本发明涉及电力电子系统控制领域，具体说涉及一种用于级联statcom的分层控制方法及系统。
背景技术：
静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator，简称statcom)是一种典型的由电力电子器件组成的逆变器。其前端直流侧没有直流电源，仅依靠直流电容支撑直流侧电压。statcom通常应用于电力系统无功补偿场合，以维持电力系统的电压稳定性。在中高压电力系统中，由于单个电力电子器件的耐压和过流能力受限，通常采用模块化多电平技术。通过模块之间的级联来减少单个电力电子器件的开关应力。与传统钳位型多电平变换器相比，这种级联statcom具有各个子模块相互独立，易拓展，结构简单等优点，在中高压无功补偿领域得到了广泛应用。
在中高压级联statcom中，各个子模块之间的协同控制是至关重要的。在现有的研究中，主要是通过集中式框架完成所有的控制目标。在这种情况下，需要一个集中式控制器来采集所有模块的输出电压电流信号、直流侧电容电压信号和并网侧大电网电压信号，并进行处理和给定参考信号，从而实现所有模块的电容电压均衡、模块间无功补偿均衡、电网电压频率同步。由于传输信号是交流周期信号，因此需要高带宽通信来完成。
另外，由于采集信息量过大，尤其在一些特高压级联模块个数非常多的情况下，要求集中式控制器具备非常强大的处理能力，因此限制了现有级联statcom的应用规模。同时，由于一个集中式控制器管理所有子模块，当单个子模块存在通信丢包或延时，容易造成整个级联statcom的通信故障。由于单点故障问题的存在大大影响了整体系统的可靠性。
为了克服集中式控制框架的问题，减少级联statcom对通信带宽的要求、降低对集中式处理器处理能力的过高要求、提高由于通信故障引发整体系统的可靠性等，亟需研究新颖的控制框架以提高级联statcom的灵活性和可靠性，从而推动级联statcom的应用规模并进一步降低其应用成本。
技术实现要素：
针对上述提到的技术问题，本发明提供了一种级联statcom分层控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
在上层控制器中产生用以启动所述级联statcom系统的初始参数组；
通过所述上层控制器将所述初始参数经由通信链路传输到用于控制所述级联statcom系统中的各个子模块的各个底层控制器，其中，所述各个底层控制器与所述各个子模块对应连接；
在所述各个底层控制器中：基于所接收到的初始参数组产生pwm初始调制信号并作为控制指令实时发送给所述各个子模块，以启动所述级联statcom系统进行工作，同时采集所述各个子模块被启动后输出的电压和电流；基于实时检测的所述电压和电流的值进一步经过控制计算以得到pwm实时调制信号，并采用所述pwm实时调制信号来控制对应连接的子模块的电压输出；在检测到所述子模块中的所述电压和电流出现异常情况时，自动切断所述子模块与所述系统的连接，并向所述上层控制器发送故障报告消息；
所述上层控制器接收所述故障报告消息，重新产生初始参数组并通过通信链路传输给所述各个底层控制器，以重新分配所述级联statcom系统中剩余的各个statcom子模块所承担的电压输出。
根据本发明的用于级联statcom的分层控制方法的一个实施例，优选的是，所述初始参数组中包括初始启动电压值、初始启动相角值和额定无功功率参考值。
根据本发明的一个实施例，在上层控制器中产生用以启动所述级联statcom系统的初始参数组中，还包括以下子步骤：
基于所获取的电网上的电压幅值和相角值来生成所述初始启动电压值和初始启动相角值；
基于全局系统优化调度分配来得到额定无功功率参考值。
根据本发明的一个实施例，在产生pwm实时调制信号的步骤中，还包括以下子步骤：
根据从所述子模块的后端输出采集的电压和电流计算出所述子模块的当前无功功率，以确定输出电压的相角参考值；
根据从所述子模块的前端直流电容上采集的电压值和前端直流电容上的电压参考值计算出所述子模块的当前有功功率输出以确定输出电压的幅值参考值；
