一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制系统及控制方法与流程

本发明属于电力电子领域，特别涉及一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制系统及控制方法。

背景技术：

STATCOM在电网中主要应用在输电系统、配电网和新能源发电等领域，在交流电网发生故障时，需要STATCOM输出额定甚至过载的无功电流支撑电网电压，加快电网故障后的电压恢复，增强抵御电网大事故的能力，改善系统的电压稳定性。

传统的STATCOM装置，无论采用角型连接或星型连接，控制系统常采用dq矢量控制，前馈量采用根据电网电压稳态值和锁相环锁定的矢量角计算出的dq轴分量。当电网电压发生故障瞬间，由于电网电压的快速变化导致锁相环节较难快速响应，并且在故障过程中，特别在弱系统情况下，往往伴随电网电压中产生较大的谐波成分，同样影响锁相环的输出。锁相环误差导致通过dq变换产生的前馈量不能准确反应真实电网信息，从而会导致STATCOM设备有过流故障的风险。STATCOM设备过流产生的原因是，由于电网电压的前馈信号量与实际电网电压存在偏差，导致电力电子装置的调制度不能够迅速根据电网实际工况调整，那么STATCOM的电抗器会产生较大的电压差，从而形成瞬态过电流，引起装置故障。

基于以上分析，现有的控制方法在电网故障时存在着缺陷，有待改进。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制系统及控制方法，其可解决现有链式STATCOM所采用常规控制策略在电网故障时易使设备过流保护动作而脱网的问题，并能够保证STATCOM在稳态运行时输出电流具备较好的谐波特性，提高设备的稳定性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制系统，包括有如下功能模块：

直流电压采样计算模块P1，用于采样各模块直流电压稳态值并计算出平均值U_dc；

主控制器电网电压采样模块P2，用于主控制器采样电网电压在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c；

阀控制器电网电压采样模块P3，用于阀控制器通过FPGA采样电网电压在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c；

输出电流采样模块P4，用于主控制器采样电感电流在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值i_a、i_b、i_c；

锁相环PLL运算模块A1，用于根据采样得到的电网电压稳态瞬时值u_a、u_b、u_c，分别计算电压d轴分量U_d、q轴分量U_q以及电压矢量角θ；

输出电流矢量变换模块A2，用于根据采样得到的电感电流稳态值i_a、i_b、i_c，并结合A1得到的电压矢量角θ，计算得到电流d轴分量I_d、q轴分量I_q；

直流电压控制器模块A3，用于对直流电压给定U_dc^*和直流电压稳态值U_dc进行直流电压控制环处理，经限幅环节后输出作为电流控制环d轴给定I_d^*；

无功/电压控制模块A4，用于闭环调节无功功率或电压，可采用具有限幅输出功能的PI调节器；

电流控制器模块A5，用于在稳态时闭环调节电流d轴分量I_d和q轴分量I_q，对电流dq分量进行交叉解耦，并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到控制系统的电流环输出I_abc^*；

电网电压故障判断模块A6，根据电网电压瞬时值变化幅度和变化率发出控制切换命令；

带滤波环节的前馈信号产生模块A7，将A1产生的电压d轴分量U_d、q轴分量U_q均进行一阶低通滤波，得到滤波后的d轴分量q轴分量并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*；

瞬时电压前馈信号产生模块A8，通过P3采集到电网电压信号后送到阀控制器的DSP处理器中，通过计算并标幺产生瞬时电压前馈信号；

电压调制波产生模块A9，在阀控制器的DSP处理器中，稳态时接收主控制器A5数据及A7数据，累加后产生电压调制波信号；在A6判断出电网产生故障时，将接收到的A5数据与A8相累加后产生电压调制波信号；

PWM脉冲波形发生模块A10，通过A9产生的调制波信号，采用移相载波调制，生成链式STATCOM各个模块的IGBT脉冲，对STATCOM内部各模块的IGBT管进行控制。

上述链式STATCOM的拓扑结构包含星型连接方式与角型连接方式。

上述电网电压故障判断模块用于电网电压故障时，电网电压前馈方式根据切换命令由带滤波环节的瞬时电压前馈方式切换成电网电压瞬时前馈方式。

一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采样电网电压及电感电流在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c，采样并计算各模块的平均直流电压U_dc；

