基于前馈补偿量计算的级联H桥STATCOM相间电压平衡控制方法

基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法
技术领域
1.本发明采用一种基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，属于电力电子控制领域。


背景技术：

2.静止无功补偿器(statcom)是基于电力电子元件作为主电路，外加控制电路、驱动电路和检测电路组成的一种无功补偿装置。由于电力电子器件耐压能力的限制，普通的statcom在高电压、大功率的使用场景下通常需要通过变压器与系统相连接，而过多变压器的加入会对系统的稳定性造成一定的影响，同时也不利于系统的经济运行。级联h桥静止无功补偿器(chb-statcom)基于多电平和h桥串联结构，可以在无变压器的条件下对高电压大功率的系统进行直接的无功功率补偿，提高系统的稳定性和经济性。
3.直流侧电压平衡是chb-statcom控制中需要解决的重要问题，现有的研究大多采用三层电压控制来平衡直流侧电压，即总体电压控制、相间电压控制和相内电压控制。在电网电压不平衡时，由于正序和负序分量的产生，有功功率的不均衡流动会导致三相电压的不平衡，影响无功补偿能力甚至损坏电容器。当前有采用注入负序电流的方法来平衡直流侧电压，可以有效地将有功功率在三相中重新分配，但是不可避免地会向系统注入负序电流，会影响系统的电能质量。采用注入零序电压来平衡电容电压的方法因为其简单有效而被广泛采用，但在电网电压不平衡下，需要计及正序和负序分量的影响，仅仅以三相实际电容电压和参考电压构成的反馈控制不能很好地平衡相间电压。
4.因此本发明提出了一种考虑前馈补偿量计算的级联h桥statom相间电压平衡控制方法，在电网电压不平衡时，计算有功功率的前馈补偿量，增加前馈控制，能够较为准确地平衡相间电压，提高系统的安全性和稳定性。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是为了提供克服现有技术中存在的不足的基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法。
6.技术方案：本发明所述的一种基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，包括以下步骤：
7.s1：获取电网电压不平衡下级联h桥statcom的正负序输出电压和输出电流公式；
8.s2：电网电压不平衡下，考虑负序电压和电流的影响，计算电网和级联h桥statcom之间的有功功率流动，将流入级联h桥statcom的三相有功功率分为有功功率恒定量和有功功率波动量；
9.s3：对流入级联h桥statcom的三相有功功率进行正负序分解，分别平衡正负序有功功率波动量，得到有功功率的前馈补偿量；
10.s4：根据s2中的有功功率，提取零序有功功率进行坐标变换，在两相静止坐标系下
得到零序电压注入量的计算公式；
11.s5：检测并采集实际的三相电容电压，与设定的电压参考值作差，经pi控制器后输出有功功率差值，叠加s3中计算得到的前馈补偿量后，作为零序电压计算的有功功率输入值，根据实际的运行情况，向级联h桥statcom的三相注入s4中计算的零序电压，平衡三相电容电压。
12.进一步，所述步骤s1中，在电网电压不平衡运行时，电网中将出现正序、负序和零序分量，推导电网电压不平衡下级联h桥statcom的输出电压为：
[0013][0014]
式中：u
ca
、u
cb
、u
cc
为级联h桥statcom三相输出电压；u
p
、un、u0为并网点电压的正序、负序和零序分量；θ
p
、θn、θ0为并网点电压正序、负序和零序分量初相角；w为电压角频率。
[0015]
由于级联h桥statcom采用星型接线，不存在零序电流流通回路，得到级联h桥statcom三相输出电流为：
[0016][0017]
式中：i
ca
、i
cb
、i
cc
为级联h桥statcom三相输出电流；i
p
、in为输出电流的正序、负序分量；δ
p
、δn为输出电流正序、负序分量初相角。
[0018]
进一步，所述步骤s2中，在电网电压不平衡下，负序电压、电流分量un、in不能忽略，即吸收的有功功率分为三相功率中存在的相同部分有功恒定分量p和不同部分有功波动分量
△
pi，具体表示如下：
[0019]
pi＝p δpi,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
式中：pi为流入各相的有功功率；p为有功恒定分量；
△
pi为各相有功波动分量；a,b,c分别表示a相、b相和c相。
[0021]
根据瞬时功率理论，利用式(1)和式(2)求得级联h桥statcom从系统中吸收的三相有功功率，其中，式(3)中有功功率恒定分量p和有功功率波动分量
