專利名稱：Statcom的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子裝置的控制方法，特別是涉及一種STATCOM 的控制方法。
技術(shù)背景STATACOM (Static Synchronous Compensator)稱為靜態(tài)同步無功補(bǔ) 償器，又稱有源無功補(bǔ)償器或先進(jìn)無功發(fā)生器，是采用電力電子裝置向電 網(wǎng)注入連續(xù)可調(diào)的超前或滯后的無功功率，用以提高電網(wǎng)功率因數(shù)、穩(wěn)定 電網(wǎng)電壓、減小電網(wǎng)損耗。STATCOM的主電路原理示意圖如圖l所示，其核心是一個(gè)逆變器，Vi、 V2、 V3、 V4、 Vs和V6是逆變器的功率開關(guān)器件，逆變器的直流側(cè)有電容Cd， 交流側(cè)通過連接電抗L、 Lb和L。與電網(wǎng)相連。目前STATACOM的控制方法有兩種間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制STATCOM是通過控制逆變器的電壓相位，從而控制輸出 的無功電流。間接電流控制對直流側(cè)電壓不加控制，直流側(cè)電壓會根據(jù)無 功功率的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)。間接電流控制的特點(diǎn)是開關(guān)器的開關(guān)頻率低，系 統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，可以通過多重化技術(shù)提高逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量， 從而減少輸出電流的諧波大小，適合應(yīng)用于大功率的STATCOM的控制。直接電流控制STATCOM是通過電流閉環(huán)使STATCOM輸出的無功電流跟 蹤指令電流的變化，同時(shí)通過控制STATCOM輸出的有功電流保持直流電壓的穩(wěn)定。直接電流控制的響應(yīng)速度快，但開關(guān)器的開關(guān)頻率較高，適合應(yīng)用于中小功率的STATCOM的控制。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種可變直流電壓的直接電流控制STATCOM的方法。該方 法根據(jù)無功補(bǔ)償電流的方向和大小改變直流電壓參考值，同時(shí)通過SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation,空間矢量脈寬調(diào)制)技術(shù)進(jìn)一 步提高直流電壓的利用率。本發(fā)明一種STATCOM的控制方法采用直接電流控制STATCOM,其中 STATCOM采用的直流電壓是可變的，該可變的直流電壓始終跟直流電壓參考 值的變化保持一致，補(bǔ)償電流超前時(shí)STATCOM采用的直流電壓大于補(bǔ)償電 流滯后時(shí)STATCOM采用的直流電壓，STATCOM都能夠達(dá)到額定的補(bǔ)償容量。所述的STATCOM的控制方法，STATCOM的控制是基于電壓空間矢量，在 控制環(huán)路引入STATCOM補(bǔ)償電流反饋，利用鎖相環(huán)技術(shù)將指令電流變換到 電壓平面，同時(shí)采用SVPWM技術(shù)輸出脈寬調(diào)制信號。圖2是本發(fā)明可變直流電壓的直接電流控制STATCOM的示意圖。通常 STATCOM連接電感器的電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此以下分析將忽略電感器的電 阻，將電感器的電抗用X,等效。本發(fā)明可變直流電壓的直接電流控制STATCOM的主要思想請參閱圖2， STATCOM通過電流傳感器檢測三相負(fù)載電流i^和STATCOM輸出的補(bǔ)償電流 iab。，通過電壓傳感器和互感器檢測三相電源電壓V^。上述輸入的信號經(jīng)過 STATCOM控制器計(jì)算后，輸出驅(qū)動(dòng)電壓源逆變器VSI的脈寬調(diào)制信號P麗，使得STATC0M實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無功電流i,q 。 其中STATCOM控制器的工作原理分析如下通過鎖相環(huán)PLL，控制器實(shí)時(shí)檢測三相電源電壓V^的相位信息。通過 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(abc/dq變換)，控制器將三相負(fù)載電流i^。轉(zhuǎn)換到dq坐 標(biāo)系下，得到的dq坐標(biāo)系下的無功分量^， i,q即為負(fù)載無功電流。、通 過低通濾波器LPF后濾除諧波等交流分量，得到無功負(fù)載電流的直流分量 iqref， i-即為無功補(bǔ)償電流參考值。