負載不平衡下鏈式statcom的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種負載不平衡下鏈式STATCOM的控制方法，特別是一種基于非線性 解耦與重復控制相結合的雙環疊加控制方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著電弧爐、電力機車等沖擊性、不對稱負載的大量使用，導致電力系統 不平衡現象在實際運行中普遍存在。鏈式STATCOM由于無需接入變壓器、可模塊化等諸 多優點成為近年來的研究熱點，同時鏈式STATCOM具有分相調節和可變調制比特點，使其 具備補償不平衡負載的潛力。針對負載不平衡情況下STATCOM控制問題，2012年《38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society.Montreal,Canada ：IEEE)) 中的《Research on unbalance load compensation by cascaded STATCOM with star configuration》一文通過在鏈式STATCOM中引入D/Yl型變壓器，使具有補償不平衡負載的 能力，但是由于變壓器的引入，使其工程投資加大。2005年第4期《中國電機工程學報》中的 《基于反故障控制的鏈式STATCOM動態控制策略的研究》一文提出了基于逆系統的有功和無 功解耦脈寬調制（PWM)方法，提高了裝置的無功響應速度，但需要對電壓電流進行傅里葉 變換，計算較為復雜。2009年第1期《IEEE Trans, on Power Electronics》中的《Control of a cascade STATCOM with star configuration under unbalanced conditions))一文 提出了基于零序電壓疊加的控制算法，但是該零序電壓計算方法較復雜，并且采用的無差 拍控制策略需要知道主電路無源器件的準確參數及建立精確的數學模型。2001年第1期 《中國電機工程學報》中的《靜止同步補償器的分相不對稱控制》一文提出了分相控制策略， 但這種方法指令電流檢測計算較復雜，補償能力有限。
【發明內容】
[0003] 本發明針對鏈式靜止同步補償器（STATCOM)在負載不平衡情況下的控制問題，提 出一種非線性解耦與重復控制相結合的雙環疊加控制方法，正序電流環控制裝置補償負載 所需無功；負序電流環對負載不平衡情況下的負序電流進行補償，同時引入重復控制抑制 裝置本身產生的低次諧波和擾動。仿真和實驗表明：該方法可以有效地解決鏈式STATCOM 對不平衡負載的補償問題，具有較高的工程參考價值。
[0004] 具體實施步驟如下： 第一步，在正序控制回路中引入電流解耦和電網電壓前饋控制，得到正序電壓指令 第二步，當負載不平衡時，電網向負載提供有功功率的同時含有負序有功及無功分量， 弓丨起三相電壓電流不對稱，降低系統功率因數；在負序環境下，由于電網電壓為零，只需引 入電流解耦環節，根據實時檢測的負序電流有功、無功分量:丨1與指令電流 比較后的差值送入控制器處理，得到負序電壓指令u:、ui'和; 第三步，由于重復控制器在反饋通路中提供了很高的回路增益，為了提高鏈式STATCOM 的抗干擾性，減小開關工作產生的低次諧波，在尸/控制的基礎上引入重復控制，其中：r、r 分別為指令信號、期望的輸出信號為阻尼系數，通常取0-7,可以提高系統的穩定性； 5Y刀為校正環節，一般設計為二階濾波器，保證對高頻信號的衰減；為周期延遲環節， 為被控對象； 第四步，將經過重復控制優化的正序、負序電壓指令疊加作為調制波，參與單極倍頻 載波移相調制，通過調整裝置的輸出電壓使系統快速跟蹤補償系統負載側的無功和負序分 量，同時有效抑制裝置本身產生的低次諧波和擾動。
[0005] 仿真與實驗結果分析 為驗證本文所提方法的有效性，在MATLAB/Simulink環境中搭建了鏈式STATCOM的仿 真模型，仿真參數如下：系統線電壓為2KV，電網頻率為50HZ，開關頻率為2KHZ，直流側電容 為5mF，單相級聯模塊數為5個。
