链式三角型STATCOM的冗余容错控制方法及装置与流程
本发明涉及冗余容错技术领域，特别涉及一种链式三角型statcom的冗余容错控制方法及装置。
背景技术：
随着经济及科技水平的快速发展，电能质量成为电力部门和电力用户共同关注的焦点，特别是随着各种电子装置和精密设备的广泛应用，使得用户希望供电企业能够提供高效优质的电能。而电力系统中异步电动机、变压器、电弧炉尤其是电力电子装置广泛应用，工业领域中很多企业日耗电量巨大，负荷呈非线性和冲击性，引发了多种电能质量问题，主要包括功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、功率冲击、电压闪变和电压波动。
statcom(staticsynchronouscompensator，静止同步补偿器)作为较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节。此外，statcom还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平。statcom分为星型、三角型两种结构。星型拓扑的容量较小，三角型拓扑的功率等级较大。
目前高压statcom多采用级联结构，但是随着级联数量的增加，系统发生故障的概率也会增加。所以级联statcom必须要有相应的冗余措施。申请号为cn201410566074.1、名称为《一种新型级联statcom变流单元容错方法》的专利申请文件中提到一种级联结构的statcom冗余容错方法，该方法包括如下步骤：
1.检测三相负载电流ial、ibl、icl，计算并提取负载侧无功电流δiq，用于补偿电网中的无功功率。
2.故障前，将各h桥直流侧电压之和与设定电压值送入pi控制器，得到直流侧电压控制有功分量δid，通过指令有功分量的控制，使变流单元吸收电网有功功率，实现直流侧电压的平稳。
3.故障后，旁路故障h桥，将各相h桥直流侧电压udci送入故障冗余控制器，输出指令有功分量δid以抑制变流单元的三相耦合特性，实现故障状态下的各相电压稳定。
4.将检测提取的电网无功电流δiq与输出指令有功分量δid通过编号2的前馈解耦环节得到指令电压信号vd与vq实现变流单元的间接电流控制。
5.根据系统的故障运行状态，故障前采用编号5中的坐标变换法将指令电压信号vd与vq转换为三相调制信号va、vb、vc，故障后将指令电压信号vd与vq送入调制参数修正模块以实现故障状态下的statcom参数修正。
6.最后通过载波移相调制方式使变流单元输出三相电压va、vb、vc，以补偿电网无功功率。
该方法使得当系统出现故障时，可以只旁路而不切除非故障相相同位置h桥子模块，直接提高了h桥子模块的利用率，但是该方法无法通过动态调节pi控制器的参数改进直流电压环路。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种链式三角型statcom的冗余容错控制方法及装置，通过前馈型电流虚拟阻抗改进了电流闭环传递函数，通过动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进了直流电压环传递函数，针对故障过程的扰动进行了实时补偿，保持了暂态过程中系统传递函数的稳定。
该链式三角型statcom的冗余容错控制方法包括：
统计三相换流链中h桥子模块的故障块数；
将所述故障块数与预设的冗余模块数进行比较；
若所述故障块数小于预设的冗余模块数，则根据三相中各相中的h桥子模块运行块数调整各相的三角载波、直流电压指令值，并使故障的h桥子模块闭锁脉冲，下发h桥子模块旁路开关动作信号；若所述故障块数大于预设的冗余模块数，将h桥子模块故障信号上报并进行跳闸操作，结束；
判断旁路开关合闸是否正常，若正常，利用前馈型电流虚拟阻抗改进电流环控制，得到改进的电流环控制传递函数，根据改进的电流环控制传递函数动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数，根据所述改进的电流环控制传递函数和所述改进的直流电压环传递函数进行冗余容错处理，结束；若不正常，则将旁路开关拒动故障信号上报并进行跳闸操作，结束。
该链式三角型statcom的冗余容错控制装置包括：
统计模块，用于统计三相换流链中h桥子模块的故障块数；
比较模块，用于将所述故障块数与预设的冗余模块数进行比较；
