阅读说明：本技术 在电网不平衡情况下星形级联statcom的控制方法 (Control method of star cascade STATCOM under power grid imbalance condition ) 是由 王书征 张少文 李先允 刘海涛 刘钊 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了在电网不平衡情况下星形级联STATCOM的控制方法,其特征在于,针对接入不平衡电网的星形级联STATCOM系统,对其进行平均有功功率平衡控制、直流侧电压控制和参考电流跟踪控制；利用等效三相星形连接电源的原理,使各相的有功功率为零；将各相平均有功功率调整为直流电压控制器确定的目标值,可对三个直流侧电压独立控制；令变换器的中性点电压等于等效电源的对应点电压,将STATCOM解耦为三个单相系统；通过矢量分析方法,计算出星形STATCOM在不平衡电网下的有效运行范围。本发明在有效运行范围内进行控制,提高了系统运行的安全性和稳定性,能够同时适用于不平衡负载和不平衡电压两种情况。(The invention discloses a control method of a star cascade STATCOM under the condition of unbalanced power grid, which is characterized in that aiming at a star cascade STATCOM system accessed into an unbalanced power grid, average active power balance control, direct current side voltage control and reference current tracking control are carried out on the star cascade STATCOM system; the active power of each phase is zero by utilizing the principle of an equivalent three-phase star connection power supply; the average active power of each phase is adjusted to a target value determined by a direct current voltage controller, and the three direct current side voltages can be independently controlled; enabling the neutral point voltage of the converter to be equal to the corresponding point voltage of the equivalent power supply, and decoupling the STATCOM into three single-phase systems; and calculating the effective operation range of the star-shaped STATCOM under the unbalanced power grid through a vector analysis method. The invention is controlled in an effective operation range, improves the safety and stability of system operation, and can be simultaneously suitable for two conditions of unbalanced load and unbalanced voltage.)

在电网不平衡情况下星形级联STATCOM的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电网不平衡情况下星形级联STATCOM的控制方法。

背景技术

基于电压源变换器的静态同步补偿装置(STATCOM)具有提高输电网的利用率，稳定电力系统，调节线路电压等优点。目前成型的级联STATCOM装置的控制算法多适用于电网平衡工况，能够承受住少许负序电压的影响。然而，实际工况中，电网电压出现单相跌落故障之类的较大程度不平衡时，会使系统输出电流谐波含量增大以及直流侧电压大幅度不平衡。

精确调节级联STATCOM各相直流侧有功功率是使其在电网不平衡工况下持续稳定运行的关键，然而现存控制器难以准确调节其不平衡电流，相间耦合增加了控制器设计难度。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电网不平衡情况下星形级联STATCOM的控制方法。使其具有提高系统运行的安全性和稳定性，可以同时适用于不平衡负载和不平衡电压两种情况的优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电网不平衡情况下星形级联STATCOM的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、构造等效三相星形连接电源，计算零序电压，使每相有功功率为零，以稳定直流侧电压；

步骤2、计及变换器功率损耗，对有功功率进行控制，计算改进后的零序电压；

步骤3、对电流进行跟踪控制，用所获得的等效电源的线电压作为输入源电压，作为每相支路所需的相应变换器电压基准；

步骤4、设计星形级联STATCOM控制器；

步骤5、分析星形级联STATCOM在不平衡状态下的有效运行范围。

步骤1中，构造等效三相星形连接电源，计算零序电压的具体方法为：

步骤1.1、确定零序电压的幅值和相位，具体公式为：

(和异号)

(和同号)其中：

式中，电压[U_sa1，U_sb1，U_sc1]^T代表一组特殊的无零序分量的电网电压相量，A相和B相的幅值分别为U_sa1m和U_sb1m，相位分别为和 和分别为A相和B相支路参考电流的相位；

步骤1.2、确定等效星形连接电源的三相电压，具体公式为：

式中，U_sam，U_sbm，U_scm分别为三相电压的幅值，分别为三相电压的相位；

步骤2中，控制有功功率，计算改进后的零序电压的具体方法为：

步骤2.1、建立由三个PI控制组成的直流侧电压控制器，PI控制的输出是每相中的参考有功功率，且其输出不直接作为电流控制回路的输入；

步骤2.2、计算改进后的零序电压的幅值和相位，具体公式为：

(和异号)

(和同号)其中：

式中，P_ra和P_rb分别为A相和B相的参考有功功率，I_ram和I_rbm分别为A相和B相支路参考电流的幅值；

步骤3中，对电流进行跟踪控制的具体方法为：等效电源的中性点和级联变换器的中性点实际上是相连的。因此，星形连接的STATCOM系统可以解耦为三个单相系统。电流跟踪控制器可根据以下方程式进行设计：

u_tc＝3u₀-u_ta-u_tb

式中，u_sa和u_sb是等效电源的线电压，u_ta和u_tb是变换器输出电压，i_a和i_b是STATCOM电流，u₀是等效电源电压的零序分量，u_t0是变换器电压的零序分量。

步骤4中，设计星形级联STATCOM控制器的具体方法为：

步骤4.1、相量计算，利用相量表示法，计算等效电源的线电压，确定参考电流和直流环节电压的控制。将得到的相量转换成瞬时值，将瞬时线电压u_sa、u_sb和u_sc、零序电压u₀和参考电流i_ra、i_rb和i_rc作为下一阶段的输入；

步骤4.2、电流控制，对STATCOM电流进行反馈，实现闭环电流控制，采用无差拍控制器对参考电流进行跟踪。电流控制器的输出是相对于相应的直流侧电压标准化的参考电压；

