CN113452032A - 一种星形级联h桥statcom不平衡电流补偿拓扑及补偿方法 - Google Patents

一种星形级联h桥statcom不平衡电流补偿拓扑及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿拓扑及补偿方法，级联H桥STATCOM的主回路每相由N个H桥串联而成，以星形方式连接。STATCOM输出正序无功电流用于提高功率因数，稳定系统电压。当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出能力范围内，则可将并网点处三相电流补至完全对称，若超出补偿范围，则以最大值补偿。本发明有如下优点：在电网电压不对称跌落时，在维持STATCOM直流侧电压稳定的基础上，还能补偿负载处的负序电流，降低并网点电流不平衡度。

Description

一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿拓扑及补偿方法
技术领域
本发明涉及电压电流控制技术领域，具体为一种星形级联H桥STATCOM的不平衡电流补偿方法。
背景技术
随着现代化工业技术的发展，电力系统中投入越来越多的非线性负载，对电力系统稳定性提出了挑战。静止同步补偿器(STATCOM)正广泛投入电力系统中，用于改善功率因数，稳定系统电压。其中星形级联H桥拓扑由于结构简单、易于拓展、模块化、谐波特性好等优点，被广泛用于中高压电网的STATCOM。
电网电压不平衡状态下，星形级联H桥STATCOM由于没有零序电流通路，其负序电流输出能力及功率平衡能力受到限制，目前的研究一直停留在单纯维持STATCOM稳定运行阶段。通过正序电流与零序电压、负序电压的功率平衡来推导零序电压注入量。此种方法虽能维持直流侧电压均衡，却不能补偿负序电压在负载侧产生的不平衡电流，故而提出一种基于前馈与反馈结合的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，在电网电压任意不平衡状态下，在保证直流侧电压稳定的基础上，解决了补偿负载侧不平衡电流的问题，并得出了最大补偿范围的理论值。
为实现上述在电网电压任意不平衡状态下维持直流侧电压稳定，同时补偿负载侧不平衡电流的目的，本发明提出如下技术方案：一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，包括：级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥串联而成，以星形方式连接。STATCOM输出正序无功电流用于提高功率因数，稳定系统电压。当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出能力范围内，则可使得并网点处电流补至对称，若超出补偿范围，则以最大值补偿。为平衡直流侧电压，还需采用零序电压注入的方法，可通过前馈加反馈的方式实现。反馈已有成熟的方法，但反馈的方法动态性能差，只能起小幅校正的作用，前馈的方法需通过计算得出，将前馈和反馈进行归一化叠加后可得出零序调制波注入量。零序调制波与正负序电流控制环的输出叠加可得到三相调制波，再通过相内均压模块，即可得到各单元输出电压的指令值。
一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿拓扑，其特征在于，包括：级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥逆变器串联而成，以星形方式连接并通过电感连接到电网中，连接电感起滤除高次谐波的作用。
一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，其特征在于，包括：
当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出能力范围内，则可使得并网点处电流补至平衡，若超出补偿范围，则以最大值补偿；
为平衡直流侧电压，采用零序电压注入的方法，可通过前馈结合反馈的方式实现；将前馈和反馈进行归一化叠加后可得出零序调制波注入量；零序电压调制波与正负序电压调制波叠加可得到三相调制波，再通过相内均压模块，即可得到各单元输出电压的调制波。
在上述的一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，具体实现步骤如下：
1)检测负载处产生的电流，得到电流的正序分量和负序分量；
2)对步骤1)得到的正序分量和负序分量分别做abc/dq变换，得到正负序有功分量和无功分量，并将正序无功分量作为STATCOM输出电流的正序分量的指令值；
