2010 年 3 月电工技术学报 Vol.25 No. 3 第 25 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2010 应用于不平衡系统的 STATCOM 电压控制新 方法 荣飞罗安范卿 ( 湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082 摘要 静止无功发生器 (STATCOM 在稳定接入点电压时, 常采用双环控制法, 但该方 法存在多个 PI 调节器, 难以实现, 同时也没有考虑电网电压三相不平衡的问题 本文采用瞬时 功率平衡原理, 将参考电流信号直接变换为参考电压信号, 省去了传统双环控制中的电流内环 PI 调节器, 同时引入负序电压前馈环节以维持接入点电压保持三相平衡, 并推导了负序电压情 况下逆变器输出电压和输出电流之间的代数关系式 考虑到瞬时功率平衡原理需要 STATCOM 的等效电阻和等效电感值, 而这两个参数值一般难以精确测量, 为此根据反馈信息 不断修正这两个参数的测量值 仿真分析和试验结果表明, 所提出的控制方法在稳定接入点电 压的同时, 能有效维持接入点电压三相平衡 关键词 : 静止无功发生器瞬时功率平衡电压控制参数修正不平衡系统 中图分类号 : TM711 A Novel Voltage Cotrol Method Applied i STATCOM Uder Ubalaced System Abstract Rog Fei Luo A Fa Qig (Hua Uiversity Chagsha 410082 Chia The STATCOM ofte adopts double loop cotrol method to regulate the voltage of the commo couplig poit(pcc. But this method exists multi-pi-adjusters, ad so is difficult to realize. At the same time, this method does t cosider the problem of ubalaced three phase voltage. Therefore, a ovel cotrol method is proposed i this paper. The ovel method adopts the theory of istataeous power balace to chage the curret referece sigal to voltage referece sigal directly, ad so get rid of the PI adjusters i ier loop of traditioal double loop cotrol method. Furthermore, The ovel method imports egative sequece feed forward cotrol loop to compesate the ubalaced three phase voltage. With a view to that the theory of istataeous power balace requires the value of equivalet resistace ad equivalet iductace of STATCOM, but the parameters value is difficult to measure, so a method to modify the measure value of the parameters is put forward i this paper. Simulatio ad experimetal results show that the proposed method ca ot oly stabilize the PCC voltage, but also maitai the balace of the he PCC voltage. Keywords:STATCOM, istataeous power balace, voltage cotrol, parameter modificatio, ubalaced system 国家自然科学基金资助项目 ( 50907017 收稿日期 2008-09-06 改稿日期 2009-02-17