步骤4.3、调制，根据获得的参考电压，产生门极信号。采用基于载波的移相PWM方案，实现级联变换器脉宽调制(PWM)。

步骤5中，分析星形级联STATCOM在不平衡状态下的有效运行范围的具体方法为：

步骤5.1、分析星形STATCOM在配电系统中处于不平衡状态下的有效运行范围，计算不平衡度和三相电压相量的最大幅值，具体公式为：

U_max＝max(U_sa,U_sb,U_sc)

其中：

式中，I_r1是参考电流正序分量的幅值，I_r2是负序分量的幅值，U_p是线电压的额定幅值；

步骤5.2、分析星形STATCOM在输电系统中处于不平衡状态下的有效运行范围，对于瞬时故障，本发明所设计的控制器无需采取特殊措施来使变换器工作在有效工作范围内。

本发明与现有技术相比，其有益效果为通过将STATCOM解耦为三个单相系统，降低了控制器计算量；能够在不平衡条件下，同时实现各相参考电流跟踪和零有功功率保持；保障了系统在不平衡条件下的运行范围，提高了系统的可靠性；可应用于不平衡负载和不平衡电压两种情况。

附图说明

图1为三相星形连接的级联STATCOM系统示意图。

图2为本发明STATCOM与等效电源的等效连接示意图。

图3为本发明直流侧控制器示意图。

图4为本发明星形级联STATCOM的控制框图。

图5为本发明的负载电流仿真波形图。

图6为本发明的STATCOM电流仿真波形图。

图7为本发明的直流侧电压仿真波形图。

图8为本发明的零序电压仿真波形图。

图9为本发明的电网电压仿真波形图。

图10为本发明未注入零序电压的三相有功功率仿真波形图。

图11为本发明注入零序电压的有功功率仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为星形连接的级联STATCOM系统。变换器的中性点是浮动的。电力变压器和负载的中性点如果是星形连接，则不接地。电力系统的电感为L_S，STATCOM接口电感为L，用等效电阻R表示STATCOM的功率损耗，当运用于输电系统时，STATCOM产生无功电流来调节电网电压。当运用于配电系统时，STATCOM用于补偿负载侧产生的无功电流和不平衡电流。

图2为本发明STATCOM与等效电源的等效连接示意图。当选择等效电源的线电压时，连接点的线电压应保持不变。为了满足这一限制，有各种可能的三相线电压，它们可以用相量形式表示如下：

其中，电压[U_sa1，U_sb1，U_sc1]^T代表一组特殊的无零序分量的电网电压相量，可使用连接点处测得的相电压计算。

显然，U₀是零序分量，可以表示如下：

因此，要确定线电压[U_sa，U_sb，U_sc]^T，即要确定适当的零序电压U₀。

等效电源各相的线电压和参考电流产生的有功功率应为零，以满足各支路平均有功功率为零的约束。每相的平均有功功率可表示为：

结合上述有功功率为零的约束和矢量分析，可求得零序电压的幅值和相位。

上述分析是在假设没有变换器功率损耗的情况下进行的。然而，在实际安装中，需要少量的有功功率来补偿各相的功率损耗，以维持直流环节的电压。直流侧电压控制也有助于抑制直流电容器的瞬时过电压。

图3为本发明直流侧控制器示意图。建立由三个PI控制组成的直流侧电压控制器，PI控制的输出是每相中的参考有功功率，且其输出不直接作为电流控制回路的输入，通过以下方法得出变换器的参考有功功率总和：

P_r＝P_ra+P_rb+P_rc

有功电流的幅值为：

仍需确定零序分量U₀。产生的参考有功功率P_ra、P_rb和P_rc用作计算U₀的输入。每相有功功率应分别控制在目标值P_ra、P_rb和P_rc，而不是保持零有功功率。可将公式改写为：

U₀的幅值和相位可以用类似的方法进行分析计算。

因此，U₀的瞬时电压可以表示为

式中ωt为锁相环(PLL)产生的同步旋转角。等效电源的三个瞬时电压可表示为：

等效电源的中性点和级联变换器的中性点实际上是相连的。因此，星形连接的STATCOM系统可以解耦为三个单相系统。因此，电流跟踪控制器可根据以下方程式进行设计：

u_tc＝3u₀-u_ta-u_tb

通过令u_t0等于u₀，星形级联STATCOM被解耦为三个单相系统。对于每相支路，电流控制器可以简单地用所获得的等效电源的线电压作为输入源电压，然后给出该相支路所需的相应变换器电压基准。

图4为本发明星形级联STATCOM的控制框图，控制器根据其功能分为三个部分，相量计算，电流控制和PWM调制。

实施例1

为了验证本发明的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建实验仿真模型。

系统实际参数如下：负载电流的正序有功分量I_Lp＝1500A，负载电流的正序无功分量I_Lq＝3000A，线路输出端电压的额定值为U_p＝8160V，参考直流侧电压U_dcr＝10610V，当调制比为1.0时，变换器可以输出最大电压U_max＝10610V，因此，U_max/U_p＝1.3，当I_r2/I_r1<32％时，变换器将在线性调制范围内工作。在t＝0.06s时，负序分量I_L2从0切换到900A。

仿真结果如图5-11所示。根据图5-7中的负载电流、STATCOM电流和直流电压波形可知，变换器可以在线性调制范围内工作；根据图8、9所示的零序电压与电网电压波形可知，不平衡故障与0.5秒左右发生，此时，不平衡负载电流可以得到完全补偿；即使发生瞬时故障，直流侧电压也能在不平衡补偿电流下得到很好的控制，具有良好的动态响应能力。对比图10、11所示的注入零序电压前后三相有功功率波形可知当使用选定的等效电源电压U_sa、U_sb和U_sc时，每个支路中的零有功功率都能得到保证。可以看出本发明稳定范围分析准确，且控制方式能够达到控制目标。

以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。