一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制系統及控制方法與流程
本發明屬于電力電子領域，特別涉及一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制系統及控制方法。
背景技術：
STATCOM在電網中主要應用在輸電系統、配電網和新能源發電等領域，在交流電網發生故障時，需要STATCOM輸出額定甚至過載的無功電流支撐電網電壓，加快電網故障后的電壓恢復，增強抵御電網大事故的能力，改善系統的電壓穩定性。
傳統的STATCOM裝置，無論采用角型連接或星型連接，控制系統常采用dq矢量控制，前饋量采用根據電網電壓穩態值和鎖相環鎖定的矢量角計算出的dq軸分量。當電網電壓發生故障瞬間，由于電網電壓的快速變化導致鎖相環節較難快速響應，并且在故障過程中，特別在弱系統情況下，往往伴隨電網電壓中產生較大的諧波成分，同樣影響鎖相環的輸出。鎖相環誤差導致通過dq變換產生的前饋量不能準確反應真實電網信息，從而會導致STATCOM設備有過流故障的風險。STATCOM設備過流產生的原因是，由于電網電壓的前饋信號量與實際電網電壓存在偏差，導致電力電子裝置的調制度不能夠迅速根據電網實際工況調整，那么STATCOM的電抗器會產生較大的電壓差，從而形成瞬態過電流，引起裝置故障。
基于以上分析，現有的控制方法在電網故障時存在著缺陷，有待改進。
技術實現要素：
本發明的目的，在于提供一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制系統及控制方法，其可解決現有鏈式STATCOM所采用常規控制策略在電網故障時易使設備過流保護動作而脫網的問題，并能夠保證STATCOM在穩態運行時輸出電流具備較好的諧波特性，提高設備的穩定性。
為了達成上述目的，本發明的解決方案是：
一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制系統，包括有如下功能模塊：
直流電壓采樣計算模塊P1，用于采樣各模塊直流電壓穩態值并計算出平均值Udc；
主控制器電網電壓采樣模塊P2，用于主控制器采樣電網電壓在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc；
閥控制器電網電壓采樣模塊P3，用于閥控制器通過FPGA采樣電網電壓在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc；
輸出電流采樣模塊P4，用于主控制器采樣電感電流在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ia、ib、ic；
鎖相環PLL運算模塊A1，用于根據采樣得到的電網電壓穩態瞬時值ua、ub、uc，分別計算電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq以及電壓矢量角θ；
輸出電流矢量變換模塊A2，用于根據采樣得到的電感電流穩態值ia、ib、ic，并結合A1得到的電壓矢量角θ，計算得到電流d軸分量Id、q軸分量Iq；
直流電壓控制器模塊A3，用于對直流電壓給定Udc*和直流電壓穩態值Udc進行直流電壓控制環處理，經限幅環節后輸出作為電流控制環d軸給定Id*；
無功/電壓控制模塊A4，用于閉環調節無功功率或電壓，可采用具有限幅輸出功能的PI調節器；
電流控制器模塊A5，用于在穩態時閉環調節電流d軸分量Id和q軸分量Iq，對電流dq分量進行交叉解耦，并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到控制系統的電流環輸出Iabc*；
電網電壓故障判斷模塊A6，根據電網電壓瞬時值變化幅度和變化率發出控制切換命令；
帶濾波環節的前饋信號產生模塊A7，將A1產生的電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq均進行一階低通濾波，得到濾波后的d軸分量q軸分量并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*；
瞬時電壓前饋信號產生模塊A8，通過P3采集到電網電壓信號后送到閥控制器的DSP處理器中，通過計算并標幺產生瞬時電壓前饋信號；
電壓調制波產生模塊A9，在閥控制器的DSP處理器中，穩態時接收主控制器A5數據及A7數據，累加后產生電壓調制波信號；在A6判斷出電網產生故障時，將接收到的A5數據與A8相累加后產生電壓調制波信號；
PWM脈沖波形發生模塊A10，通過A9產生的調制波信號，采用移相載波調制，生成鏈式STATCOM各個模塊的IGBT脈沖，對STATCOM內部各模塊的IGBT管進行控制。
上述鏈式STATCOM的拓撲結構包含星型連接方式與角型連接方式。
上述電網電壓故障判斷模塊用于電網電壓故障時，電網電壓前饋方式根據切換命令由帶濾波環節的瞬時電壓前饋方式切換成電網電壓瞬時前饋方式。
一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制方法，包括如下步驟：