第 25 卷第 3 期荣飞等应用于不平衡系统的 STATCOM 电压控制新方法 139 1 引言静止无功发生器 ( STATCOM 的目标之一是稳定接入点电压 [1-2] 为了达到这个目的, 最常见的控制方法是双闭环法 [3], 这种控制方法的不足之处是必须设计多个 PI 调节器, 结构复杂 文献 [4] 从瞬时功率平衡原理出发, 推导了逆变器输出电流到输出电压的变换关系式, 从而省去了传统双环控制中的电流内环 PI 调节器, 但该方法需要知道 STATCOM 装置的等效电阻和等效电感值, 而这两个参数一般难以精确测量, 此外, 没有考虑电网电压不平衡情况 文献 [5-6] 从 STATCOM 的结构出发, 建立其在 dq 坐标系下的微分方程, 通过求解微分方程, 得到 STATCOM 控制角与接入点电压的关系 这种控制方法需要对 STATCOM 进行精确的建模, 但很难达到 近年来, 随着科技的发展, 一些新的控制理论与控制方法也逐步应用于 STATCOM 的电压控制中, 比如 : 最优控制 [7] 神经网络控制 [8] 模糊控制 [9] 免疫控制 [10] 等 但这些控制方法都有各自的优缺点, 难以兼顾控制精度和响应速度 为此, 本文采用瞬时功率平衡原理, 省去了传统双环控制中的电流内环, 减少了 PI 调节器 ; 为了补偿电网电压的不平衡问题, 引入基于瞬时功率平衡原理的负序电压补偿环节, 推导了负序电压下, 逆变器输出电压和输出电流之间的代数关系式 ; 同时设计了兼顾正序电压和负序电压的控制方法 ; 最后, 由于瞬时功率平衡原理需要知道整个装置的等效电阻 R f 和等效电感 L f 值, 本文在装置运行过程中, 利用反馈信息对这两个参数的测量值进行实时修正, 以提高控制精度 2 传统双环控制方法 STATCOM 接入系统的单相等效电路如图 1 所示 图中, u s R s L s 分别表示电源电压 线路电阻和电抗 ; R f 和 L f 分别表示连接变压器和滤波器以及 STATCOM 的等效电阻和电抗 ; e 为 STATCOM 逆变器输出电压 ; u PCC 为装置接入点电压 ;i c 为逆变器注入电网电流, i L 为负载电流 传统双闭环控制法是采用电压外环和电流内环的控制结构, 如图 2 所示 图中, 接入点电压的参 考信号 U PCCref 与采样值 U PCC 的差值经过一个 PI 调 节器, 构成了交流电压外环, 用于稳定接入点电压 ; 逆变器直流侧电压参考值 U DCref 与采样值 U DC 的差 值经过一个 PI 调节器, 构成了直流电压外环, 用于 稳定逆变器直流侧电容两端电压 Fig.1 图 1 Fig.2 STATCOM 接入系统的单相等效电路 Sigle phase equivalet circuit of STATCOM 图 2 双闭环电压控制结构 The schematic diagram of double loop cotrol method 但这种控制方法中, 存在多个 PI 调节器, 有 必要进行改进 3 电压控制新方法 根据瞬时功率平衡原理 [4], 选择同步旋转坐标 系的 d 轴与接入点电压矢量重合, 并设电压矢量的 模为 u, 可得 ed Rf id Lf iq u eq Rf iq Lf id (1 式中,e d e q 和 i d i q 分别是逆变器输出电压和电流 的 d q 分量 ; 是电网电压角频率 将式 (1 引入到图 2 所示的双环电压控制中, 可得新的电压控制方法, 其原理图如图 图 3 Fig.3 3 所示 基于瞬时功率平衡原理的双环控制结构 The double loop cotrol method based o the
140 电工技术学报 2010 年 3 月 theory of istataeous power balace 这种控制方法的前提是假设三相电压平衡, 然而, 实际电网中, 三相电压不平衡是经常发生的现象 为此, 本文在图 3 所示的控制方法基础上, 引入电压的负序控制环节, 使 STATCOM 装置在稳定接入点电压幅值的同时, 还能维持接入点电压保持三相平衡 4 电压负序控制为了控制接入点电压保持三相平衡, 可以先分离出接入点电压的正序分量和负序分量 ; 然后, 分别对正序分量和负序分量进行 abc/dq 变换, 得到相应的 d q 分量 :d + q + d q ( 为描述方便, 后文均以上标 + 表示相应变量的正序分量, 上标 表示负序分量 ; 最后控制 STATCOM 的输出, 使接入点电压的负序分量为 0, 为此, 可将 d q 与 0 比较后经过一个 PI 调节器构成电压负序外环控制环节 同样, 为了省略电流内环 PI 调节器, 有必要将瞬时无功功率引入到电压负序控制环节中来 由于式 (1 是在三相电压平衡情况下推导出来的, 因而只适用于接入点电压为正序的情况 为此, 本文在负序电压情况下, 对瞬时功率平衡原理进行补充推导 考虑阻感负载, 在 dq 坐标系下, 负序电压 负序电流应该是顺时针旋转, 并且电压超前电流一个角度, 可知电压与 d 轴的夹角 必定小于电流与 d 轴的夹角 i, 如图 4 所示 u 同样, 选择同步旋转坐标系的 d 轴与公共连接点 (PCC 电压矢量 u