基于瞬時功率平衡原理的sacom控制策略

基于瞬時功率平衡原理的sacom控制策略

0特性與設計方法靜態(tài)同步補償裝置（statcom）的目標之一是穩(wěn)定接入點的電壓。為了達到這個目的,最常見的控制方法是雙閉環(huán)法,這種控制方法的不足之處是必須設計多個比例積分器(PI)調(diào)節(jié)器,結(jié)構(gòu)復雜,難以實現(xiàn)。文獻從STATCOM的結(jié)構(gòu)出發(fā),建立它在dq坐標系下的微分方程,通過求解微分方程,得到STATCOM控制角與接入點電壓的關系。這種控制方法需要對STATCOM進行精確的建模,這很難達到,特別是當三相不對稱時,參數(shù)的選擇對以電壓型逆變器為基礎的STATCOM的性能有很大影響,不當?shù)膮?shù)選擇將造成裝置與系統(tǒng)間的諧振,使系統(tǒng)負序電流和三次諧波電流的幅值放大,嚴重威脅整個裝置的安全運行。此外,考慮到STATCOM在穩(wěn)定接入點電壓時,還須對直流側(cè)電容電壓加以控制。也就是說STATCOM的電壓控制系統(tǒng)是一個典型的兩輸入(公共連接點電壓和直流側(cè)電容電壓給定值)、兩輸出(有功電壓和無功電壓指令信號)系統(tǒng),且兩個控制通道存在耦合。為此,文獻首先推導出STATCOM的有功—無功暫態(tài)模型,然后求解出其逆系統(tǒng)控制方法,最后利用魯棒侍服調(diào)節(jié)器的思想實現(xiàn)對有功和無功的解耦控制,這種方法首先需要較精確的數(shù)學模型,其次,涉及到復雜的微分方程求解和三角函數(shù)計算,計算量較大。文獻通過在兩個輸入、輸出信號間添加互相交叉的可變增益環(huán)節(jié)進行解耦,從原理圖上來看,有點類似于兩輸入、兩輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡解耦,但它所提出的用于解耦的可變增益環(huán)節(jié)難以設計。近來,隨著科技發(fā)展,一些新控制理論與控制方法也逐步應用于STATCOM電壓控制中來,比如:最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、滑?？刂?、強化控制等。但這些控制方法都有各自的優(yōu)缺點,難以兼顧控制精度和響應速度。為此,本文提出了一種基于瞬時功率平衡原理的自適應電壓控制新方法,省去了傳統(tǒng)雙環(huán)電壓控制中的電流內(nèi)環(huán),減少了PI調(diào)節(jié)器,使控制器的設計更簡單。此外,因傳統(tǒng)雙環(huán)電壓控制中沒有考慮電網(wǎng)電壓的不對稱問題,在這種條件下設計出的控制器當電網(wǎng)電壓不對稱時其控制性能會變差,更嚴重的情況還會燒壞STATCOM裝置。為此,本文引入電壓負序補償環(huán)節(jié),以維持接入點電壓的三相對稱性,并提高裝置的生存能力。最后,因瞬時功率平衡原理需知道整個裝置的等效電阻Rf和等效電感Lf,而這兩個參數(shù)一般難以得到,故提出了一種簡單的參數(shù)自修正策略,在線修正Rf和Lf參數(shù)值,以提高控制精度。1at觀變帶設帶STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路見圖1。圖中,us、Rs、Ls分別表示電源電壓、線路電阻和電抗;Rf和Lf分別表示連接變壓器和濾波器以及STATCOM的等效電阻和電抗;RL和XL分別為負載電阻和負載電抗;e為STATCOM逆變器輸出電壓;uPCC及UPCC分別為裝置接入點電壓及其采樣信號;ic為逆變器注入電網(wǎng)電流,iL為負載電流;S1,…,S6為開關信號;CDC為電容;UDC為直流電壓。傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制法采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)(見圖2)。