步驟1，采樣電網電壓及電感電流在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc，ia、ib、ic，采樣并計算各模塊的平均直流電壓Udc；
步驟2，根據電網電壓穩態值ua、ub、uc分別計算d軸分量Ud、q軸分量Uq以及電壓矢量角θ，鎖相環采用雙同步坐標系鎖相環；
步驟3，根據電感電流穩態值ia、ib、ic，并結合步驟2得到的電壓矢量角θ，計算得到電流d軸分量Id、q軸分量Iq；
步驟4，將步驟2得到的電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq均進行一階低通濾波，得到濾波后的d軸分量q軸分量
步驟5，將步驟4輸出的帶濾波環節的dq軸電壓控制量進行矢量變換，將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*；
步驟6，對直流電壓給定Udc*和步驟1得到的直流電壓穩態值Udc進行電壓控制環處理，經限幅環節后輸出電流控制環d軸給定Id*；
步驟7，對無功給定Q*或電壓給定V*和步驟1采樣得到的電壓電流穩態量計算出的瞬時無功量Q或目標點的電壓量V進行無功或電壓控制環處理，經限幅環節后輸出電流控制環q軸給定Iq*；
步驟8，穩態時，閉環調節電流d軸分量Id和q軸分量Iq，對電流dq分量進行交叉解耦，并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到控制系統的電流環輸出Iabc*；
將前述控制系統的電流環輸出Iabc*與步驟5得到的帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*累加后，生成電壓調制波；
步驟9，將步驟8生成的調制波信號，經調制環節產生驅動脈沖，對鏈式STATCOM各模塊的IGBT管進行控制。
上述步驟5中，還對帶濾波環節的前饋信號進行補償。
上述步驟8中，在電網故障時，將電流環輸出Iabc*與步驟1得到的瞬時電網電壓信號經計算標幺后相累加生成電壓調制波信號。
采用上述方案后，本發明在電網電壓故障時，采用瞬時電網電壓信號直接進行前饋方式，提高了STATCOM的動態性能，可有效抑制電網故障時STATCOM設備的過電流風險，防止STATCOM脫網，并在穩態情況下，采用帶濾波環節的瞬時電壓前饋信號量，保證電流的諧波特性，并提高設備的穩定性。可廣泛用于目前主流的鏈式STATCOM以及其他模塊化多電平換流器拓撲如MMC等。
附圖說明
圖1是本發明的控制框圖；
圖2是現有的鏈式星接STATCOM的拓撲圖；
圖3是現有的鏈式角接STATCOM的拓撲圖；
圖4是采用本發明在模擬電網發生單相跌落不對稱故障時試驗，STATCOM輸出電流和電網電壓的波形圖。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
如圖1所示，本發明提供一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制系統，其中，鏈式STATCOM的拓撲結構包含星型連接方式與角型連接方式，分別如圖2和圖3所示，控制系統采用分層控制，主控制器采用DSP處理器，閥控制器采用DSP處理器+FPGA處理器結構；所述控制系統包括有如下功能模塊：
直流電壓采樣計算模塊P1，用于采樣各模塊直流電壓穩態值并計算出平均值Udc；
主控制器電網電壓采樣模塊P2，用于主控制器采樣電網電壓在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc；
閥控制器電網電壓采樣模塊P3，用于閥控制器通過FPGA采樣電網電壓在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc；
輸出電流采樣模塊P4，用于主控制器采樣電感電流在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ia、ib、ic；
鎖相環PLL運算模塊A1，用于根據采樣得到的電網電壓穩態瞬時值ua、ub、uc，分別計算電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq以及電壓矢量角θ；
輸出電流矢量變換模塊A2，用于根據采樣得到的電感電流穩態值ia、ib、ic，并結合A1得到的電壓矢量角θ，計算得到電流d軸分量Id、q軸分量Iq；
直流電壓控制器模塊A3，用于對直流電壓給定Udc*和直流電壓穩態值Udc進行直流電壓控制環處理，經限幅環節后輸出作為電流控制環d軸給定Id*；
無功/電壓控制模塊A4，用于閉環調節無功功率或電壓，可采用具有限幅輸出功能的PI調節器；
電流控制器模塊A5，用于在穩態時閉環調節電流d軸分量Id和q軸分量Iq，對電流dq分量進行交叉解耦，并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到控制系統的電流環輸出Iabc*；
電網電壓故障判斷模塊A6，根據電網電壓瞬時值變化幅度和變化率發出控制切換命令；
A6用于電網電壓故障時，電網電壓前饋方式根據切換命令由帶濾波環節的瞬時電壓前饋方式切換成電網電壓瞬時前饋方式；