PCC 重合, 并设电压矢量的模 为 u, 可得 STATCOM 注入系统的功率为 3 3 Po udid u id 2 2 3 3 Qo ud iq u iq 2 2 在该同步坐标系下, 逆变器输出功率为 3 e ( P ed id eq iq 2 3 Qe ( ed iq eq id 2 根据功率平衡原理, 逆变器输出的功率 ( e jqe o o P (3 (4 应等于注入系统的功率 ( P jq 和耦合 变压器及滤波器等效电阻 电抗消耗的功率 ( f P f jq 之和, 即 P P P Q Q Q e o f e o f 而耦合变压器和滤波器消耗的功率为 3 2 3 2 2 f c f ( P i R id iq Rf 2 2 3 2 3 2 2 Qf ic Lf ( id iq Lf 2 2 (5 (6 将式 (3 式 (4 式 (6 代入式 ( 5 可 得负序情况下 dq 坐标系下的电流电压关系为 e R i L i u eq Rf iq Lf id d f d f q (7 式 (1 式 (7 分别描述了正序和负序情况 下, 逆变器输出电压和输出电流的关系 为此, 可 得逆变器输出电压应为 + + ed ed ed Rf id Lf ( iq iq u + + eq eq eq Rf iq Lf ( id id (8 为此, 得到引入电压负序控制环节后的控制原 理图如图 5 所示 Fig.4 图 4 负序电压电流相量图 Vector diagram of egative sequece voltage ad curret 为此, 得到有功功率和无功功率的计算公式分 别为 3 3 P U I cos( ( ud id uq iq i u 2 2 3 3 Q U I si( ( ud iq uq id i u 2 2 (2 图 5 考虑负序电压的控制原理图 Fig.5 The schematic diagram of cotrol method whe cosiderig the egative sequece voltage
第 25 卷第 3 期荣飞等应用于不平衡系统的 STATCOM 电压控制新方法 141 5 参数修正 采用瞬时功率平衡原理能直接推导出参考电流 到参考电压间的变换方法, 省略了双环控制中的电 流内环控制, 但需要知道 STATCOM 装置的等效电 阻 R f 和等效电感 L f 值, 而这两个参数一般难以精 确测量, 为此, 本文对这两个参数进行在线修正, 以提高控制精度 由式 (1 知, 假设在 k 时刻, 通过电压环控制后得到的参考电流信号为 i + ( k i + qref ( k, STATCOM 的等效电阻和等效电感分别为 R f 和 L f, 则理论上 来说, 只需控制逆变器输出的电压满足式 ( 2, 就能保证逆变器注入到电网的电流等于 i + ( k 和 i + qref ( k e R i k L i k u + eq Rf i ( k L qref f i ( k d f ( f ( qref (9 但实际工作中, 当控制逆变器输出电压满足式 (9 时, 其注入到电网的实际电流未必完全和 i + ( k i + qref ( k 一样, 这是由于在进行电流 - 电压 转换时, 对 R f 和 L f 的测量不准造成的 设该 STATCOM 实际注入电流的 d q 分量分别为 i + d ( k 和 i + q ( k, 实际的 STATCOM 的等效电阻和 R f L f 等效电感分别为和, 则逆变器的输出电压应 满足 e R i k L i k u eq Rf iq ( k Lf id ( k d f d ( f q ( 联合式 (9 和式 (10, 可得 (10 Rf id ( k Lf iq ( k Rf i ( k L fi ( k qref (11 + + Rf iq ( k Lf id ( k Rf i ( k L qref fi ( k 求解式 (11 便可得到 R f 和 L f, 然后, 在 k+1 时刻, 用 和 代替 R f 和 L f 作为 STATCOM 的 R f L f 等效电阻和等效电感值进行式 ( 9 的电流 - 电压变 换 至此, 对参数测量值完成了一次修正过程 需要说明的是, 式 ( 11 只是采用一次采样值 进行计算, 容易出现较大的误差, 为此, 可以利用 个采样值进行计算 : Rf ( k id ( k i Lf ( k iq ( k i i0 i0 R ( k i i ( k i L ( k i i ( k i f i0 i0 f R ( k i ( k i L ( k i ( k i + f q f d i0 i0 qref Rf ( k i i ( k i qref Lf ( k i i ( k i i0 i0 (12 式中, R f ( k L f ( k 表示 k 时刻时,STATCOM 的 