将所述相角参考值与所述幅值参考值进行合成以得到要控制所述子模块输出的电压参考值；
基于所述电压参考值获得所述底层控制器要发出的pwm实时调制信号。
根据本发明的用于级联statcom的分层控制方法，优选的是，在根据从所述子模块的前端直流电容上采集的电压值和前端直流电容上的电压参考值计算出所述子模块的当前有功功率输出以确定输出电压的幅值参考值的步骤中，
根据下式获得要控制的所述子模块的输出电压幅值：
其中，vi表述为第i个statcom模块的输出电压幅值参考值，v0是上层控制器提供的初始启动电压值，vdci是第i个statcom模块的前端直流电容电压，v*dc是前端直流电容电压参考值，kp是一个正的控制增益，vg是实时电网电压幅值，vg*是额定状态下电网电压幅值，nfew代表参与补偿电网电压波动的模块个数，一般取nfew≈10％n～20％n，n代表所述statcom模块的级联个数。
根据本发明的用于级联statcom的分层控制方法，在根据从所述子模块的后端输出采集的电压和电流计算出所述子模块的当前无功功率，以确定输出电压的相角参考值的步骤中，
根据下式获得要控制的所述子模块的输出相角参考值：
其中，ωi表示为第i个statcom模块的输出电压角频率参考值，ω*表示为电网的额定角频率，kq是一个正的控制增益，q*是所述上层控制器提供的额定无功功率参考，vi表述为第i个statcom模块的输出电压幅值参考值，v*是根据稳态分析得到的单个模块额定工作状态的输出电压幅值。
在本发明的一个实施例中，优选的是，采用虚拟电阻或添加实际电阻将级联statcom的各个子模块与电网间的连接阻抗重塑成阻性特性，其中，阻性并网阻抗下的每个statcom模块的输出功率特性表示为：
其中，pi和qi表示第i个statcom模块的输出有功功率和无功功率，|zline|为并网阻抗模值，vg和δg是电网的电压幅值和相角。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于控制级联statcom的系统，其特征在于，包括：
上层控制器，其用以产生启动所述级联statcom系统的初始参数组，并将所述初始参数组通过通信方式传送；
多个底层控制器，其与所述上层控制器通信连接并分别与级联statcom的各个子模块对应硬线连接，其用以：
基于所接收到的初始参数组产生pwm初始调制信号并作为控制指令实时发送给所述各个子模块，以启动所述级联statcom系统进行工作，同时采集所述各个子模块被启动后输出的电压和电流；基于实时检测的所述电压和电流的值进一步经过控制计算以得到pwm实时调制信号，并采用所述pwm实时调制信号来控制对应连接的子模块的电压输出；在检测到所述子模块中的所述电压和电流出现异常情况时，自动切断所述子模块与所述系统的连接，并向所述上层控制器发送故障报告消息；
其中，所述上层控制器还包括故障处理单元，其用以接收所述故障报告消息，重新产生初始参数组并通过通信链路传输给所述各个底层控制器，以重新分配所述级联statcom系统中剩余的各个statcom子模块所承担的电压输出。
根据本发明的用于控制级联statcom的系统，其特征在于，所述底层控制器包括：
无功频率控制单元，其用以根据从所述子模块的后端输出采集的电压和电流计算出所述子模块的当前无功功率，以确定输出电压的相角参考值；
有功电压控制单元，其用以根据从所述子模块的前端直流电容上采集的电压值和前端直流电容上的电压参考值计算出所述子模块的当前有功功率输出以确定输出电压的幅值参考值；
合成单元，其用以将所述相角参考值与所述幅值参考值进行合成以得到要控制所述子模块输出的电压参考值；
pwm调制信号输出单元，其用以基于所述电压参考值获得所述底层控制器要发出的pwm实时调制信号。
本发明为解决级联statcom集中式控制框架的问题，设计了基于多时间尺度概念的分层控制框架，上层辅助控制层负责整体系统启动、功率分配和故障管理等服务，底层控制的单个子模块单元能够实现电容电压自然均衡和电网频率自同步。本发明的优点总体概述为：