[0006] 將傳統正序無功控制方法與本文所提方法對比，來驗證本文方法的正確性和有 效性。傳統無功補償方法如附圖4、5、6、7所示，分別為電網電壓、電流、A相功率因數及 鏈式STATCOM輸出電壓頻譜。由仿真波形可見，由于不平衡負載的存在，只進行正序補償 時，由于負序分量的影響，電網中含有負序的有功和無功分量，電網電壓電流會出現一定程 度的不對稱，此時，電網A相功率因數在0. 8左右，鏈式STATCOM輸出電壓的諧波畸變率 THD=1. 21%。可見，采用傳統方法無法消除電網電流的不平衡，且功率因數偏低。
[0007] 運用本文所提的雙環疊加控制方法，對不平衡負載的正序無功和負序分量分別進 行補償。補償后的仿真波形如附圖8、9、10、11所示，分別為補償后電網電壓、電流、A相功 率因數及鏈式STATCOM輸出電壓頻譜。可以看出，補償后電網電壓電流不平衡度改善明顯， 電網功率因數基本接近于1，由于引入了重復控制，鏈式STATCOM輸出電壓的諧波畸變率減 小到THD=0. 31%。此時STATCOM裝置完全補償了負載正序無功、負序有功和無功分量，系統 只提供正序有功，且輸出諧波性能較好。
[0008] 為了驗證上述控制方法的效果，特進行了實驗研究。鏈式STATCOM主電路采用星 形連接，每相由5個H橋功率模塊串聯而成，系統電壓為300V，連接電抗為25mH，載波頻率 為1000HZ，采樣頻率為3000HZ，硬件平臺為雙DSP+FPGA+多CPLD組合系統，DSP主要實現基 波電網電壓鎖相、指令電流運算、直流側電壓控制、變流器保護等功能；FPGA用來產生PWM 驅動信號，CPLD用來對各功率管進行脈沖分配。分別在只有正序控制和正負序同時控制的 情況下進行實驗驗證。附圖12、13和附圖14、15分別為兩種情況下系統電壓電流波形。由 實驗可以看出，只有正序控制時，系統電壓分別為280V、255V、300V，系統電流分別為50A、 50A、63A，正負序同時控制后三相電壓基本維持在300V左右，三相電流維持在60A左右。可 見，加入負序控制后，系統電壓電流不平衡度明顯降低。實驗證明了本文方法的有效性。
【附圖說明】
[0009] 圖1雙環疊加控制框圖 圖2重復控制框圖 圖3正負序電流檢測框圖 圖4正序無功控制時電網電壓波形 圖5正序無功控制時電網電流波形 圖6正序無功控制時電網A相功率因數 圖7正序無功控制時鏈式STATCOM輸出電壓頻譜 圖8雙環疊加控制時電網電壓波形 圖9雙環疊加控制時電網電流波形 圖10雙環疊加控制時電網A相功率因數 圖11雙環疊加控制時鏈式STATCOM輸出電壓頻譜 圖12正序控制時系統電壓實驗波形 圖13雙環疊加控制時系統電壓實驗波形 圖14正序控制時系統電流實驗波形 圖15雙環疊加控制時系統電流實驗波形。
【主權項】
1.本發明主要提出一種負載不平衡下鏈式STATCOM的控制方法，具體原理和做法如 下： 第一步，在正序控制回路中引入電流解耦和電網電壓前饋控制，得到正序電壓指令第二步，當負載不平衡時，電網向負載提供有功功率的同時含有負序有功及無功分量， 弓丨起三相電壓電流不對稱，降低系統功率因數；在負序環境下，由于電網電壓為零，只需引 入電流解耦環節，根據實時檢測的負序電流有功、無功分量GG與指令電流/f 比較后的差值送入控制器處理，得到負序電壓指令第三步，由于重復控制器在反饋通路中提供了很高的回路增益，為了提高鏈式STATCOM 的抗干擾性，減小開關工作產生的低次諧波，在/5/控制的基礎上引入重復控制，其中：r、r 分別為指令信號、期望的輸出信號為阻尼系數，通常取0-7,可以提高系統的穩定性； 5Y刀為校正環節，一般設計為二階濾波器，保證對高頻信號的衰減；Ζ-Λ為周期延遲環節， ^ 為被控對象； 第四步，將經過重復控制優化的正序、負序電壓指令疊加作為調制波，參與單極倍頻 載波移相調制，通過調整裝置的輸出電壓使系統快速跟蹤補償系統負載側的無功和負序分 量，同時有效抑制裝置本身產生的低次諧波和擾動。
【專利摘要】本發明提出一種基于非線性解耦與重復控制相結合的鏈式STATCOM雙環疊加控制方法，正序電流環控制裝置補償負載所需無功；負序電流環對負載不平衡情況下的負序電流進行完全補償，引入重復控制抑制裝置本身產生低次諧波和擾動。仿真和實驗表明：該方法可以有效地解決鏈式STATCOM對不平衡負載的補償問題，具有一定的工程參考價值。
【IPC分類】H02J3/26, H02J3/01
【公開號】CN105071418
【申請號】CN201510383714
【發明人】李圣清, 唐琪, 白建祥
【申請人】湖南工業大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月3日