实际等效电阻和等效电感值 ; i d ( k i i q ( k i 分别表示 ki 时刻逆变器的实际输出电流 ; R f ( k i L f ( k i 分别表示 ki 时刻的 STATCOM 等效电阻和等效电感值 ; i ( k i i qref ( k i 分别表示 ki 时刻经过电压环计算出来的 电流参考信号值 需要说明的是, 上述采用的是正序分量进行的 参数修正, 为了提高精度, 可以将式 ( 9 改为式 (8, 利用正序和负序分量共同修正, 但势必增加 计算复杂度 6 仿真分析和试验结果 为了验证所提出控制方法的正确性和有效性, 本文利用 Matlab 进行了仿真研究 仿真参数如下 : 电源电压等级为 10kV, 传输线长 50km, 传输线末 端经变压器降压到 380V 后连接阻感负载, STATCOM 通过一个 1 2 的升压变压器并入电网, 其他参数见下表 控制过程中, 直流侧电容电压参 考值设定为 500V;R f L f 初始值的选定, 可以根据 装置参数试验得到, 但应保证尽可能接近理论值, 本试验中, R f 设定为 0.02,L f 初始值设定为 0.2mH, 式 (12 中的 取 2 Tab. 表 元件参数 The parameters of compoets 参数数值 线路电阻 /(/km 0.017 线路电抗 /(mh/km 0.12 负载电阻 / 2.9 负载电抗 /mh 9.2 直流侧电容 /F 2200 PWM 载波频率 /khz 10
142 电工技术学报 2010 年 3 月 图 6 给出了三相电压平衡情况下的仿真结果, 图 7 给出了 a 相电压出现跌落情况下的仿真结果 (a 传统双环控制 (b 本文所提出控制方法图 6 三相电压平衡情况下仿真结果 Fig.6 Simulatio results uder balaced voltage system (a 传统双环控制 (b 本文所提出控制方法图 7 三相电压不平衡情况下仿真结果 Fig.7 Simulatio results uder ubalaced voltage system 其中, 图 7a 为传统双环控制效果图, 图 7b 为本文所提出控制方法的控制效果图 两种情况下, STATCOM 都在 0.1s 时投入, 各电压值都采用标幺值表示 图 8 给出了本文所提出控制方法的参数修正结果 (b 等效电感值图 8 参数修正结果 Fig.8 Results of parameter modificatio 从图中可以看出 : (1 在三相电压平衡情况下, 传统双环控制和本文所提出的控制方法都能使接入点电压维持在 1(pu, 但传统双环控制大约需要 3 个周波达到稳定, 而本文所提出控制方法只需要 2 个周波即可稳定 (2 在 STATCOM 投入瞬间, 采用传统双环控制首先会出现一个较深的电压跌落, 然后又出现一次电压抬升, 最后才使接入点电压达到稳定 相比于本文所提出的控制方法, 不管是电压跌落深度, 还是电压抬升高度, 都更加严重 (3 在三相电压不平衡情况下, 采用本文所提出的控制方法不仅都能使接入点电压维持在 1(pu, 同时还能对电压负序进行补偿, 使接入点电压保持三相平衡 而传统双环控制对不平衡电压不能有效补偿 在仿真的基础上, 本文还研制了一台 STATCOM 试验样机, 如图 9a 所示, 从左至右分别为控制柜 逆变柜和连接电抗器柜, 连接电抗器 0.2mH,STATCOM 通过一个 1 2 升压耦合变压器并入电网 试验接线图如图 9b 所示, 图中电感 5mH, 用来代替线路传输阻抗 试验过程中, 通过改变无功负荷柜的一相负载模拟电网电压不平衡, 无功从 (astatcom 试验样机整体装置 (a 等效电阻值
第 25 卷第 3 期荣飞等应用于不平衡系统的 STATCOM 电压控制新方法 143 (b 试验接线 要 STATCOM 的等效电阻和等效电感值, 而这两个参数值一般难以精确测量, 为此, 本文根据采样误差值, 不断修正这两个参数的测量值, 以提高控制精度 最后, 考虑到电网电压经常会出现三相不平衡现象, 还引入了电压负序前馈控制, 以保持接入点电压三相平衡 仿真分析验证了所提出方法的正确性和有效性 参考文献 (c 接入点电压波形 (d 注入电流波形图 9 试验结果 Fig.9 Results of experimet 1kvar 突变到 5kvar, 并用 FLUKE 电能质量测试仪记录了 STATCOM 投入前后接入点电压波形和注入电流波形, 分别如图 9c~ 图 9d 所示 从图中可以看出 : (1 投入 STATCOM 后, 能有效降低接入点电压的不平衡度, 中性线电压逐渐降为 0 (2 图 9c 与图 7a 相比, 未出现一次电压大幅度跌落过程, 这是由于 STATCOM 此时电容充电已经完成 (3 图 9d 中 N 相电流接近 0, 这是由于测量中没有接中性线的缘故 7 结论针对 STATCOM 在稳定接入点电压时, 传统双环控制的不足之处, 本文提出利用瞬时功率平衡原理, 将电流参考信号直接变换为电压参考信号, 从而可以直接控制逆变器的电压输出, 省去了传统双环控制中电流内环 PI 调节器 由于瞬时功率原理需 [1] 聂子玲, 张波涛, 孙驰, 等. 