1)设计的分层控制能够从时间尺度上将控制解耦分离开来，上层负责慢尺度的辅助性服务，下层实现快尺度的单个子模块控制，控制层次分明，便于设计；
2)所提出的底层控制方法能够自主实现电容电压均衡和频率自同步，不需集中控制器调度；
3)级联statcom的物理级联结构和底层控制均采用模块化设计，便于灵活拓展；
4)所提的分层控制方法大大减小了上层控制和底层控制之间的通信量，提高了系统可靠性、降低了系统通信成本；
5)所提的分层控制方法能够推动级联statcom在特高压/超高压电力系统大规模应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的级联statcom的系统结构框图；以及
图2显示了根据本发明的一个实施例的级联statcom中一个子模块的内部结构框图；
图3显示了四个子模块在稳态下的输出电压以及电网侧电压电流波形；
图4显示了四个子模块的输出频率和前端直流电容电压；以及
图5显示了四个子模块的输出有功功率和无功功率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
如图1所示，其中显示了根据本发明的一个实施例的级联statcom系统的分层控制结构框图。
上层控制器通过通信链路分别与多个底层控制器连接。每个底层控制器在本地与级联的statcom系统中的各个子模块对应硬线连接。每个子模块的电压输出由对应连接的底层控制器来控制。然后，通过上层控制器发送启动指令来使得整个级联的statcom系统并入到电力系统的电网中。
如上所述，从控制响应的时间尺度上将本发明的控制系统分为两层：一是具有慢时间尺度的控制层；另一层是具有快时间尺度的控制层。在慢时间尺度的上层控制器和快时间尺度的底层控制器之间存在低带宽信息通信。低带宽信息通信的内容主要是，上层控制器向底层控制器传输系统启动指令，以及底层控制器在检测到对应连接的statcom子模块出现故障时返回的故障报告消息。也就是说，上层控制器负责整体系统启动、功率补偿给定和故障管理等服务，底层控制器分别独立地对各自的模块进行控制，实现单个子模块的电容电压自然均衡、电网频率自同步和给定无功功率补偿。
具体地，在上层控制器中，通过计算和全局优化系统调度分配来产生启动所述级联statcom系统的初始参数组。初始参数组包括：初始启动相角值和初始启动电压值以及要进行无功补偿所需要的无功功率。上层控制器根据锁相环获取的电网幅值和相角信息，来生成用以启动级联statcom系统的初始启动相角值δ0和初始启动电压值v0，实现级联statcom系统的无冲击并网。要补偿的无功功率参考值q*通过全局优化系统调度分配来得到。
然后，通过上层控制器与各个底层控制器之间的通信链路将上述的初始参数组通过通信方式传送给各个底层控制器。
多个底层控制器基于所接收到的初始参数组产生pwm初始调制信号并作为控制指令实时发送给所对应连接的各个子模块，以启动级联statcom系统进行工作。同时，底层控制器采集各个子模块被启动后输出的电压和电流。基于实时检测的所述电压和电流的值进一步经过控制计算以得到pwm实时调制信号，并采用所述pwm实时调制信号来控制对应连接的子模块的电压输出。
本发明为了保证控制电压输出的同步，在生成pwm实时调制信号时，与现有技术完全不同的是，底层控制器直接采集statcom子模块的前端直流电容上的电压来进行控制量的计算。
在底层控制器检测到子模块中的电压和电流出现异常情况时，自动切断子模块与系统的连接，并将出现故障的子模块通过旁路开关短路，然后通过通信链路向上层控制器发送故障报告消息。
上层控制器中的故障处理单元接收故障报告消息，重新产生初始参数组并通过通信链路传输给各个底层控制器，以重新分配所述级联statcom系统中剩余的各个statcom子模块所承担的电压输出。
重新分配的初始电压值v0可按照下式计算：
其中，n代表总共statcom模块个数，nnor代表能够正常工作的statcom模块个数，v*是根据稳态分析得到的单个模块额定工作状态的输出电压幅值。
在故障情况下，上层控制器只需要重新计算要重新分配的初始电压的幅值，而初始相角和要补偿的无功功率值不用重新计算。