圖中接入點電壓參考信號UPCCref與采樣值UPCC的差值經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器,構(gòu)成交流電壓外環(huán),用于穩(wěn)定接入點電壓;逆變器直流側(cè)電壓參考值UDCref與采樣值UDC的差值經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器,構(gòu)成直流電壓外環(huán),用于穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電容兩端電壓。交流電壓外環(huán)的輸出iqref和直流電壓外環(huán)的輸出idref分別構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)的無功參考信號和有功參考信號,電流內(nèi)環(huán)的作用是使逆變器的輸出電流能跟蹤電壓閉環(huán)的輸出參考信號。2dq和udiq轉(zhuǎn)換在dq坐標中,由瞬時功率理論可得{Ρe=32(edid+eqiq)；Qe=32(eqid-ediq)。(1){Pe=32(edid+eqiq)；Qe=32(eqid?ediq)。(1)式中,Pe、Qe為逆變器輸出功率有功和無功分量;ed、eq和id、iq分別為逆變器輸出電壓和電流d、q分量。同樣,對STATCOM接入點也滿足關系式{Ρ0=32(udid+uqiq)；Q0=32(uqid-udiq)。(2){P0=32(udid+uqiq)；Q0=32(uqid?udiq)。(2)式中,P0、Q0為接入點的有功和無功分量;ud、uq為接入點電壓的d、q分量。為了分析方便,選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與接入點電壓矢量重合,并設電壓矢量的模為u。則{Ρ0=32uid；Q0=-32uiq。(3){P0=32uid；Q0=?32uiq。(3)而耦合變壓器和濾波器消耗的有功功率Pf和無功功率Qf分別為{Ρf=32i2cRf=32(i2d+i2q)Rf；Qf=32i2cωLf=32(i2d+i2q)ωLf。(4)在dq坐標系下,根據(jù)瞬時功率平衡原理可知{Ρe=Ρ0+Ρf；Qe=Q0+Qf。(5)將式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)可得{ed=Rfid-ωLfiq+u；eq=Rfiq+ωLfid。(6)顯然,式(6)實現(xiàn)了在dq坐標系中電流id、iq到電壓ed、eq的轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換原理見圖3。將瞬時功率平衡原理引入到圖2的雙環(huán)電壓控制中,可得新的電壓控制方法,其原理圖見圖4。但這種控制方法的前提是假設三相電壓對稱,然而,實際電網(wǎng)中,三相電壓不對稱是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。故在圖4的控制方法基礎上,引入電壓的負序控制環(huán)節(jié),使STATCOM裝置在穩(wěn)定接入點電壓幅值的同時,還能維持接入點電壓保持三相對稱。引入電壓負序控制環(huán)節(jié)后的控制原理圖見圖5,其工作原理是:先分離出接入點電壓的正、負序分量;然后分別對正、負序分量分別進行abc/dq變換,得到相應的d、q分量:d+、q+、d-、q-。為維持接入點電壓三相對稱,應控制STATCOM輸出,使接入點電壓負序分量為0,為此,將d-、q與0比較后經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成電壓負序控制環(huán)節(jié)。3電流-電壓變換t采用瞬時功率平衡原理能直接推導出參考電流到參考電壓間的變換方法,省略了雙環(huán)控制中的電流內(nèi)環(huán)控制,但需要知道STATCOM裝置的Rf和Lf值,而這兩個參數(shù)難以精確測量,故用一種簡單自適應算法對這兩個參數(shù)進行在線自修正。由瞬時功率平衡原理可得逆變器輸出電壓與逆變器注入到電網(wǎng)的電流滿足式(6)。也就是說,假設在k時刻,通過電壓環(huán)控制后得到的參考電流信號為idref(k)、iqref(k),STATCOM的等效電阻和等效電感分別為Rf和Lf,則理論上來說,只需控制逆變器輸出的電壓滿足式(7),就能保證逆變器注入到電網(wǎng)的電流等于idref(k)和iqref(k)。式(7)為{ed=Rfidref(k)-ωLfiqref(k)+u；eq=Rfiqref(k)+ωLfidref(k)。