级联 H 桥 SVG 直流侧电容电压的二次谐波计算 [J]. 电工技术学报, 2006, 21(4: 111-116. Nie Zilig, Zhag Botao, Su Chi, et al. The 2d harmoic calculatio of the capacitor voltage i the DC lik of the cascade H-bridge SVG[J]. Trasactios of Chia Electrotechical Society, 2006, 21(4: 111-116. [2] 唐杰, 罗安, 周柯. 静止同步补偿器电压控制器的设计与实现 [J]. 电工技术学报, 2006, 21(8: 103-107. Tag Jie, Luo A, Zhou Ke. Desig ad realizatio voltage cotrol for static sychroous compesator[j]. Trasactios of Chia Electrotechical Society, 2006, 21(8: 103-107. [3] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术 [M]. 北京 : 机械工业出版社, 2004. [4] Woei Lue Che, Yua Yih Hsu. Direct output voltage cotrol of a static sychroous compesator usig curret sesorless d-q vector-based power balacig scheme [C]. Trasmissio ad Distributio Coferece ad Expositio, Japa, 2003: 545-549. [5] Leh P W, Iravai M R. Experimetal evaluatio of STATCOM closed loop dyamics[j]. IEEE Trasactios o Power Delivery, 1998, 13(4: 1378-1384. [6] Raesh Rao, Yag Zhipig. STATCOM cotrol for power system voltage cotrol applicatios[j]. IEEE Trasactios o Power Delivery, 2000, 15(4: 1311-1317. [7] Mishra S, Paigrahi B K. A hybrid adaptivebacterial-foragig ad feedback liearizatio scheme based D-STATCOM[C]. 2004 Iteratioal Coferece o Power System Techology, Sigapore, 2004: 275-280. [8] Rubé Tapia O, Jua M Ramirez. Power systems
144 电工技术学报 2010 年 3 月 eural voltage cotrol by a STATCOM[C]. 2006 Iteratioal Joit Coferece o Neural Networks, Vacouver, Caada, 2006: 2249-2254. [9] Ajamil A, Hosseii S H. Applicatio of a fuzzy cotroller for trasiet stability ehacemet of AC trasmissio[c]. Iteratioal Joit Coferece, Korea, 2006: 6059-6063. [10] 王海风, 李海峰, 陈珩. 电力系统电压的体液免疫学习控制 [J]. 中国电机工程学报, 2003, 23(2: 31-36. Wag Haifeg, Li Haifeg, Che Heg. Power system voltage cotrol based o learig humoral immue respose[j]. Proceedigs of the CSEE, 2003, 23(2: 31-36. 作者简介 : 荣飞男, 1978 年生, 博士, 讲师, 主要从事现代电力电子技术方面的研究 罗安男, 1957 年生, 教授, 博士生导师, 主要从事电气工程和控制科学与工程方面的教学和科研工作