△
pi分别表示为：
[0022]
[0023][0024]
式中：
△
pa、
△
pb、
△
pc分别为abc三相有功功率波动分量。
[0025]
进一步，所述步骤s3中，对式(5)中的有功波动分量进行正负序坐标变换，将其分为正序、负序和零序有功波动分量，分别表示为：
[0026][0027][0028][0029]
式中：δp
ap
、δp
an
、δp
a0
分别为a相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；δp
bp
、δp
bn
、δp
b0
分别为b相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；δp
cp
、δp
cn
、δp
c0
分别为c相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；u
dp
、u
dn
分别为并网点d轴电压的正序和负序分量；u
qp
、u
qn
分别为并网点q轴电压的正序和负序分量；u
d0
、u
q0
分别为并网点零序电压的d轴、q轴分量；i
dp
、i
dn
分别为输出d轴电流的正序和负序分量；i
qp
、i
qn
分别为输出q轴电流的正序和负序分量。
[0030]
根据式(6)-式(8)可以看出，零序电压不会影响三相总有功功率的大小，只会影响整体有功功率在三相中的分布，可以通过调整零序电压的三相分布来平衡三相电容电压，根据式(5)可以将式(3)表示为：
[0031]
pi＝p δp
ip
δp
in
δp
i0
,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0032]
式中：δp
ip
、δp
in
、δp
i0
为各相正序、负序和零序有功功率波动分量。
[0033]
利用pi控制器对三相实际电容电压与设定的电压参考值进行误差调节，在形成反馈控制的基础上，将三相正序和负序有功功率波动量作为前馈补偿来提高三相有功功率分配的精度，联立式(6)-式(9)求解可以得到有功功率的前馈补偿量为：
[0034][0035]
式中，δp
af
、δp
bf
、δp
cf
分别为abc三相的有功功率前馈补偿量。
[0036]
进一步，所述步骤s4中，根据式(5)，将abc三相有功功率零序分量进行clark变换，得到两相静止坐标系下的有功功率零序分量为：
[0037][0038]
式中，δp
α0
、δp
β0
为两相静止坐标系下零序有功功率分量；δp
a0
、δp
b0
、δp
c0
分别为三相静止坐标系下零序有功功率分量；δ0为输出电流零序分量初相角；t
3s/2s
表示clark变换。
[0039]
将零序电压u0表示为：
[0040][0041]
式中：u
x0
、u
y0
分别表示零序电压的x轴和y轴分量。
[0042]
根据式(12)可以将u0表示为u
x0
和u
y0
的形式，并替换掉式(11)中出现的u0，再对式(11)进行正负序旋转坐标变换可以得到零序电压的计算公式为：
[0043][0044]
进一步，所述步骤s5中，根据式(13)可知，三相注入零序电压的计算需要零序有功功率作为已知量，通过式(9)可以推导得到：
[0045]
p
i0
＝p
i-p-(δp
ip
δp
in
)＝p
ifb-p
if
,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0046]
式中：p
i0
为流入各相的有功功率零序分量；pi为流入各相的有功功率；p为有功恒定分量；p
ifb
为反馈控制中实际采集的电容电压与参考电压差值经pi控制器后产生的有功功率差值；p
if
为有功功率的前馈补偿量；δp
ip
、δp
in
为各相正序和负序有功功率波动分量。
[0047]
采集级联h桥statcom三相电容电压值后，与设定的电压参考值作差，再经pi控制器输出有功功率差值p
ifb
，与s3中计算得到的有功前馈补偿量相加，再根据式(14)得到零序有功功率的参考值p
i0
，通过中式(11)和式(13)计算得到需要注入的零序电压值，在abc三相中注入s4中计算的零序电压，平衡级联h桥statcom有功功率的三相分布和三相电容电压。
[0048]
有益效果：本发明公开了一种基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，在注入零序电压平衡三相电容电压的基础上，增加了前馈补偿控制，计算电网电压不平衡下有功功率的前馈补偿量并将其作为零序电压计算的一部分，可以提高三相电压的平衡效果，有利于系统的稳定性和安全性。
附图说明
[0049]
图1为级联h桥statcom的星型连接拓扑结构；
[0050]