(7)但實際工作中,當控制逆變器輸出電壓滿足式(7)時,其注入到電網(wǎng)的實際電流未必完全和idref(k)、iqref(k)一樣,這是因在進行電流—電壓轉(zhuǎn)換時,對Rf和Lf估計不準造成。設該STATCOM實際注入電流的d、q分量分別為i*d(k)和i*q(k),實際的STATCOM的等效電阻和等效電感分別為R*f和L*f,則逆變器的輸出電壓應滿足下式{ed=R*fi*d(k)-ωL*fi*q(k)+u；eq=R*fi*q(k)+ωL*fi*d(k)。(8)聯(lián)合式(7)、(8),可得{R*fi*d(k)-ωL*fi*q(k)=Rfidref(k)-ωLfiqref(k)；R*fi*q(k)+ωL*fi*d(k)=Rfiqref(k)+ωLfidref(k)。(9)求解式(9)即可得到R*f和L*f,然后,在k+1時刻,用R*f和L*f代替Rf和Lf作為STATCOM的等效電阻和等效電感值進行式(7)的電流-電壓變換,至此,對參數(shù)完成了一次自適應修正過程。需要說明的是,式(9)只是采用一次采樣值進行計算,容易出現(xiàn)較大的誤差,為此,可利用n個采樣值進行計算,即{R*f(k)n∑i=0i*d(k-i)-ωL*f(k)n∑i=0i*q(k-i)=n∑i=0Rf(k-i)idref(k-i)-n∑i=0ωLf(k-i)iqref(k-i)；R*f(k)n∑i=0i*q(k-i)+ωL*f(k)n∑i=0i*d(k-i)=n∑i=0Rf(k-i)iqref(k-i)+n∑i=0ωLf(k-i)idref(k-i)。式中,R*f(k)、L*f(k)分別為k時刻STATCOM的實際等效電阻和等效電感值;i*d(k-i)、i*q(k-i)分別為k-i時刻逆變器的實際輸出電流;Rf(k-i)、Lf(k-i)分別表示k-i時刻的STATCOM等效電阻和等效電感值;idref(k-i)、iqref(k-i)分別為k-i時刻經(jīng)過電壓環(huán)計算出來的電流參考信號值。將該參數(shù)自適應修正方法引入到圖5的控制方法中得到基于瞬時功率平衡原理的自適應電壓控制新方法,其原理圖見圖6。4相電壓對稱情況下仿真為了驗證所提出控制方法的正確性和有效性,本文利用Matlab進行了仿真研究。仿真參數(shù)如下:電源電壓等級為10kV,傳輸線長50km,傳輸線末端經(jīng)變壓器降壓到380V后連接阻感負載,其它參數(shù)見表1?？刂七^程中,直流側(cè)電容電壓參考值設定為500V;Rf、Lf初始值的選定,可根據(jù)裝置參數(shù)試驗得到,但應保證盡可能接近理論值,本試驗中,Rf初始值設定為0.02Ω,Lf初始值設定為0.2mH,式(10)中的n取2。圖7為三相電壓對稱情況下的仿真結(jié)果,圖8為a相電壓出現(xiàn)跌落情況下的仿真結(jié)果,其中,圖(a)為傳統(tǒng)雙環(huán)控制效果圖,圖(b)為本文所提出控制方法的控制效果圖。兩種情況下,STATCOM都在0.1s時刻投入,縱軸均為uPCC的標么值uPCC,pu。圖9為本文所提出控制方法參數(shù)自修正結(jié)果。從圖中可看出:1)在三相電壓對稱情況下,傳統(tǒng)雙環(huán)控制和本文所提出的控制方法都能使接入點電壓標么值uPCC,pu維持在1,但傳統(tǒng)雙環(huán)控制約需3個周波達到穩(wěn)定,而本文所提出控制方法只需2個周波即可穩(wěn)定。2)在STATCOM投入瞬間,采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制首先會出現(xiàn)一個較深的電壓跌落,然后又出現(xiàn)一次電壓抬升,最后才使接入點電壓標么值達到穩(wěn)定。相比于本文所提出的控制方法,不管是電壓跌落深度,還是電壓抬升高度,都要更加嚴重。3)三相電壓不對稱情況下,用本文提出的控制方法不僅能使接入點電壓標么值維持在1,同時還能對電壓負序進行補償,使接入點電壓保持三相對稱。而傳統(tǒng)雙環(huán)控制對不對稱電壓不能有效補償。4)等效電感波動不大,但等效電阻波動較大,這是因直流側(cè)電容并不能完全維持在500V所致。5帶效率的pi控制器針對STATCOM在穩(wěn)定接入點電壓時,傳統(tǒng)雙環(huán)控制的不足之