3)将步骤2)得到的负序无功分量作为STATCOM输出负序电流的无功分量的指令值；
4)根据STATCOM三相交流侧电压峰值的最大值小于直流侧电压，对步骤2)检测到的负序有功分量加以约束；三相交流侧电压可以表示为
Figure BDA0003127487600000041
其中
Figure BDA0003127487600000042
表示三相电网电压，
Figure BDA0003127487600000043
表示STATCOM中性点电压，
Figure BDA0003127487600000044
表示三相滤波电感电压；
5)将步骤4)求得的指令值与STATCOM输出电流分别在正负序dq坐标系下经过比例积分调节器控制，再经过dq/abc变换，得到正序电压和负序电压的调制波mp，mn；
6)将步骤5)求得的调制波与零序电压调制波m0相加，经过直流电压相内控制与CPS-SPWM，即可得到IGBT驱动信号。
在上述的一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，所述的直流侧电压均衡方法分为三层控制，其具体实现步骤如下：
1)第一层为直流电压总体控制，检测STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci，i＝1,2…N，得到3N个直流电压值，计算每相N个H桥模块直流电压的和Udcai、Udcbi、Udcci，求出三相直流侧电压之和的平均值Udcref，以Udcref为指令值，通过PI控制器进行控制；
2)第二层为直流电压相间控制，调制波由正序、负序、零序三个分量组成，正负序调制波由权利要求1步骤5)得到，零序电压调制波根据三相功率分别为0计算得到；将三个分量相加得到经归一化处理的三相直流电压参考值；
3)直流电压相内控制，可通过在每单元叠加与输出电流同相或反相的电压控制每个级联H桥单元电压大小。
(三)有益效果
与现有的技术相比，本发明提供了一种星形级联H桥STATCOM相间直流电压均衡控制方法，具备以下有益效果：
1、该星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥串联而成，以星形方式连接。STATCOM输出正序无功电流用于提高功率因数，稳定系统电压。当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出范围内，则可使得并网点处电流补至对称，若超出补偿范围，则以最大值补偿。在不加额外电路的情况下，目前的理论研究仅进展到平衡级联H桥STATCOM直流侧电压这一步，工业应用也因无理论支撑，仅仅采用保守的补偿方法。本方法为工业应用的不平衡电流补偿策略提供了很好的理论指导。
2、该星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，该星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥串联而成，以星形方式连接。STATCOM输出正序无功电流用于提高功率因数，稳定系统电压。当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出范围内，则可使得并网点处电流补至对称，若超出补偿范围，则以最大值补偿。本方法采用前馈与反馈结合的方法注入零序电压，前馈的方法可精确计算出所需注入零序电压调制波的幅值和相位，提高了控制的动态性能。反馈的方法可对装置有功功率损耗等复杂因素进行校正，提高了装置工作的可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法的主电路拓扑。
图2为本发明提出的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法的正序、负序、零序分量提取方法。
图3为本发明提出的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法的整体控制方法。
图4为本发明提出的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法的电网电压单相跌落时的负序电流补偿范围。
图5为本发明提出的星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法的电网电压两相跌落时的负序电流补偿范围。
图6a表示电网电压单相跌落时负载侧和STATCOM输出的正序无功电流。
图6b表示电网电压单相跌落时负载侧和STATCOM输出的负序无功电流。
图6c表示电网电压单相跌落时负载侧和STATCOM输出的负序有功电流。
图7a表示电网电压单相跌落时的电网电压波形。
图7b表示电网电压单相跌落时的STATCOM直流侧电压波形。