开关跳闸动作模块，用于在所述故障块数小于预设的冗余模块数时，根据三相中各相中的h桥子模块运行块数调整各相的三角载波、直流电压指令值，并使故障的h桥子模块闭锁脉冲，下发h桥子模块旁路开关动作信号；在所述故障块数大于预设的冗余模块数时，将h桥子模块故障信号上报并进行跳闸操作，结束；
判断模块，用于判断旁路开关合闸是否正常；
冗余容错处理模块，用于在旁路开关合闸正常时，利用前馈型电流虚拟阻抗改进电流环控制，得到改进的电流环控制传递函数，根据改进的电流环控制传递函数动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数，根据所述改进的电流环控制传递函数和所述改进的直流电压环传递函数进行冗余容错处理，结束；
开关跳闸动作模块还用于：在旁路开关合闸不正常时，将旁路开关拒动故障信号上报并进行跳闸操作，结束。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述链式三角型statcom的冗余容错控制方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述链式三角型statcom的冗余容错控制方法的计算机程序。
在本发明实施例中，通过前馈型电流虚拟阻抗改进了电流闭环传递函数，通过动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进了直流电压环传递函数，针对故障过程的扰动进行了实时补偿，保持了暂态过程中系统传递函数的稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种链式三角型statcom的冗余容错控制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种链式三角型statcom的电路图；
图3是本发明实施例提供的改进的冗余控制方案设计下调制比变化示意图；
图4是本发明实施例提供的一种改进的电流环控制传递函数框图；
图5是本发明实施例提供的一种改进的电压环控制传递函数框图；
图6是本发明实施例提供的采用动态虚拟阻抗改进控制系统传递函数的三角型statcom控制方法总体框图；
图7是本发明实施例提供的改进的电流环控制伯德图；
图8是本发明实施例提供的改进的电压环控制伯德图；
图9是本发明实施例提供的一种链式三角型statcom的冗余容错控制装置结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提供了一种链式三角型statcom的冗余容错控制方法，如图1所示，该方法包括：
步骤1：统计三相换流链中h桥子模块的故障块数；
步骤2：将所述故障块数与预设的冗余模块数进行比较；
步骤3：若所述故障块数小于预设的冗余模块数(链式三角型statcom装置应能够持续运行)，则根据三相中各相中的h桥子模块运行块数调整各相的三角载波、直流电压指令值，并使故障的h桥子模块闭锁脉冲，下发h桥子模块旁路开关动作信号；若所述故障块数大于预设的冗余模块数，将h桥子模块故障信号上报并进行跳闸操作，结束；
步骤4：判断旁路开关合闸是否正常，若正常，利用前馈型电流虚拟阻抗改进电流环控制，得到改进的电流环控制传递函数，根据改进的电流环控制传递函数动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数，根据所述改进的电流环控制传递函数和所述改进的直流电压环传递函数进行冗余容错处理，结束；若不正常，则将旁路开关拒动故障信号上报并进行跳闸操作，结束。
在本发明实施例中，步骤1通过如下方式实现：
三相换流链包括a、b、c三相所有的h桥子模块。当每相换流链有h桥子模块发生故障时，会向监测控制系统发送信号，h桥子模块故障数就会加1，最终统计出总的h桥子模块故障数。
在本发明实施例中，在步骤3中，所述根据三相中各相中的h桥子模块运行块数采用载波移相正弦脉冲宽度调制(cps-spwm)调整各相的三角载波(三角载波时调制波信号)、直流电压指令值(u*dcav_ab)。跟改进函数并无直接关系。
在本发明实施例中，本发明采用的是如图2所示的链式三角型statcom装置。其中电网电压uga,ugb,ugc；装置的交流侧输出电压usa,usb,usc；角内电流iab,ibc,ica；电抗器l；h桥子模块电压udc，电容cpm，放电电阻rpm。电流iab,ibc,ica流经的就是h桥子模块。
图3为改进的冗余控制方案设计下调制比变化示意图，如图3所示，在故障前，表现是：
其中，u*和u分别代表指令值和实际值；
角标0、1分别代表故障前和故障初始时刻；
