基于瞬時(shí)功率平衡原理的sacom控制方法

基于瞬時(shí)功率平衡原理的sacom控制方法

1瞬時(shí)功率平衡原理與stat改造靜態(tài)功率發(fā)生器（statcom）的目標(biāo)之一是穩(wěn)定接入點(diǎn)的電壓。為了達(dá)到這個(gè)目的,最常見(jiàn)的控制方法是雙閉環(huán)法,這種控制方法的不足之處是必須設(shè)計(jì)多個(gè)PI調(diào)節(jié)器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)從瞬時(shí)功率平衡原理出發(fā),推導(dǎo)了逆變器輸出電流到輸出電壓的變換關(guān)系式,從而省去了傳統(tǒng)雙環(huán)控制中的電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器,但該方法需要知道STATCOM裝置的等效電阻和等效電感值,而這兩個(gè)參數(shù)一般難以精確測(cè)量,此外,沒(méi)有考慮電網(wǎng)電壓不平衡情況。文獻(xiàn)從STATCOM的結(jié)構(gòu)出發(fā),建立其在dq坐標(biāo)系下的微分方程,通過(guò)求解微分方程,得到STATCOM控制角與接入點(diǎn)電壓的關(guān)系。這種控制方法需要對(duì)STATCOM進(jìn)行精確的建模,但很難達(dá)到。近年來(lái),隨著科技的發(fā)展,一些新的控制理論與控制方法也逐步應(yīng)用于STATCOM的電壓控制中,比如:最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、免疫控制等。但這些控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),難以兼顧控制精度和響應(yīng)速度。為此,本文采用瞬時(shí)功率平衡原理,省去了傳統(tǒng)雙環(huán)控制中的電流內(nèi)環(huán),減少了PI調(diào)節(jié)器;為了補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的不平衡問(wèn)題,引入基于瞬時(shí)功率平衡原理的負(fù)序電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié),推導(dǎo)了負(fù)序電壓下,逆變器輸出電壓和輸出電流之間的代數(shù)關(guān)系式;同時(shí)設(shè)計(jì)了兼顧正序電壓和負(fù)序電壓的控制方法;最后,由于瞬時(shí)功率平衡原理需要知道整個(gè)裝置的等效電阻Rf和等效電感Lf值,本文在裝置運(yùn)行過(guò)程中,利用反饋信息對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,以提高控制精度。2等效電阻和電抗STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路如圖1所示。圖中,us、Rs、Ls分別表示電源電壓、線路電阻和電抗;Rf和Lf分別表示連接變壓器和濾波器以及STATCOM的等效電阻和電抗;e為STATCOM逆變器輸出電壓;uPCC為裝置接入點(diǎn)電壓;ic為逆變器注入電網(wǎng)電流,iL為負(fù)載電流。傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制法是采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖中,接入點(diǎn)電壓的參考信號(hào)UPCCref與采樣值UPCC的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器,構(gòu)成了交流電壓外環(huán),用于穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓;逆變器直流側(cè)電壓參考值UDCref與采樣值UDC的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器,構(gòu)成了直流電壓外環(huán),用于穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電容兩端電壓。但這種控制方法中,存在多個(gè)PI調(diào)節(jié)器,有必要進(jìn)行改進(jìn)。3雙環(huán)電壓控制根據(jù)瞬時(shí)功率平衡原理,選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與接入點(diǎn)電壓矢量重合,并設(shè)電壓矢量的模為u,可得式中,ed、eq和id、iq分別是逆變器輸出電壓和電流的d、q分量;ω是電網(wǎng)電壓角頻率。將式(1)引入到圖2所示的雙環(huán)電壓控制中,可得新的電壓控制方法,其原理圖如圖3所示。這種控制方法的前提是假設(shè)三相電壓平衡,然而,實(shí)際電網(wǎng)中,三相電壓不平衡是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。