图7c表示电网电压单相跌落时的并网点电流。
图7d表示电网电压单相跌落时的STATCOM输出电流。
图8表示电网电压单相跌落时的STATCOM中性点电压。
图9a表示电网电压两相跌落时负载侧和STATCOM输出的正序无功电流。
图9b表示电网电压两相跌落时负载侧和STATCOM输出的负序无功电流。
图9c表示电网电压两相跌落时负载侧和STATCOM输出的负序有功电流。
图10a表示电网电压两相跌落时的电网电压波形。
图10b表示电网电压两相跌落时的STATCOM直流侧电压波形。
图10c表示电网电压两相跌落时的并网点电流。
图10d表示电网电压两相跌落时的STATCOM输出电流。
图11表示电网电压两相跌落时的STATCOM中性点电压。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一：三相电网和组感性负载之间并联一级联H桥STATCOM，0.15s，电网电压A相跌落至0，STATCOM输出正序无功电流用于无功补偿，输出负序电流用于补偿负载侧负序电流。具体实现步骤如下：
1)检测负载处产生的电流，参见图2，得到电流的正序分量和负序分量；
2)对步骤1)得到的正序分量和负序分量分别做abc/dq变换，得到正负序有功分量和无功分量，并将正序无功分量作为STATCOM输出电流的正序分量的指令值；
3)将步骤2)得到的负序无功分量作为STATCOM输出负序电流的无功分量的指令值。
4)对步骤2)检测到的负序有功分量加以约束。电网电压单相跌落时，负序有功电流的补偿范围参见图4。其中s表示STATCOM输出负序无功分量与负序有功分量的比值，k表示电网电压单相跌落深度，曲面表示STATCOM交流侧电压最大值，平面表示STATCOM直流侧电压，曲面低于平面的范围为安全范围。工程应用中可联系实际的直流侧电压值和电网电压值选取合适补偿范围理论值。若步骤2)检测到的负序有功电流在安全范围以内，则将检测到的负序有功分量作为STATCOM输出负序电流的的有功分量指令值，否则以安全范围内不大于检测到的负序有功分量的最大值作为STATCOM输出负序有功电流的指令值。
5)将步骤4)求得的指令值与STATCOM输出电流分别在正负序dq坐标系下经过比例积分控制器调整，再经过dq/abc变换，得到正序电压和负序电压的调制波mp，mn。
所述的直流侧电压均衡方法参见图3，分为三层控制，具体实现方式如下：
1)第一层为直流电压总体控制，检测STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i＝1,2…N)，得到3N个直流电压值，计算每相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc，求出三相直流侧电压之和的平均值Udcref；
2)第二层为直流电压相间控制，调制波由正序、负序、零序三个分量组成，正负序调制波由正负序电流控制环的输出得到，零序电压调制波注入量m0表达式如下：
Figure BDA0003127487600000091
Figure BDA0003127487600000092
Figure BDA0003127487600000093
Figure BDA0003127487600000094
其中
Figure BDA0003127487600000095
为STATCOM的A相、B相输出电流相角，
Figure BDA0003127487600000096
为A相跌落时的注入零序电压相角表达式，B、C相跌落时
Figure BDA0003127487600000097
需分别减小
Figure BDA0003127487600000101
增大
Figure BDA0003127487600000102
3)直流电压相内控制，可通过在每单元叠加与输出电流同相或反相的电压控制每单元电压大小。
实施例二：
三相电网和组感性负载之间并联一级联H桥STATCOM，0.15s，电网电压BC两相同时跌落至0.2倍，STATCOM输出正序无功电流用于无功补偿，输出负序电流用于补偿负载侧负序电流。具体实现步骤如下：
1)检测负载处产生的电流，参见图2，得到电流的正序分量和负序分量；
2)对步骤1)得到的正序分量和负序分量分别做abc/dq变换，得到正负序有功分量和无功分量，并将正序无功分量作为STATCOM输出电流的正序分量的指令值；
3)将步骤2)得到的负序无功分量作为STATCOM输出负序电流的无功分量的指令值。
4)对步骤2)检测到的负序有功分量加以约束，电网电压两相跌落至同一深度时，负序有功电流的补偿范围参见图5。其中1/k表示两相跌落深度的倒数，曲面低于平面的范围为安全范围理论值。工程应用中可联系实际的直流侧电压值和电网电压值选取合适补偿范围。若步骤2)检测到的负序有功电流在安全范围以内，则将检测到的负序有功分量作为STATCOM输出负序电流的的有功分量指令值，否则以安全范围内不大于检测到的负序有功分量的最大值作为STATCOM输出负序有功电流的指令值。