將i-經(jīng)過"可變直流電壓給定"模塊 即得到直流電壓參考值V^ 。 Vref與直流電壓Vd。疊加后經(jīng)過PI控制器得到有 功電流參考值i^， i^f與補(bǔ)償電流i^變換后的有功分量id疊加后，再經(jīng)過PI控制器實(shí)現(xiàn)電流空間矢量(id， iq)到電壓空間矢量(Vd， Vq)的轉(zhuǎn)換，電壓空間矢量通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)逆變換(dq/ abc變換)得到三相參考電壓 V旨。最后，V^通過SVP麗技術(shù)輸出脈寬調(diào)制信號P麗。P麗信號控制電 壓源逆變器VSI三組橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的作用時(shí)間，從而輸出電 壓脈沖，構(gòu)成大小和方向不同的電壓矢量V^b。。由于連接電抗X,上的電壓 矢量V^。-V^-Veab。，而電源電壓V^。是恒定的，因此改變V"b。的大小和方 向，就可以改變V^。。而"b。-V^。/X,，因此改變V"b。的大小和方向，就可 以改變STATCOM輸出的補(bǔ)償電流i^的方向和大小。當(dāng)iq等于i一時(shí)，STATCOM 輸出的補(bǔ)償電流"b。也就實(shí)時(shí)補(bǔ)償了無功負(fù)載電流i,q的變化。另一方面，電壓控制環(huán)路通過PI控制器調(diào)節(jié)STATC0M輸出的有功補(bǔ)償 電流id的大小，實(shí)現(xiàn)了 STATC0M與系統(tǒng)的有功交換，達(dá)到控制STATCOM直 流電壓的目的。因此，STATCOM直流電壓Vd?？梢愿S直流電壓參考值V^的變化。通過上述的分析，STATCOM控制器實(shí)現(xiàn)了具有可變直流電壓特性的直 接電流控制STATC0M的方法。本發(fā)明可以使STATC0M的調(diào)制深度保持在0.9以上，并且調(diào)制深度與補(bǔ)償電流的無功分量的方向和大小無關(guān)。由于在補(bǔ)償電流超前和滯后兩種 情況采用不同的直流電壓參考值V^，因此，兩種情況下STATCOM都能夠工作在較高調(diào)制深度下。另一方面，由于控制環(huán)路引入STATCOM補(bǔ)償電流反 饋，并利用鎖相環(huán)技術(shù)將指令電流變換到電壓平面，采用SVP麗技術(shù)后可 以進(jìn)一步提高直流電壓的利用率。與現(xiàn)有的STATCOM方法相比，由于采用了直接電流控制方法，逆變器 輸出電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；無功有功電流解耦控制，直流電壓可通過控 制STATCOM的有功電流獨(dú)立調(diào)節(jié)；由于STATC0M的直流電壓較低、調(diào)整深 度高，因此其輸出電流的諧波小，功率器件的開關(guān)損耗低。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明-圖1是STATC0M的主電路原理示意圖；圖2是本發(fā)明可變直流電壓的直接電流控制STATC0M的方法示意圖；圖3是補(bǔ)償電流超前時(shí)系統(tǒng)的相量圖；圖4是補(bǔ)償電流滯后時(shí)系統(tǒng)的相量圖；圖5是"可變直流電壓給定"模塊實(shí)現(xiàn)方式一的示意圖；圖6是"可變直流電壓給定"模塊實(shí)現(xiàn)方式二的示意圖。圖中的附圖標(biāo)記為Cd—電容；Vi、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6 —功率開關(guān)器件；La、 Lb、 L。一連接電抗；VSI —電壓源逆變器；PLL—鎖相環(huán)；LPF—低通濾波器；PI—PI控制器；SVP畫一空間矢量脈寬調(diào)制；P麗一脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號； Vabc —電源電壓；VSabe—電源電壓；VCabe—輸出電壓；VXabc —電抗電壓；VRabc —參考電壓；Vd?！绷麟妷?；Vref—直流電壓參考值；i^。一負(fù)載電流；i,q —無功負(fù)載電流；iqref—無功補(bǔ)償電流參考值；L。一補(bǔ)償電流；iq —無功補(bǔ) 償電流；"_有功補(bǔ)償電流；i^一有功電流參考值；1。一補(bǔ)償電流；Us — 電源電壓；Ue—輸出電壓；Ux—電感器電壓。
具體實(shí)施方式