帶濾波環節的前饋信號產生模塊A7，將A1產生的電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq均進行一階低通濾波，得到濾波后的d軸分量q軸分量并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*；
以上模塊均在主控制器實現，并且需要對帶濾波環節的前饋信號進行補償，使得其時序上與在閥控實現的電壓瞬時值前饋進行配合，保證切換時的無擾動沖擊；
瞬時電壓前饋信號產生模塊A8，通過P3采集到電網電壓信號后送到閥控制器的DSP處理器中，通過計算并標幺產生瞬時電壓前饋信號；
故障時采用的瞬時電壓前饋信號由閥控制器直接采樣計算生成，其優勢在于可縮短該部分的控制延時，對減小電網故障過程中及故障恢復時STATCOM的電感電流具有較好的效果。
電壓調制波產生模塊A9，在閥控制器的DSP處理器中，穩態時接收主控制器A5數據及A7數據，累加后產生電壓調制波信號。在A6判斷出電網產生故障時，將接收到的A5數據與A8相累加后產生電壓調制波信號。
PWM脈沖波形發生模塊A10，通過A9產生的調制波信號，采用移相載波調制，生成鏈式STATCOM各個模塊的IGBT脈沖，對STATCOM內部各模塊的IGBT管進行控制。
基于以上控制系統，本發明還提供一種用于鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制方法，包括如下步驟：
步驟1，主控制器采樣電網電壓及電感電流在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc，ia、ib、ic，采樣并計算各模塊的平均直流電壓Udc，閥控制器通過FPGA采樣電網電壓在每個控制周期固定時刻的穩態瞬時值ua、ub、uc；
步驟2，主控制器內根據電網電壓穩態值ua、ub、uc分別計算d軸分量Ud、q軸分量Uq以及電壓矢量角θ，鎖相環采用雙同步坐標系鎖相環；
步驟3，主控制器內根據電感電流穩態值ia、ib、ic，并結合步驟2得到的電壓矢量角θ，計算得到電流d軸分量Id、q軸分量Iq；
步驟4，主控制器內將步驟2得到的電壓d軸分量Ud、q軸分量Uq均進行一階低通濾波，得到濾波后的d軸分量q軸分量
步驟5，主控制器內將步驟4輸出的帶濾波環節的dq軸電壓控制量進行矢量變換，將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*，并且需要對帶濾波環節的前饋信號進行補償，使得其時序上與在閥控實現的電壓瞬時值前饋進行配合，保證切換時的無擾動沖擊。經過延時補償后下發給閥控制器；
步驟6，主控制器內對直流電壓給定Udc*和步驟1得到的直流電壓穩態值Udc進行電壓控制環處理，經限幅環節后輸出電流控制環d軸給定Id*；
步驟7，主控制器內對無功給定Q*或電壓給定V*和步驟1采樣得到的電壓電流穩態量計算出的瞬時無功量Q或目標點的電壓量V進行無功或電壓控制環處理，經限幅環節后輸出電流控制環q軸給定Iq*；
步驟8，穩態時，主控制器閉環調節電流d軸分量Id和q軸分量Iq，對電流dq分量進行交叉解耦，并將旋轉坐標系dq分量變換為靜止坐標系abc軸分量，得到控制系統的電流環輸出Iabc*，并下發給閥控制器。
在閥控制器內與接收到步驟5得到的帶濾波環節的瞬時電壓前饋量Uabc*累加后，生成電壓調制波；
在電網故障時，根據電網電壓瞬時值變化幅度和變化率發出控制切換命令。判斷出電網故障后，將主控制器下發的電流環輸出Iabc*與步驟1閥控制器FPGA采樣得到的瞬時電網電壓信號經計算標幺后相累加生成電壓調制波信號；
步驟9，將步驟8生成的調制波信號，經調制環節產生驅動脈沖，對鏈式STATCOM各模塊的IGBT管進行控制。
采用本發明進行模擬電網發生單相跌落不對稱故障試驗，得到的STATCOM電感電流和電網電壓波形圖如圖4所示，其中，C1通道是電網電壓單相跌落的電網電壓波形，C2是STATCOM的三相電感電流。可以看出，在電網產生電壓故障到恢復時，電流輸出波形具有良好的動態響應。同時穩態時候可看出電流具備較好的諧波特性。
綜合上述，本發明公開一種鏈式STATCOM的電網電壓前饋控制方法，采用電網電壓的瞬時值作為前饋控制量，替換傳統矢量控制中采用電網電壓正序和負序電壓dq分量作為前饋信號量，可有效避免電網故障時由于鎖相環誤差造成前饋信號失真的影響。同時，穩態情況下前饋信號采用瞬時電壓信號經abc/dq變化至dq分量，在dq坐標系下對前饋信號量做一階低通濾波，再經dq/abc反變換后得到帶濾波環節的瞬時前饋信號。通過對電網電壓瞬時值變化幅度和變化率的判斷，確定當前電網是否發生故障，發出控制切換命令選擇不同的前饋信號。前饋信號量累加在電流環的輸出上生成調制波輸出至調制模塊產生脈沖。本發明可解決常規控制策略在電網故障時易使STATCOM過流保護動作而脫網的問題，同時在穩態情況下保證STATCOM輸出的電流具有較好的諧波特性，提高設備的穩定性。
以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
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