专利名称：Statcom的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子装置的控制方法，特别是涉及一种STATCOM 的控制方法。
技术背景STATACOM (Static Synchronous Compensator)称为静态同步无功补 偿器，又称有源无功补偿器或先进无功发生器，是采用电力电子装置向电 网注入连续可调的超前或滞后的无功功率，用以提高电网功率因数、稳定 电网电压、减小电网损耗。STATCOM的主电路原理示意图如图l所示，其核心是一个逆变器，Vi、 V2、 V3、 V4、 Vs和V6是逆变器的功率开关器件，逆变器的直流侧有电容Cd， 交流侧通过连接电抗L、 Lb和L。与电网相连。目前STATACOM的控制方法有两种间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制STATCOM是通过控制逆变器的电压相位，从而控制输出 的无功电流。间接电流控制对直流侧电压不加控制，直流侧电压会根据无 功功率的需求自动调节。间接电流控制的特点是开关器的开关频率低，系 统响应速度较慢，可以通过多重化技术提高逆变器输出电压波形的质量， 从而减少输出电流的谐波大小，适合应用于大功率的STATCOM的控制。直接电流控制STATCOM是通过电流闭环使STATCOM输出的无功电流跟 踪指令电流的变化，同时通过控制STATCOM输出的有功电流保持直流电压的稳定。直接电流控制的响应速度快，但开关器的开关频率较高，适合应用于中小功率的STATCOM的控制。 发明内容本发明提出一种可变直流电压的直接电流控制STATCOM的方法。该方 法根据无功补偿电流的方向和大小改变直流电压参考值，同时通过SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation,空间矢量脉宽调制)技术进一 步提高直流电压的利用率。本发明一种STATCOM的控制方法采用直接电流控制STATCOM,其中 STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考 值的变化保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电 流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。所述的STATCOM的控制方法，STATCOM的控制是基于电压空间矢量，在 控制环路引入STATCOM补偿电流反馈，利用锁相环技术将指令电流变换到 电压平面，同时采用SVPWM技术输出脉宽调制信号。图2是本发明可变直流电压的直接电流控制STATCOM的示意图。通常 STATCOM连接电感器的电阻远小于电抗，因此以下分析将忽略电感器的电 阻，将电感器的电抗用X,等效。本发明可变直流电压的直接电流控制STATCOM的主要思想请参阅图2， STATCOM通过电流传感器检测三相负载电流i^和STATCOM输出的补偿电流 iab。，通过电压传感器和互感器检测三相电源电压V^。上述输入的信号经过 STATCOM控制器计算后，输出驱动电压源逆变器VSI的脉宽调制信号P丽，使得STATC0M实时补偿负载的无功电流i,q 。 其中STATCOM控制器的工作原理分析如下通过锁相环PLL，控制器实时检测三相电源电压V^的相位信息。通过 同步旋转坐标变换(abc/dq变换)，控制器将三相负载电流i^。转换到dq坐 标系下，得到的dq坐标系下的无功分量^， i,q即为负载无功电流。、通 过低通滤波器LPF后滤除谐波等交流分量，得到无功负载电流的直流分量 iqref， i-即为无功补偿电流参考值。将i-经过"可变直流电压给定"模块 即得到直流电压参考值V^ 。 Vref与直流电压Vd。叠加后经过PI控制器得到有 功电流参考值i^， i^f与补偿电流i^变换后的有功分量id叠加后，再经过PI控制器实现电流空间矢量(id， iq)到电压空间矢量(Vd， Vq)的转换，电压空间矢量通过同步旋转坐标逆变换(dq/ abc变换)得到三相参考电压 V旨。最后，V^通过SVP丽技术输出脉宽调制信号P丽。P丽信号控制电 压源逆变器VSI三组桥臂开关管的导通、关断状态的作用时间，从而输出电 压脉冲，构成大小和方向不同的电压矢量V^b。。由于连接电抗X,上的电压 矢量V^。-V^-Veab。，而电源电压V^。是恒定的，因此改变V"b。的大小和方 向，就可以改变V^。。而"b。-V^。/X,，因此改变V"b。的大小和方向，就可 以改变STATCOM输出的补偿电流i^的方向和大小。当iq等于i一时，STATCOM 输出的补偿电流"b。也就实时补偿了无功负载电流i,q的变化。另一方面，电压控制环路通过PI控制器调节STATC0M输出的有功补偿 电流id的大小，实现了 STATC0M与系统的有功交换，达到控制STATCOM直 流电压的目的。因此，STATCOM直流电压Vd。可以跟随直流电压参考值V^的变化。通过上述的分析，STATCOM控制器实现了具有可变直流电压特性的直 接电流控制STATC0M的方法。本发明可以使STATC0M的调制深度保持在0.9以上，并且调制深度与补偿电流的无功分量的方向和大小无关。由于在补偿电流超前和滞后两种 情况采用不同的直流电压参考值V^，因此，两种情况下STATCOM都能够工作在较高调制深度下。另一方面，由于控制环路引入STATCOM补偿电流反 馈，并利用锁相环技术将指令电流变换到电压平面，采用SVP丽技术后可 以进一步提高直流电压的利用率。与现有的STATCOM方法相比，由于采用了直接电流控制方法，逆变器 输出电流的动态响应速度快；无功有功电流解耦控制，直流电压可通过控 制STATCOM的有功电流独立调节；由于STATC0M的直流电压较低、调整深 度高，因此其输出电流的谐波小，功率器件的开关损耗低。