為此,本文在圖3所示的控制方法基礎(chǔ)上,引入電壓的負(fù)序控制環(huán)節(jié),使STATCOM裝置在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓幅值的同時(shí),還能維持接入點(diǎn)電壓保持三相平衡。4負(fù)序電壓情況下的電壓平衡原理為了控制接入點(diǎn)電壓保持三相平衡,可以先分離出接入點(diǎn)電壓的正序分量和負(fù)序分量;然后,分別對(duì)正序分量和負(fù)序分量進(jìn)行abc/dq變換,得到相應(yīng)的d、q分量:d+、q+、d-、q-(為描述方便,后文均以上標(biāo)“+”表示相應(yīng)變量的正序分量,上標(biāo)“-”表示負(fù)序分量);最后控制STATCOM的輸出,使接入點(diǎn)電壓的負(fù)序分量為0,為此,可將d-、q-與0比較后經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成電壓負(fù)序外環(huán)控制環(huán)節(jié)。同樣,為了省略電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器,有必要將瞬時(shí)無(wú)功功率引入到電壓負(fù)序控制環(huán)節(jié)中來(lái)。由于式(1)是在三相電壓平衡情況下推導(dǎo)出來(lái)的,因而只適用于接入點(diǎn)電壓為正序的情況。為此,本文在負(fù)序電壓情況下,對(duì)瞬時(shí)功率平衡原理進(jìn)行補(bǔ)充推導(dǎo)?？紤]阻感負(fù)載,在dq坐標(biāo)系下,負(fù)序電壓、負(fù)序電流應(yīng)該是順時(shí)針旋轉(zhuǎn),并且電壓超前電流一個(gè)角度,可知電壓與d軸的夾角uφ-必定小于電流與d軸的夾角iφ-,如圖4所示。為此,得到有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算公式分別為同樣,選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與公共連接點(diǎn)(PCC)電壓矢量u-PCC重合,并設(shè)電壓矢量的模為u-,可得STATCOM注入系統(tǒng)的功率為在該同步坐標(biāo)系下,逆變器輸出功率為根據(jù)功率平衡原理,逆變器輸出的功率(Pe-+jQe-)應(yīng)等于注入系統(tǒng)的功率(Po-+jQo-)和耦合變壓器及濾波器等效電阻、電抗消耗的功率(Pf-+jQf-)之和,即而耦合變壓器和濾波器消耗的功率為將式(3)、式(4)、式(6)代入式(5)可得負(fù)序情況下dq坐標(biāo)系下的電流電壓關(guān)系為式(1)、式(7)分別描述了正序和負(fù)序情況下,逆變器輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。為此,可得逆變器輸出電壓應(yīng)為為此,得到引入電壓負(fù)序控制環(huán)節(jié)后的控制原理圖如圖5所示。5電流-電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路采用瞬時(shí)功率平衡原理能直接推導(dǎo)出參考電流到參考電壓間的變換方法,省略了雙環(huán)控制中的電流內(nèi)環(huán)控制,但需要知道STATCOM裝置的等效電阻Rf和等效電感Lf值,而這兩個(gè)參數(shù)一般難以精確測(cè)量,為此,本文對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正,以提高控制精度。由式(1)知,假設(shè)在k時(shí)刻,通過(guò)電壓環(huán)控制后得到的參考電流信號(hào)為i+dref(k)、i+qref(k),STATCOM的等效電阻和等效電感分別為Rf和Lf,則理論上來(lái)說(shuō),只需控制逆變器輸出的電壓滿足式(2),就能保證逆變器注入到電網(wǎng)的電流等于i+dref(k)和i+qref(k)。但實(shí)際工作中,當(dāng)控制逆變器輸出電壓滿足式(9)時(shí),其注入到電網(wǎng)的實(shí)際電流未必完全和i+dref(k)、i+qref(k)一樣,這是由于在進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換時(shí),對(duì)Rf和Lf的測(cè)量不準(zhǔn)造成的。設(shè)該STATCOM實(shí)際注入電流的d、q分量分別為di+*(k)和qi+*(k),實(shí)際的STATCOM的等效電阻和等效電感分別為fR*和f*L,則逆變器的輸出電壓應(yīng)滿足聯(lián)合式(9)和式(10),可得求解式(11)便可得到fR*和f*L,然后,在k+1時(shí)刻,用fR*和f*L代替Rf和Lf作為STATCOM的等效電阻和等效電感值進(jìn)行式(9)的電流-電壓變換。