udcav_ab为h桥子模块平均电压；
udc_e为h桥子模块额定电压；
kpwm为调制比；
uline_peak为电网线电压；
npm为h桥子模块的总模块数；
udc_ab为正常工作的h桥子模块电压和；
nfau为h桥子模块的故障数。
如图3所示，在故障h桥子模块闭锁瞬间，投入的h桥子模块数改变，调制比将会增大。基于图2和图3，考虑到电流环路以电流为控制目标，采用前馈型电流虚拟阻抗方案改进电流环；采用动态调节直流电压环的比例积分控制器参数的方法改善直流电压响应。
在本发明实施例中，在步骤4中，利用前馈型电流虚拟阻抗改进电流环控制，得到改进的电流环控制传递函数，包括：
实时获取直流电压；
根据所述直流电压确定动态调制比；
根据所述动态调制比获得阻抗的增益系数和阻抗函数；
根据所述动态调制比和阻抗函数，获得改进后的电流闭环传递函数。
改进的电流环控制传递函数见图4，增加虚拟阻抗的目的是，使得虚线方框内的等效传递函数在故障前后相接近。
根据图4提供的改进的电流环控制传递函数框图，结合图3，可以按照如下方式根据所述直流电压确定动态调制比：
其中，kpwmt为t时刻的动态调制比；uline_peakt为t时刻的电网线电压；udc_abt为t时刻h桥子模块电压和；zlr为包含电阻、电感的系统阻抗；zlr(s)表示将系统阻抗进行拉普拉斯变换到频域变量，即阻抗函数；kpwm0是故障前的动态调制比；
按照如下方式根据所述动态调制比获得阻抗的增益系数和阻抗函数，即对上式求解：
其中，kgian_i为阻抗的增益系数，直接给出的；ts为调制波的控制周期；
考虑到二阶传递函数存在离散化延时问题，为简便起见，zlr(s)仍采用一阶传递函数：
zlr(s)＝(1-kpwmt/kpwm0)(0.0145s+0.59)；
对于上式，为防止微分离散化计算出现高频突变，将其增加一阶低通滤波器进行优化，最终得到的阻抗函数zlr(s)为：
按照如下方式根据所述动态调制比和阻抗函数，获得t时刻改进后的电流闭环传递函数：
其中，gco_iab(s)表示改进后的电流闭环传递函数，gpr(s)表示pr(比例谐振控制器)控制的传递函数。
在本发明实施例中，在步骤4中，动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数，具体包括：
根据预设的比例积分控制器的参数增益改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数。
改进的电压环控制传递函数见图5，为了保持虚线方框内的传递函数在故障前后相接近，可动态设计pi控制器的参数增益kgain_dc＝kpwmt/kpwm0；则改进的直流电压环传递函数具体按照如下公式确定：
其中，cco_dc表示改进的直流电压环传递函数；
c(s)＝kgain_dcgpi(s)gdtdc(s)gop_dc(s),d(s)＝c(s)gsam(s)；
其中，gop_iab(s)表示电流开环传递函数；gpi(s)表示节比例-积分控制器传递函数；gdtdc(s)表示替代电压控制环的算法的总延时；gop_dc(s)表示直流电压环传递函数。
加入了虚拟阻抗后的直流电压环和电流环后的改进后的statcom的具体控制框图如图6所示，其中，pll为锁相环，θ为提取电网电压相位差，须对pi输出
在本发明实施例中，采用本发明提出的链式三角型statcom的冗余容错控制方法进行冗余容错后的效果如图7和8所示。
根据图7改进的电流环控制伯德图分析结果可以看出，gco_iab1为未发生故障的伯德图，gco_iab2为三相均发生4个模块故障瞬间的伯德图。gco_iab3为故障后增加虚拟阻抗的伯德图。对于幅值曲线，在50hz、150hz附近gco_iab3与gco_iab1非常接近，偏差小于0.03db。对于相角曲线，在50hz、150hz周围gco_iab3与gco_iab1非常接近，偏差小于1度。可见，虚拟阻抗可对系统扰动进行补偿，达到故障前后传递函数基本保持一致的目的。
根据图8改进的电压环控制伯德图分析结果可以看出，cco_dc1为未发生故障的伯德图，cco_dc2为三相均发生4个模块故障瞬间的伯德图，cco_dc3为故障后增加虚拟阻抗的伯德图。cco_dc3与cco_dc1的幅值基本接近，偏差小于0.02db。cco_dc3与cco_dc1的相角基本接近，偏差小于0.5度。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种链式三角型statcom的冗余容错控制装置，如下面的实施例所述。由于链式三角型statcom的冗余容错控制装置解决问题的原理与链式三角型statcom的冗余容错控制方法相似，因此链式三角型statcom的冗余容错控制装置的实施可以参见链式三角型statcom的冗余容错控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图9是本发明实施例的链式三角型statcom的冗余容错控制装置的结构框图，如图9所示，包括：