图2为本发明具体实施方式中应用于海上风电场发电系统的结构框图；
[0051]
图3为本发明具体实施方式中级联h桥statcom无功功率补偿功能实现的控制图；
[0052]
图4为本发明具体实施方式中级联h桥statcom相间电压平衡控制图；
[0053]
图5为本发明具体实施方式中风电场35kv母线上无功功率波形图；
[0054]
图6为本发明具体实施方式中不加前馈补偿量的三相电容电压波形图；
[0055]
图7为本发明具体实施方式中采用本发明技术方案控制方式下的三相电容电压波形图。
具体实施方式
[0056]
本具体实施方式公开了一种基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，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说明。
[0057]
本发明提出的基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，可以应用于图2所示的海上风电场发电系统并网环境中。其中，g1和g2分别代表8台永磁同步发电机(pmsg)的组合，g3-g6分别代表4台pmsg的组合，即实施例中的海上风电场实际是由36台pmsg机组组成的。
[0058]
经过升压变压器后，在35kv母线上并入级联h桥statcom进行无功功率补偿，控制方式如图3所示，分别对电网电压和电流进行正负序分解，与检测到的参考电流进行反馈控制，在正序坐标和负序坐标下分别控制电流实际值和参考值的误差在允许范围内，达到动态无功功率补偿的控制目的。
[0059]
相间电压平衡控制采用本发明提出的基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法，控制框图如图4所示，具体的实现步骤包括：
[0060]
s1：获取电网电压不平衡下级联h桥statcom的正负序输出电压和输出电流公式；
[0061]
s2：电网电压不平衡下，考虑负序电压和电流的影响，计算电网和级联h桥statcom之间的有功功率流动，将流入级联h桥statcom的三相有功功率分为有功功率恒定量和有功功率波动量；
[0062]
s3：对流入级联h桥statcom的三相有功功率进行正负序分解，分别平衡正负序有功功率波动量，得到有功功率的前馈补偿量；
[0063]
s4：根据s2中的有功功率，提取零序有功功率进行坐标变换，在两相静止坐标系下得到零序电压注入量的计算公式；
[0064]
s5：检测并采集实际的三相电容电压，与设定的电压参考值作差，经pi控制器后输出有功功率差值，叠加s3中计算得到的前馈补偿量后，作为零序电压计算的有功功率输入值，根据实际的运行情况，向级联h桥statcom的三相注入s4中计算的零序电压，平衡三相电容电压。
[0065]
步骤s1中，在电网电压不平衡运行时，电网中将出现正序、负序和零序分量，推导电网电压不平衡下级联h桥statcom的输出电压为：
[0066][0067]
式中：u
ca
、u
cb
、u
cc
为级联h桥statcom三相输出电压；u
p
、un、u0为并网点电压的正序、负序和零序分量；θ
p
、θn、θ0为并网点电压正序、负序和零序分量初相角；w为电压角频率。
[0068]
由于级联h桥statcom采用星型接线，不存在零序电流流通回路，得到级联h桥statcom三相输出电流为：
[0069][0070]
式中：i
ca
、i
cb
、i
cc
为级联h桥statcom三相输出电流；i
p
、in为输出电流的正序、负序分量；δ
p
、δn为输出电流正序、负序分量初相角。
[0071]
步骤s2中，在电网电压不平衡下，负序电压、电流分量un、in不能忽略，即吸收的有功功率分为三相功率中存在的相同部分有功恒定分量p和不同部分有功波动分量
△
pi，具体表示如下：
[0072]
pi＝p δpi,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0073]
式中：pi为流入各相的有功功率；p为有功恒定分量；
△
pi为各相有功波动分量；a,b,c分别表示a相、b相和c相。
[0074]
根据瞬时功率理论，利用式(1)和式(2)求得级联h桥statcom从系统中吸收的三相有功功率，其中，式(3)中有功功率恒定分量p和有功功率波动分量
△
pi分别表示为：
[0075][0076][0077]
式中：
△
pa、
△
pb、
△
pc分别为abc三相有功功率波动分量。
[0078]
步骤s3中，对式(5)中的有功波动分量进行正负序坐标变换，将其分为正序、负序和零序有功波动分量，分别表示为：
[0079][0080][0081][0082]
式中：δp
ap
、δp
an
、δp
a0