5)将步骤4)求得的指令值与STATCOM输出电流分别在正负序dq坐标系下经过比例积分控制器调整，再经过dq/abc变换，得到正序电压和负序电压的调制波mp，mn。
所述的直流侧电压均衡方法参见图3，分为三层控制，具体实现方式如下：
1)第一层为直流电压总体控制，检测STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i＝1,2…N)，得到3N个直流电压值，计算每相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc，求出三相直流侧电压之和的平均值Udcref；
2)第二层为直流电压相间控制，调制波由正序、负序、零序三个分量组成，正负序调制波由正负序电流控制环的输出得到，零序电压调制波注入量m0表达式如下：
Figure BDA0003127487600000111
Figure BDA0003127487600000112
Figure BDA0003127487600000113
Figure BDA0003127487600000114
其中
Figure BDA0003127487600000121
为STATCOM的A相、B相输出电流相角，
Figure BDA0003127487600000122
为BC相跌落时注入的零序电压相角表达式，若为其余AC相跌落，AB相跌落的情况
Figure BDA0003127487600000123
需分别减小
Figure BDA0003127487600000124
增大
Figure BDA0003127487600000125
3)直流电压相内控制，可通过在每单元叠加与输出电流同相或反相的电压控制每单元电压大小。
实施例三：
三相电网和组感性负载之间并联一级联H桥STATCOM，0.15s，电网电压A相跌落至0.2倍，B相跌落至0.5倍。STATCOM输出正序无功电流用于无功补偿，输出负序电流用于补偿负载侧负序电流。具体实现步骤如下：
1)检测负载处产生的电流，参见图2，得到电流的正序分量和负序分量；
2)对步骤1)得到的正序分量和负序分量分别做abc/dq变换，得到正负序有功分量和无功分量，并将正序无功分量作为STATCOM输出电流的正序分量的指令值；
3)将步骤2)得到的负序无功分量作为STATCOM输出负序电流的无功分量的指令值。
4)对步骤2)检测到的负序有功分量加以约束，若电网电压三相均不相等，或相位发生变化，则令STATCOM输出负序有功电流的指令值为0。
5)将步骤4)求得的指令值与STATCOM输出电流分别在正负序dq坐标系下经过比例积分控制器调整，再经过dq/abc变换，得到正序电压和负序电压的调制波mp，mn。
所述的直流侧电压均衡方法参见图3，分为三层控制，具体实现方式如下：
1)第一层为直流电压总体控制，检测STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci(i＝1,2…N)，得到3N个直流电压值，计算每相N个H桥模块直流电压的和Udca、Udcb、Udcc，求出三相直流侧电压之和的平均值Udcref；
2)第二层为直流电压相间控制，调制波由正序、负序、零序三个分量组成，正负序调制波由正负序电流控制环的输出得到，零序电压调制波注入量m0表达式如下：
Figure BDA0003127487600000131
3)直流电压相内控制，可通过在每单元叠加与输出电流同相或反相的电压控制每单元电压大小。
对上述方法进行仿真验证，结果如下：
使用MATLAB/simulink仿真平台搭建容量为3.6Mvar，每相8单元的级联H桥STATCOM，并联接入6kV电网，仿真结果参见图6-11。其中图6-图8为电网电压单相跌落结果，其中负载为R＝5Ω,L＝0.04H，0.15s，C相跌落至0.02倍。图6表示负载和STATCOM输出的正序无功电流、负序无功电流和负序有功电流，可知该种工况下负载侧的正序无功电流和负序电流均被完全补偿。图7表示三相电网电压、三相直流侧电压、三相电网电流和STATCOM三相输出电流，可知STATCOM稳定运行，三相电网电流被补偿至完全平衡。图8表示STATCOM中性点对地电压，与计算结果(Vn＝1733V,
Figure BDA0003127487600000141