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明-图1是STATC0M的主电路原理示意图；图2是本发明可变直流电压的直接电流控制STATC0M的方法示意图；图3是补偿电流超前时系统的相量图；图4是补偿电流滞后时系统的相量图；图5是"可变直流电压给定"模块实现方式一的示意图；图6是"可变直流电压给定"模块实现方式二的示意图。图中的附图标记为Cd—电容；Vi、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6 —功率开关器件；La、 Lb、 L。一连接电抗；VSI —电压源逆变器；PLL—锁相环；LPF—低通滤波器；PI—PI控制器；SVP画一空间矢量脉宽调制；P丽一脉宽调制驱动信号； Vabc —电源电压；VSabe—电源电压；VCabe—输出电压；VXabc —电抗电压；VRabc —参考电压；Vd。—直流电压；Vref—直流电压参考值；i^。一负载电流；i,q —无功负载电流；iqref—无功补偿电流参考值；L。一补偿电流；iq —无功补 偿电流；"_有功补偿电流；i^一有功电流参考值；1。一补偿电流；Us — 电源电压；Ue—输出电压；Ux—电感器电压。
具体实施方式
图3和图4分别是补偿电流超前和补偿电流滞后时系统的相量图。为 了说明的简化，不考虑STATCOM与系统的有功电流交换。其中k、 Us、 Ue、 Ux分别是i^、 VSab。、 Veabc、 V^。在dq坐标下的相量表示。图3是补偿电流超前时系统的相量图，此时STATCOM输出的补偿电流I。 超前电源电压U"电感器电压Ux与电源电压Us方向相反。STATCOM的输出 电压Uc的大小IUc卜IUsl + IUxl，那么IUc卜IUsl,即输出电压Uc要比电源电压 Us大。而输出电压Uc是由STATCOM中的直流电压决定的，因此STATCOM必须采用较高的直流电压。图4是补偿电流滞后时系统的相量图，此时STATC0M输出的补偿电流le滞后电源电压Us，电感器电压Ux与电源电压Us方向相同。STATCOM的输出 电压Uc的大小IUc卜IUs卜IUxl，那么IUc卜IUsl，即输出电压Uc要比电源电压 Us小。而输出电压Uc是由STATCOM中的直流电压决定的，因此STATCOM必 须采用较低的直流电压。此时，受益于较低的直流电压，STATCOM中逆变器的开关应力降低，开关损耗减小，补偿电流Ie的谐波减小，STATCOM的效率、可靠性和稳定性提高。STATC0M的补偿容量通常由电感器电压Ux体现。在补偿电流超前时，电感器电压Ux的大小IUx卜IUc卜|US|;在补偿电流滞后时，电感器电压Ux的大小IUx卜IUs卜IUcl。通常电源电压Us是恒定的，那么通过控制输出电压Uc的大小就可以使STATC0M总能达到额定的补偿容量。图2中"可变直流电压给定"模块可由以下两种方式实现 一是最大最小值方式，请参阅图5。这种方式的特点是在补偿电流超前即i^f〉0时，直流电压参考值、f选择最大额定值Vm"在补偿电流滞后即i^f <0时，直流电压参考值Vr。f选择最小额定值V^。通常最大额定值V^和最小额定值v^是固定的，这样当补偿电流超前或滞后变化时，直流电压参考值V^就在两个固定值V^和V^之间变动。这种方式适合应用于补偿电流的方向改变较少的情况。二是线性方式，请参阅图6。这种方式的特点是直流电压参考值Vw根据补偿电流的大小和方向作线性地改变，即、f -kxi^f+O^^+V^J/S,其中参数k为直流电压参考值、f的变化率，由连接电抗的大小决定。这种方式适合应用于补偿电流的大小改变缓慢的情况。
权利要求
1.一种STATCOM的控制方法，该方法采用直接电流控制STATCOM，其特征是STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考值的变化保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。
2. 根据权利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是STATC0M 的控制是基于电压空间矢量，在控制环路引入STATC0M补偿电流反馈，利 用锁相环技术将指令电流变换到电压平面，同时采用SVP丽技术输出脉宽 调制信号。
3. 根据权利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是补偿电流 超前时直流电压参考值采用最大额定值，补偿电流滞后时直流电压参考值 采用最小额定值。
4. 根据权利要求1所述的STATC0M的控制方法，其特征是直流电压 参考值根据补偿电流的大小和方向线性变化。
全文摘要
本发明公开了一种STATCOM的控制方法，该方法采用直接电流控制STATCOM，并且STATCOM采用的直流电压是可变的，该可变的直流电压始终跟直流电压参考值保持一致，补偿电流超前时STATCOM采用的直流电压大于补偿电流滞后时STATCOM采用的直流电压，STATCOM都能够达到额定的补偿容量。籍此本发明可以通过改变直流电压的大小降低功率器件的开关损耗，降低输出电流的谐波分量，使装置有响应速度快、效率高、注入电网谐波电流小的特点，这些优点已通过仿真和实验证明，可用于中小容量STATCOM的控制。
文档编号H02J3/16GK101335453SQ200710093910
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者娜 丁, 张昆仑, 舒泽亮, 郭育华 申请人:上海磁浮交通工程技术研究中心