圖3和圖4分別是補(bǔ)償電流超前和補(bǔ)償電流滯后時(shí)系統(tǒng)的相量圖。為 了說明的簡化，不考慮STATCOM與系統(tǒng)的有功電流交換。其中k、 Us、 Ue、 Ux分別是i^、 VSab。、 Veabc、 V^。在dq坐標(biāo)下的相量表示。圖3是補(bǔ)償電流超前時(shí)系統(tǒng)的相量圖，此時(shí)STATCOM輸出的補(bǔ)償電流I。 超前電源電壓U"電感器電壓Ux與電源電壓Us方向相反。STATCOM的輸出 電壓Uc的大小IUc卜IUsl + IUxl，那么IUc卜IUsl,即輸出電壓Uc要比電源電壓 Us大。而輸出電壓Uc是由STATCOM中的直流電壓決定的，因此STATCOM必須采用較高的直流電壓。圖4是補(bǔ)償電流滯后時(shí)系統(tǒng)的相量圖，此時(shí)STATC0M輸出的補(bǔ)償電流le滯后電源電壓Us，電感器電壓Ux與電源電壓Us方向相同。STATCOM的輸出 電壓Uc的大小IUc卜IUs卜IUxl，那么IUc卜IUsl，即輸出電壓Uc要比電源電壓 Us小。而輸出電壓Uc是由STATCOM中的直流電壓決定的，因此STATCOM必 須采用較低的直流電壓。此時(shí)，受益于較低的直流電壓，STATCOM中逆變器的開關(guān)應(yīng)力降低，開關(guān)損耗減小，補(bǔ)償電流Ie的諧波減小，STATCOM的效率、可靠性和穩(wěn)定性提高。STATC0M的補(bǔ)償容量通常由電感器電壓Ux體現(xiàn)。在補(bǔ)償電流超前時(shí)，電感器電壓Ux的大小IUx卜IUc卜|US|;在補(bǔ)償電流滯后時(shí)，電感器電壓Ux的大小IUx卜IUs卜IUcl。通常電源電壓Us是恒定的，那么通過控制輸出電壓Uc的大小就可以使STATC0M總能達(dá)到額定的補(bǔ)償容量。圖2中"可變直流電壓給定"模塊可由以下兩種方式實(shí)現(xiàn) 一是最大最小值方式，請參閱圖5。這種方式的特點(diǎn)是在補(bǔ)償電流超前即i^f〉0時(shí)，直流電壓參考值、f選擇最大額定值Vm"在補(bǔ)償電流滯后即i^f <0時(shí)，直流電壓參考值Vr。f選擇最小額定值V^。通常最大額定值V^和最小額定值v^是固定的，這樣當(dāng)補(bǔ)償電流超前或滯后變化時(shí)，直流電壓參考值V^就在兩個(gè)固定值V^和V^之間變動(dòng)。這種方式適合應(yīng)用于補(bǔ)償電流的方向改變較少的情況。二是線性方式，請參閱圖6。這種方式的特點(diǎn)是直流電壓參考值Vw根據(jù)補(bǔ)償電流的大小和方向作線性地改變，即、f -kxi^f+O^^+V^J/S,其中參數(shù)k為直流電壓參考值、f的變化率，由連接電抗的大小決定。這種方式適合應(yīng)用于補(bǔ)償電流的大小改變緩慢的情況。
權(quán)利要求
1.一種STATCOM的控制方法，該方法采用直接電流控制STATCOM，其特征是STATCOM采用的直流電壓是可變的，該可變的直流電壓始終跟直流電壓參考值的變化保持一致，補(bǔ)償電流超前時(shí)STATCOM采用的直流電壓大于補(bǔ)償電流滯后時(shí)STATCOM采用的直流電壓，STATCOM都能夠達(dá)到額定的補(bǔ)償容量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是STATC0M 的控制是基于電壓空間矢量，在控制環(huán)路引入STATC0M補(bǔ)償電流反饋，利 用鎖相環(huán)技術(shù)將指令電流變換到電壓平面，同時(shí)采用SVP麗技術(shù)輸出脈寬 調(diào)制信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是補(bǔ)償電流 超前時(shí)直流電壓參考值采用最大額定值，補(bǔ)償電流滯后時(shí)直流電壓參考值 采用最小額定值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是直流電壓 參考值根據(jù)補(bǔ)償電流的大小和方向線性變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種STATCOM的控制方法，該方法采用直接電流控制STATCOM，并且STATCOM采用的直流電壓是可變的，該可變的直流電壓始終跟直流電壓參考值保持一致，補(bǔ)償電流超前時(shí)STATCOM采用的直流電壓大于補(bǔ)償電流滯后時(shí)STATCOM采用的直流電壓，STATCOM都能夠達(dá)到額定的補(bǔ)償容量。籍此本發(fā)明可以通過改變直流電壓的大小降低功率器件的開關(guān)損耗，降低輸出電流的諧波分量，使裝置有響應(yīng)速度快、效率高、注入電網(wǎng)諧波電流小的特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)已通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，可用于中小容量STATCOM的控制。
文檔編號H02J3/16GK101335453SQ200710093910
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者娜 丁, 張昆侖, 舒澤亮, 郭育華 申請人:上海磁浮交通工程技術(shù)研究中心