)相符。图9-图11为电网电压两相跌落的结果，其中负载为R＝10Ω,L＝0.02H。图9表示负载和STATCOM输出的正序无功电流、负序无功电流和负序有功电流，可知该种工况下负载侧的正负序无功电流被完全补偿，正序无功电流被限制在安全范围内，可实现部分补偿。图10表示三相电网电压、三相直流侧电压、三相电网电流和STATCOM三相输出电流，可知STATCOM稳定运行，三相电网电流被部分补偿。若不对STATCOM输出负序有功电流，将出现过调制，如图11所示。
本发明的有益效果是：
1、该星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥串联而成，以星形方式连接。STATCOM输出正序无功电流用于提高功率因数，稳定系统电压。当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，得出了负序电流补偿范围。若负载侧负序电流在STATCOM输出范围内，则可使得并网点处电流补至对称，若超出补偿范围，则以最大值补偿。在不加额外电路的情况下，目前的理论研究仅进展到平衡级联H桥STATCOM直流侧电压这一步，工业应用也因无理论支撑，仅仅采用保守的补偿方法。本方法为工业应用的不平衡电流补偿策略提供了很好的理论指导。
2、本方法采用前馈与反馈结合的方法注入零序电压，前馈的方法可精确计算出所需注入零序电压调制波的幅值和相位，提高了控制的动态性能。反馈的方法可对装置有功功率损耗等复杂因素进行校正，提高了装置工作的可靠性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿拓扑，其特征在于，包括：级联H桥STATCOM主回路每相由N个H桥逆变器串联而成，以星形方式连接并通过电感连接到电网中，连接电感起滤除高次谐波的作用。
2.根据权利要求1所述的一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，其特征在于，包括：
当电网电压发生不对称跌落时，在维持直流侧电压恒定的基础上，输出负序电流用于补偿电网负序电压在负载侧产生的负序电流，若负载侧负序电流在STATCOM输出能力范围内，则可使得并网点处电流补至平衡，若超出补偿范围，则以最大值补偿；
为平衡直流侧电压，采用零序电压注入的方法，可通过前馈结合反馈的方式实现；将前馈和反馈进行归一化叠加后可得出零序调制波注入量；零序电压调制波与正负序电压调制波叠加可得到三相调制波，再通过相内均压模块，即可得到各单元输出电压的调制波。
3.根据权利要求1所述的一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，其具体实现步骤如下：
1)检测负载处产生的电流，得到电流的正序分量和负序分量；
2)对步骤1)得到的正序分量和负序分量分别做abc/dq变换，得到正负序有功分量和无功分量，并将正序无功分量作为STATCOM输出电流的正序分量的指令值；
3)将步骤2)得到的负序无功分量作为STATCOM输出负序电流的无功分量的指令值；
4)根据STATCOM三相交流侧电压峰值的最大值小于直流侧电压，对步骤2)检测到的负序有功分量加以约束；三相交流侧电压可以表示为
Figure FDA0003127487590000021
其中
Figure FDA0003127487590000022
表示三相电网电压，
Figure FDA0003127487590000023
表示STATCOM中性点电压，
Figure FDA0003127487590000024
表示三相滤波电感电压；
5)将步骤4)求得的指令值与STATCOM输出电流分别在正负序dq坐标系下经过比例积分调节器控制，再经过dq/abc变换，得到正序电压和负序电压的调制波mp，mn；
6)将步骤5)求得的调制波与零序电压调制波m0相加，经过直流电压相内控制与CPS-SPWM，即可得到IGBT驱动信号。
4.根据权利要求1所述的一种星形级联H桥STATCOM不平衡电流补偿方法，所述的直流侧电压均衡方法分为三层控制，其具体实现步骤如下：
1)第一层为直流电压总体控制，检测STATCOM的A、B、C三相所有H桥模块直流侧电压Udcai、Udcbi、Udcci，i＝1,2…N，得到3N个直流电压值，计算每相N个H桥模块直流电压的和Udcai、Udcbi、Udcci，求出三相直流侧电压之和的平均值Udcref，以Udcref为指令值，通过PI控制器进行控制；
2)第二层为直流电压相间控制，调制波由正序、负序、零序三个分量组成，正负序调制波由权利要求1步骤5)得到，零序电压调制波根据三相功率分别为0计算得到；将三个分量相加得到经归一化处理的三相直流电压参考值；
3)直流电压相内控制，可通过在每单元叠加与输出电流同相或反相的电压控制每个级联H桥单元电压大小。
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