，从而形成补能单元与其他功率单元之间产生有功功率传输；
(6)试品阀和陪试阀内功率单元的有功电流向量相反，即试品阀电容放电时，陪试阀电容充电，试品阀电容充电时，陪试阀电容放电，从而形成阀段间电容电压的动态平衡；通过闭环控制试品阀输出交流电压的幅值和相位，实现试品阀功率单元桥臂电流的闭环控制，并同时平衡各阀段总体直流电压；
(7)试品阀和陪试阀在不同顺控阶段解锁运行，试品阀、陪试阀、补能单元为控制拓扑中三个不同组成部分，三者调制信号不同，且相互影响，控制准确率高。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.一种STATCOM最小启动电压试验装置的试验控制方法，所述装置包括试品阀、陪试阀、断路器CB01、交流试验电源P1、预充电电阻R1、隔离刀闸QS1、负载电抗器L1、补能电源Ud1；试品阀和陪试阀均由多个IGBT功率单元串接而成；
试品阀通过负载电抗器L1和断路器CB01与陪试阀构成回路，交流试验电源P1依次串联隔离刀闸QS1和预充电电阻R1后并联在陪试阀两端，补能电源Ud1连接在陪试阀的任意一个功率单元的直流侧；
其特征在于，所述试验控制方法包括如下：
1)采用陪试阀段电容电压平均值UdcBFbk(1..n-1)作为试品阀段电容电压PI调节器的参考值，因此，试品阀段总的电容电压会跟随陪试阀段电容电压从初始值升高到试验最终目标电压，试品阀段电容电压PI调节器输出后得到功电流参考值Id，Id与控制器内部模拟的电网电压有功相位cosθ相乘，得到交流有功电流指令；无功电流参考值Iq与控制器内部模拟的电网电压无功相位sinθ相乘后，得到交流无功电流指令；交流有功电流指令和交流无功电流指令相加后，得到试品阀内功率单元桥臂电流给定指令IaRef，为方便控制参数调整，对试品阀内功率单元桥臂实际电流反馈值IaFbk也做标幺化处理Iarated为试品阀额定电流峰值；
2)采用准PR调节器对试品阀内的桥臂电流做闭环控制，其输出部分作为试品阀阀段间环流在负载电抗器上形成的电压变化量ΔUL；
3)试品阀段两端瞬时前馈ΔUG由两部分组成：陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC和陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB之和；由于控制算法均采用标幺化处理方法，所以SModeB的占比为SModeC的占比为/>由于补能电源连接的功率单元电压是所有单元电压的控制目标值，所以试品阀电容电压均值UdcAFbk和陪试阀电容电压均值UdcBFbk(1..n-1)均需要对UdcBFbkn进行标幺化；ΔUG与调制度M、试品阀电容电压均值标幺值/>相乘后，并与ΔUL相加即可得到试品阀的期望电压调制波SModeA，下发给每个功率单元调制使用；
所述的陪试阀内其它功率单元交流侧输出电压调制波SModeB由调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积，并与陪试阀电容电压平均值标幺值相乘得到；
所述的陪试阀内补能电源连接的功率单元交流侧输出电压调制波SModeC需要考虑整体功率单元的功率损耗补偿，因此，除了调制度M与电网电压有功相位cosθ乘积之外，还需加上试品阀的有功损耗部分ΔUP；试品阀电流给定指令IaRef通过SOGI传递函数后，得到其自身相位由于陪试阀内补能电源连接的功率单元的电容电压是其他单元的目标电压，所以试品阀电容电压平衡控制PI调节器的输入参考为1,反馈值为试品阀电容电压均值UdcAFbk的标幺值，此PI调节器的输出与试品阀指令电流相位相反方向/>乘积后，得到有功损耗补偿部分ΔUP。
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新型H桥换流阀运行试验装置;杨尚瑾 等;《高电压技术》;第47卷(第5期);第1713页第1栏至第1718页第1栏，附图1-6 *
电气化铁路用单相链式STATCOM控制策略;周京华;李秋霈;陈亚爱;章小卫;蓝志茂;;电机与控制学报(第12期);全文 *

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CN113376463A (zh) 2021-09-10

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