如图2所示，其中显示了与第i个子模块相连接的第i底层控制器的内部结构框图。在图中，底层控制器i进一步包括无功频率控制单元、有功电压控制单元、合成单元以及pwm调制信号输出单元。其中，无功功率控制单元用以根据从子模块的后端输出采集的电压和电流计算出所述子模块的当前无功功率，以确定输出电压的相角参考值。
在图2中，子模块的无功功率实际输出qi由无功功率计算单元计算得到。通过将上层控制器传送的额定无功功率值q*和无功功率实际输出qi以及角频率额定值ω*作为输入计算得到要控制输出的输出电压角频率参考值ωi，通过变换进一步得到相角参考值。
具体地，按照下式得到电压角频率参考值ωi
其中，kq是一个正的控制增益，vi表述为第i个statcom模块的输出电压幅值参考值，v*是根据稳态分析得到的单个子模块额定工作状态的输出电压幅值。
另一方面，待控制子模块的有功功率部分通过底层控制器采集前端直流电容上的电压vdci，并经过控制计算来得到。可以称底层控制器中的这一部分为有功电压控制单元。如图2所示，它根据从子模块的前端直流电容上采集的电压值和前端直流电容上的电压参考值计算出所述子模块的当前有功功率输出以确定输出电压的幅值参考值vi：
其中，vi表述为第i个statcom模块的输出电压幅值参考值，v0是上层控制器提供的初始启动电压值，vdci是第i个statcom模块的前端直流电容电压，v*dc是前端直流电容电压参考值，kp是一个正的控制增益，vg是实时电网电压幅值，vg*是额定状态下电网电压幅值，nfew代表参与补偿电网电压波动的模块个数，一般取nfew≈10％n～20％n，n代表所述statcom模块的级联个数。
然后，如图2所示，将上面所计算得到的输出电压的幅值参考值和角频率参考值送入到合成单元(图中未明显显示)，由该单元将相角参考值与幅值参考值进行合成以得到要控制对应子模块输出的电压参考值。
由于每个子模块控制输出外特性不再是传统的电流源型，而是呈现电压源型，因此能够实现自主实现与电网间的频率同步，而不需要实时采集电网频率信息，从而大大减少了控制器的通信量。另外，由于本发明能够根据单个子模块的电容电压控制单个statcom子模块的电压输出，合理的维持子模块的有功损耗和吸收有功功率间的平衡，因此可达到本地直流电容电压自平衡。
进一步地，为了对子模块进行pwm控制，将得到的电压参考值送到pwm调制信号输出单元。由pwm调制信号输出单元基于电压参考值来获得底层控制器要发出的pwm实时调制信号。
采用虚拟电阻或添加实际电阻将级联statcom的各个子模块与电网间的连接阻抗重塑成阻性特性，其中，阻性并网阻抗下的每个statcom模块的输出功率特性表示为：
其中，pi和qi表示第i个statcom模块的输出有功功率和无功功率，|zline|为并网阻抗模值，vg和δg是电网的电压幅值和相角。
为了验证本发明提出的控制方案的可行性，这里还基于opal-rt平台的实时hil测试实现了由四个级联模块构成的低压系统。每个statcom模块的额定无功容量是20kvar，每个模块的有功功率损耗大约1kw。hil测试的结果如图3-5所示。
其中，图3显示了四个子模块在稳态下的输出电压以及电网侧电压电流波形。从图3可以看出，在稳态下，四个子模块具有相同的输出电压幅值、相角和频率，实现了模块间的电压均衡。
图4显示了四个子模块在启动时以及稳态下的输出频率和前端直流电容电压。从图4可以看出，在启动后的数个周期里，系统达到稳态。同时，四个子模块具有和电网相同的频率50hz，从而实现了频率自同步。另外，四个子模块在稳态下直流电容电压基本维持在200v，因此实现了电压稳定。
图5显示了四个子模块的功率响应，即输出的有功功率和无功功率。从图5可以看出，在额定电网电压状态下，四个子模块吸收有功功率5kw，维持自身模块的损耗，实现了吸收功率和功率损耗之间的平衡。另外，四个子模块稳态下均实现了额定无功功率补偿10kvar，为电网电压稳定提供支撑。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。