分别为a相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；δp
bp
、δp
bn
、δp
b0
分别为b相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；δp
cp
、δp
cn
、δp
c0
分别为c相有功功率波动量的正序、负序和零序分量；u
dp
、u
dn
分别为并网点d轴电压的正序和负序分量；u
qp
、u
qn
分别为并网点q轴电压的正序和负序分量；u
d0
、u
q0
分别为并网点零序电压的d轴、q轴分量；i
dp
、i
dn
分别为输出d轴电流的正序和负序分量；i
qp
、i
qn
分别为输出q轴电流的正序和负序分量。
[0083]
根据式(6)-式(8)可以看出，零序电压不会影响三相总有功功率的大小，只会影响整体有功功率在三相中的分布，可以通过调整零序电压的三相分布来平衡三相电容电压，根据式(5)可以将式(3)表示为：
[0084]
pi＝p δp
ip
δp
in
δp
i0
,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0085]
式中：δp
ip
、δp
in
、δp
i0
为各相正序、负序和零序有功功率波动分量。
[0086]
利用pi控制器对三相实际电容电压与设定的电压参考值进行误差调节，在形成反馈控制的基础上，将三相正序和负序有功功率波动量作为前馈补偿来提高三相有功功率分配的精度，联立式(6)-式(9)求解可以得到有功功率的前馈补偿量为：
[0087][0088]
式中，δp
af
、δp
bf
、δp
cf
分别为abc三相的有功功率前馈补偿量。
[0089]
步骤s4中，根据式(5)，将abc三相有功功率零序分量进行clark变换，得到两相静止坐标系下的有功功率零序分量为：
[0090][0091]
式中，δp
α0
、δp
β0
为两相静止坐标系下零序有功功率分量；δp
a0
、δp
b0
、δp
c0
分别
为三相静止坐标系下零序有功功率分量；δ0为输出电流零序分量初相角；t
3s/2s
表示clark变换。
[0092]
将零序电压u0表示为：
[0093][0094]
式中：u
x0
、u
y0
分别表示零序电压的x轴和y轴分量；
[0095]
根据式(12)可以将u0表示为u
x0
和u
y0
的形式，并替换掉式(11)中出现的u0，再对式(11)进行正负序旋转坐标变换可以得到零序电压的计算公式为：
[0096][0097]
步骤s5中，根据式(13)可知，三相注入零序电压的计算需要零序有功功率作为已知量，通过式(9)可以推导得到：
[0098]
p
i0
＝p
i-p-(δp
ip
δp
in
)＝p
ifb-p
if
,i＝a,b,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0099]
式中：p
i0
为流入各相的有功功率零序分量；pi为流入各相的有功功率；p为有功恒定分量；p
ifb
为反馈控制中实际采集的电容电压与参考电压差值经pi控制器后产生的有功功率差值；p
if
为有功功率的前馈补偿量；δp
ip
、δp
in
为各相正序和负序有功功率波动分量。
[0100]
采集级联h桥statcom三相电容电压值后，与设定的电压参考值作差，再经pi控制器输出有功功率差值p
ifb
，与s3中计算得到的有功前馈补偿量相加，再根据式(14)得到零序有功功率的参考值p
i0
，通过中式(11)和式(13)计算得到需要注入的零序电压值，在abc三相中注入s4中计算的零序电压，平衡级联h桥statcom有功功率的三相分布和三相电容电压。
[0101]
为验证本发明的基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法的有效性，请参阅图5-图7。在实施例中，电网2s时发生单相不对称故障，2.5s时恢复稳态运行，以此来模拟电网的电压不平衡。图5为补偿前后35kv母线上无功功率的波形图，可以看出在没有无功功率补偿装置对系统进行补偿时，风电场会从电网吸收约7mvar的无功功率，使系统的功率因数和降低。加入级联h桥statcom后，在稳态和电网电压不平衡下均能使母线上的无功功率趋于0，提高了系统的功率因数，实现了级联h桥statcom的无功功率补偿功能。图6表示不考虑前馈补偿量的普通相间控制策略下三相电容电压的波形图，图7表示采用本发明提出的技术方案后三相电容电压波形图，对比图6和图7可以看出，在电网电压不平衡下，普通的相间电压平衡控制策略不能很好地平衡三相电压，各相电压会出现较大的差值。基于前馈补偿量计算的级联h桥statcom相间电压平衡控制方法则可以很好地平衡三相电容电压，明显减小三相电压的差值，且能够保持在很小的范围内波动，说明了本发明的有效性。