基于瞬時(shí)功率平衡原理的sacom控制策略

基于瞬時(shí)功率平衡原理的sacom控制策略

0特性與設(shè)計(jì)方法靜態(tài)同步補(bǔ)償裝置（statcom）的目標(biāo)之一是穩(wěn)定接入點(diǎn)的電壓。為了達(dá)到這個(gè)目的,最常見(jiàn)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(shè)計(jì)多個(gè)比例積分器(PI)調(diào)節(jié)器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)從STATCOM的結(jié)構(gòu)出發(fā),建立它在dq坐標(biāo)系下的微分方程,通過(guò)求解微分方程,得到STATCOM控制角與接入點(diǎn)電壓的關(guān)系。這種控制方法需要對(duì)STATCOM進(jìn)行精確的建模,這很難達(dá)到,特別是當(dāng)三相不對(duì)稱(chēng)時(shí),參數(shù)的選擇對(duì)以電壓型逆變器為基礎(chǔ)的STATCOM的性能有很大影響,不當(dāng)?shù)膮?shù)選擇將造成裝置與系統(tǒng)間的諧振,使系統(tǒng)負(fù)序電流和三次諧波電流的幅值放大,嚴(yán)重威脅整個(gè)裝置的安全運(yùn)行。此外,考慮到STATCOM在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓時(shí),還須對(duì)直流側(cè)電容電壓加以控制。也就是說(shuō)STATCOM的電壓控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的兩輸入(公共連接點(diǎn)電壓和直流側(cè)電容電壓給定值)、兩輸出(有功電壓和無(wú)功電壓指令信號(hào))系統(tǒng),且兩個(gè)控制通道存在耦合。為此,文獻(xiàn)首先推導(dǎo)出STATCOM的有功—無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的解耦控制,這種方法首先需要較精確的數(shù)學(xué)模型,其次,涉及到復(fù)雜的微分方程求解和三角函數(shù)計(jì)算,計(jì)算量較大。文獻(xiàn)通過(guò)在兩個(gè)輸入、輸出信號(hào)間添加互相交叉的可變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)進(jìn)行解耦,從原理圖上來(lái)看,有點(diǎn)類(lèi)似于兩輸入、兩輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦,但它所提出的用于解耦的可變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)難以設(shè)計(jì)。近來(lái),隨著科技發(fā)展,一些新控制理論與控制方法也逐步應(yīng)用于STATCOM電壓控制中來(lái),比如:最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、滑?？刂?、強(qiáng)化控制等。但這些控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),難以兼顧控制精度和響應(yīng)速度。為此,本文提出了一種基于瞬時(shí)功率平衡原理的自適應(yīng)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(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。此外,因傳統(tǒng)雙環(huán)電壓控制中沒(méi)有考慮電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,在這種條件下設(shè)計(jì)出的控制器當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)其控制性能會(huì)變差,更嚴(yán)重的情況還會(huì)燒壞STATCOM裝置。為此,本文引入電壓負(fù)序補(bǔ)償環(huán)節(jié),以維持接入點(diǎn)電壓的三相對(duì)稱(chēng)性,并提高裝置的生存能力。最后,因瞬時(shí)功率平衡原理需知道整個(gè)裝置的等效電阻Rf和等效電感Lf,而這兩個(gè)參數(shù)一般難以得到,故提出了一種簡(jiǎn)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(shè)帶STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路見(jiàn)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(fù)載電阻和負(fù)載電抗;e為STATCOM逆變器輸出電壓;uPCC及UPCC分別為裝置接入點(diǎn)電壓及其采樣信號(hào);ic為逆變器注入電網(wǎng)電流,iL為負(fù)載電流;S1,…,S6為開(kāi)關(guān)信號(hào);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(jiàn)圖2)。圖中接入點(diǎn)電壓參考信號(hào)UPCCref與采樣值UPCC的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器,構(gòu)成交流電壓外環(huán),用于穩(wěn)定接入點(diǎn)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(guò)一個(gè)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(wú)功參考信號(hào)和有功參考信號(hào),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(hào)。2dq和udiq轉(zhuǎn)換在dq坐標(biāo)中,由瞬時(shí)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(wú)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(duì)STATCOM接入點(diǎn)也滿(mǎn)足關(guān)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(diǎn)的有功和無(wú)功分量;ud、uq為接入點(diǎn)電壓的d、q分量。為了分析方便,選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與接入點(diǎn)電壓矢量重合,并設(shè)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(wú)功功率Qf分別為{Ρf=32i2cRf=32(i2d+i2q)Rf；Qf=32i2cωLf=32(i2d+i2q)ωLf。