至此,對(duì)參數(shù)測(cè)量值完成了一次修正過(guò)程。需要說(shuō)明的是,式(11)只是采用一次采樣值進(jìn)行計(jì)算,容易出現(xiàn)較大的誤差,為此,可以利用n個(gè)采樣值進(jìn)行計(jì)算:式中,fR*(k)、f*L(k)表示k時(shí)刻時(shí),STATCOM的實(shí)際等效電阻和等效電感值;di+*(k-i)、qi+*(k-i)分別表示k-i時(shí)刻逆變器的實(shí)際輸出電流;fR(k-i)、Lf(k-i)分別表示k-i時(shí)刻的STATCOM等效電阻和等效電感值;i+dref(k-i)、i+qref(k-i)分別表示k-i時(shí)刻經(jīng)過(guò)電壓環(huán)計(jì)算出來(lái)的電流參考信號(hào)值。需要說(shuō)明的是,上述采用的是正序分量進(jìn)行的參數(shù)修正,為了提高精度,可以將式(9)改為式(8),利用正序和負(fù)序分量共同修正,但勢(shì)必增加計(jì)算復(fù)雜度。6試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)過(guò)程為了驗(yàn)證所提出控制方法的正確性和有效性,本文利用Matlab進(jìn)行了仿真研究。仿真參數(shù)如下:電源電壓等級(jí)為10kV,傳輸線長(zhǎng)50km,傳輸線末端經(jīng)變壓器降壓到380V后連接阻感負(fù)載,STATCOM通過(guò)一個(gè)1∶2的升壓變壓器并入電網(wǎng),其他參數(shù)見(jiàn)下表。控制過(guò)程中,直流側(cè)電容電壓參考值設(shè)定為500V;Rf、Lf初始值的選定,可以根據(jù)裝置參數(shù)試驗(yàn)得到,但應(yīng)保證盡可能接近理論值,本試驗(yàn)中,Rf設(shè)定為0.02?,Lf初始值設(shè)定為0.2mH,式(12)中的n取2。圖6給出了三相電壓平衡情況下的仿真結(jié)果,圖7給出了a相電壓出現(xiàn)跌落情況下的仿真結(jié)果。其中,圖7a為傳統(tǒng)雙環(huán)控制效果圖,圖7b為本文所提出控制方法的控制效果圖。兩種情況下,STATCOM都在0.1s時(shí)投入,各電壓值都采用標(biāo)幺值表示。圖8給出了本文所提出控制方法的參數(shù)修正結(jié)果。從圖中可以看出:(1)在三相電壓平衡情況下,傳統(tǒng)雙環(huán)控制和本文所提出的控制方法都能使接入點(diǎn)電壓維持在1(pu),但傳統(tǒng)雙環(huán)控制大約需要3個(gè)周波達(dá)到穩(wěn)定,而本文所提出控制方法只需要2個(gè)周波即可穩(wěn)定。(2)在STATCOM投入瞬間,采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較深的電壓跌落,然后又出現(xiàn)一次電壓抬升,最后才使接入點(diǎn)電壓達(dá)到穩(wěn)定。相比于本文所提出的控制方法,不管是電壓跌落深度,還是電壓抬升高度,都更加嚴(yán)重。(3)在三相電壓不平衡情況下,采用本文所提出的控制方法不僅都能使接入點(diǎn)電壓維持在1(pu),同時(shí)還能對(duì)電壓負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償,使接入點(diǎn)電壓保持三相平衡。而傳統(tǒng)雙環(huán)控制對(duì)不平衡電壓不能有效補(bǔ)償。在仿真的基礎(chǔ)上,本文還研制了一臺(tái)STATCOM試驗(yàn)樣機(jī),如圖9a所示,從左至右分別為控制柜、逆變柜和連接電抗器柜,連接電抗器0.2mH,STATCOM通過(guò)一個(gè)1∶2升壓耦合變壓器并入電網(wǎng)。試驗(yàn)接線圖如圖9b所示,圖中電感5mH,用來(lái)代替線路傳輸阻抗。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)改變無(wú)功負(fù)荷柜的一相負(fù)載模擬電網(wǎng)電壓不平衡,無(wú)功從1kvar突變到5kvar,并用FLUKE電能質(zhì)量測(cè)試儀記錄了STATCOM投入前后接入點(diǎn)電壓波形和注入電流波形,分別如圖9c~圖9d所示。從圖中可以看出:(1)投入STATCOM后,能有效降低接入點(diǎn)電壓的不平衡度,中性線電壓逐漸降為0。(2)圖9c與圖7a相比,未出現(xiàn)一次電壓大幅度跌落過(guò)程,這是由于STATCOM此時(shí)電容充電已經(jīng)完成。(3)圖9d中N相電流接近0,這是由于測(cè)量中沒(méi)有接中性線的緣故。7電流環(huán)路pi調(diào)節(jié)器在電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓自適應(yīng)針對(duì)STATCOM在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓時(shí),傳統(tǒng)雙環(huán)控制的不足之處,本文提出利用瞬時(shí)功率平衡原理,