统计模块901，用于统计三相换流链中h桥子模块的故障块数；
比较模块902，用于将所述故障块数与预设的冗余模块数进行比较；
开关跳闸动作模块903，用于在所述故障块数小于预设的冗余模块数时，根据三相中各相中的h桥子模块运行块数调整各相的三角载波、直流电压指令值，并使故障的h桥子模块闭锁脉冲，下发h桥子模块旁路开关动作信号；在所述故障块数大于预设的冗余模块数时，将h桥子模块故障信号上报并进行跳闸操作，结束；
判断模块904，用于判断旁路开关合闸是否正常；
冗余容错处理模块905，用于在旁路开关合闸正常时，利用前馈型电流虚拟阻抗改进电流环控制，得到改进的电流环控制传递函数，根据改进的电流环控制传递函数动态调节直流电压环比例积分控制器参数改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数，根据所述改进的电流环控制传递函数和所述改进的直流电压环传递函数进行冗余容错处理，结束；
开关跳闸动作模块903还用于：在旁路开关合闸不正常时，将旁路开关拒动故障信号上报并进行跳闸操作，结束。
下面对该结构进行说明。
在本发明实施例中，所述开关跳闸动作模块903具体用于：
按照如下方式所述根据三相中各相中的h桥子模块运行块数调整各相的三角载波、直流电压指令值：
在本发明实施例中，所述冗余容错处理模块905具体用于：
实时获取直流电压；
根据所述直流电压确定动态调制比；
根据所述动态调制比获得阻抗的增益系数和阻抗函数；
根据所述动态调制比和阻抗函数，获得改进后的电流闭环传递函数。
在本发明实施例中，所述冗余容错处理模块905具体用于：
按照如下方式根据所述直流电压确定动态调制比：
其中，kpwmt为t时刻的动态调制比；uline_peakt为t时刻的电网线电压；udc_abt为t时刻h桥子模块电压和；zlr为包含电阻、电感的系统阻抗；zlr(s)表示将系统阻抗进行拉普拉斯变换到频域变量；kpwm0是故障前的动态调制比；
按照如下方式根据所述动态调制比获得阻抗的增益系数和阻抗函数：
其中，kgian_i为阻抗的增益系数；ts为调制波的控制周期；
按照如下方式根据所述动态调制比和阻抗函数，获得改进后的电流闭环传递函数：
其中，gco_iab(s)表示改进后的电流闭环传递函数，gpr(s)表示pr控制的传递函数。
在本发明实施例中，所述冗余容错处理模块905具体用于：
根据预设的比例积分控制器的参数增益改进直流电压响应，得到改进的直流电压环传递函数；
改进的直流电压环传递函数具体按照如下公式确定：
其中，cco_dc表示改进的直流电压环传递函数；kgain_dc表示比例积分控制器的参数增益，kgain_dc＝kpwmt/kpwm0；
c(s)＝kgain_dcgpi(s)gdtdc(s)gop_dc(s),d(s)＝c(s)gsam(s)；
其中，gop_iab(s)表示电流开环传递函数；gpi(s)表示节比例-积分控制器传递函数；gdtdc(s)表示替代电压控制环的算法的总延时；gop_dc(s)表示直流电压环传递函数。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述链式三角型statcom的冗余容错控制方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述链式三角型statcom的冗余容错控制方法的计算机程序。
综上所述，本发明提出的链式三角型statcom的冗余容错控制方法及装置利用前馈型电流虚拟阻抗的方法改进电流环控制，利用动态调节直流电压环比例积分控制器参数的方法改善直流电压响应，能够针对故障过程的扰动进行实时补偿，保持暂态过程中系统传递函数的稳定，优化了链式三角型statcom装置的暂态电流、功率响应。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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