(4)在dq坐標(biāo)系下,根據(jù)瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)了在dq坐標(biāo)系中電流id、iq到電壓ed、eq的轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換原理見(jiàn)圖3。將瞬時(shí)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(jiàn)圖4。但這種控制方法的前提是假設(shè)三相電壓對(duì)稱(chēng),然而,實(shí)際電網(wǎng)中,三相電壓不對(duì)稱(chēng)是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。故在圖4的控制方法基礎(chǔ)上,引入電壓的負(fù)序控制環(huán)節(jié),使STATCOM裝置在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓幅值的同時(shí),還能維持接入點(diǎn)電壓保持三相對(duì)稱(chēng)。引入電壓負(fù)序控制環(huán)節(jié)后的控制原理圖見(jiàn)圖5,其工作原理是:先分離出接入點(diǎn)電壓的正、負(fù)序分量;然后分別對(duì)正、負(fù)序分量分別進(jìn)行abc/dq變換,得到相應(yīng)的d、q分量:d+、q+、d-、q-。為維持接入點(diǎn)電壓三相對(duì)稱(chēng),應(yīng)控制STATCOM輸出,使接入點(diǎn)電壓負(fù)序分量為0,為此,將d-、q與0比較后經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成電壓負(fù)序控制環(huán)節(jié)。3電流-電壓變換t采用瞬時(shí)功率平衡原理能直接推導(dǎo)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(gè)參數(shù)難以精確測(cè)量,故用一種簡(jiǎn)單自適應(yīng)算法對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線自修正。由瞬時(shí)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(mǎn)足式(6)。也就是說(shuō),假設(shè)在k時(shí)刻,通過(guò)電壓環(huán)控制后得到的參考電流信號(hào)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(lái)說(shuō),只需控制逆變器輸出的電壓滿(mǎn)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(shí)際工作中,當(dāng)控制逆變器輸出電壓滿(mǎn)足式(7)時(shí),其注入到電網(wǎng)的實(shí)際電流未必完全和idref(k)、iqref(k)一樣,這是因在進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換時(shí),對(duì)Rf和Lf估計(jì)不準(zhǔn)造成。設(shè)該STATCOM實(shí)際注入電流的d、q分量分別為i*d(k)和i*q(k),實(shí)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(yīng)滿(mǎn)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(shí)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(jìn)行式(7)的電流-電壓變換,至此,對(duì)參數(shù)完成了一次自適應(yīng)修正過(guò)程。需要說(shuō)明的是,式(9)只是采用一次采樣值進(jìn)行計(jì)算,容易出現(xiàn)較大的誤差,為此,可利用n個(gè)采樣值進(jìn)行計(jì)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(shí)刻STATCOM的實(shí)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(shí)刻逆變器的實(shí)際輸出電流;Rf(k-i)、Lf(k-i)分別表示k-i時(shí)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(shí)刻經(jīng)過(guò)電壓環(huán)計(jì)算出來(lái)的電流參考信號(hào)值。將該參數(shù)自適應(yīng)修正方法引入到圖5的控制方法中得到基于瞬時(shí)功率平衡原理的自適應(yīng)電壓控制新方法,其原理圖見(jiàn)圖6。4相電壓對(duì)稱(chēng)情況下仿真為了驗(yàn)證所提出控制方法的正確性和有效性,本文利用Matlab進(jìn)行了仿真研究。仿真參數(shù)如下:電源電壓等級(jí)為10kV,傳輸線長(zhǎng)50km,傳輸線末端經(jīng)變壓器降壓到380V后連接阻感負(fù)載,其它參數(shù)見(jiàn)表1?？刂七^(guò)程中,直流側(cè)電容電壓參考值設(shè)定為500V;Rf、Lf初始值的選定,可根據(jù)裝置參數(shù)試驗(yàn)得到,但應(yīng)保證盡可能接近理論值,本試驗(yàn)中,Rf初始值設(shè)定為0.02Ω,Lf初始值設(shè)定為0.2mH,式(10)中的n取2。圖7為三相電壓對(duì)稱(chēng)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(shí)刻投入,縱軸均為uPCC的標(biāo)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(duì)稱(chēng)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(diǎn)電壓標(biāo)么值uPCC,pu維持在1,但傳統(tǒng)雙環(huán)控制約需3個(gè)周波達(dá)到穩(wěn)定,而本文所提出控制方法只需2個(gè)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(diǎn)電壓標(biāo)么值達(dá)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(yán)重。3)三相電壓不對(duì)稱(chēng)情況下,用本文提出的控制方法不僅能使接入點(diǎn)電壓標(biāo)么值維持在1,同時(shí)還能對(duì)電壓負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償,使接入點(diǎn)電壓保持三相對(duì)稱(chēng)。而傳統(tǒng)雙環(huán)控制對(duì)不對(duì)稱(chēng)電壓不能有效補(bǔ)償。4)等效電感波動(dòng)不大,但等效電阻波動(dòng)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(duì)STATCOM在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓時(shí),傳統(tǒng)雙環(huán)控制的不足之