步骤2，根据电网电压稳态值u_a、u_b、u_c分别计算d轴分量U_d、q轴分量U_q以及电压矢量角θ，锁相环采用双同步坐标系锁相环；

步骤3，根据电感电流稳态值i_a、i_b、i_c，并结合步骤2得到的电压矢量角θ，计算得到电流d轴分量I_d、q轴分量I_q；

步骤4，将步骤2得到的电压d轴分量U_d、q轴分量U_q均进行一阶低通滤波，得到滤波后的d轴分量q轴分量

步骤5，将步骤4输出的带滤波环节的dq轴电压控制量进行矢量变换，将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*；

步骤6，对直流电压给定U_dc^*和步骤1得到的直流电压稳态值U_dc进行电压控制环处理，经限幅环节后输出电流控制环d轴给定I_d^*；

步骤7，对无功给定Q^*或电压给定V^*和步骤1采样得到的电压电流稳态量计算出的瞬时无功量Q或目标点的电压量V进行无功或电压控制环处理，经限幅环节后输出电流控制环q轴给定I_q^*；

步骤8，稳态时，闭环调节电流d轴分量I_d和q轴分量I_q，对电流dq分量进行交叉解耦，并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到控制系统的电流环输出I_abc^*；

将前述控制系统的电流环输出I_abc^*与步骤5得到的带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*累加后，生成电压调制波；

步骤9，将步骤8生成的调制波信号，经调制环节产生驱动脉冲，对链式STATCOM各模块的IGBT管进行控制。

上述步骤5中，还对带滤波环节的前馈信号进行补偿。

上述步骤8中，在电网故障时，将电流环输出I_abc^*与步骤1得到的瞬时电网电压信号经计算标幺后相累加生成电压调制波信号。

采用上述方案后，本发明在电网电压故障时，采用瞬时电网电压信号直接进行前馈方式，提高了STATCOM的动态性能，可有效抑制电网故障时STATCOM设备的过电流风险，防止STATCOM脱网，并在稳态情况下，采用带滤波环节的瞬时电压前馈信号量，保证电流的谐波特性，并提高设备的稳定性。可广泛用于目前主流的链式STATCOM以及其他模块化多电平换流器拓扑如MMC等。

附图说明

图1是本发明的控制框图；

图2是现有的链式星接STATCOM的拓扑图；

图3是现有的链式角接STATCOM的拓扑图；

图4是采用本发明在模拟电网发生单相跌落不对称故障时试验，STATCOM输出电流和电网电压的波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制系统，其中，链式STATCOM的拓扑结构包含星型连接方式与角型连接方式，分别如图2和图3所示，控制系统采用分层控制，主控制器采用DSP处理器，阀控制器采用DSP处理器+FPGA处理器结构；所述控制系统包括有如下功能模块：

直流电压采样计算模块P1，用于采样各模块直流电压稳态值并计算出平均值U_dc；

主控制器电网电压采样模块P2，用于主控制器采样电网电压在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c；

阀控制器电网电压采样模块P3，用于阀控制器通过FPGA采样电网电压在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c；

输出电流采样模块P4，用于主控制器采样电感电流在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值i_a、i_b、i_c；

锁相环PLL运算模块A1，用于根据采样得到的电网电压稳态瞬时值u_a、u_b、u_c，分别计算电压d轴分量U_d、q轴分量U_q以及电压矢量角θ；

输出电流矢量变换模块A2，用于根据采样得到的电感电流稳态值i_a、i_b、i_c，并结合A1得到的电压矢量角θ，计算得到电流d轴分量I_d、q轴分量I_q；

直流电压控制器模块A3，用于对直流电压给定U_dc^*和直流电压稳态值U_dc进行直流电压控制环处理，经限幅环节后输出作为电流控制环d轴给定I_d^*；

无功/电压控制模块A4，用于闭环调节无功功率或电压，可采用具有限幅输出功能的PI调节器；

电流控制器模块A5，用于在稳态时闭环调节电流d轴分量I_d和q轴分量I_q，对电流dq分量进行交叉解耦，并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到控制系统的电流环输出I_abc^*；

电网电压故障判断模块A6，根据电网电压瞬时值变化幅度和变化率发出控制切换命令；

A6用于电网电压故障时，电网电压前馈方式根据切换命令由带滤波环节的瞬时电压前馈方式切换成电网电压瞬时前馈方式；

带滤波环节的前馈信号产生模块A7，将A1产生的电压d轴分量U_d、q轴分量U_q均进行一阶低通滤波，得到滤波后的d轴分量q轴分量并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*；

以上模块均在主控制器实现，并且需要对带滤波环节的前馈信号进行补偿，使得其时序上与在阀控实现的电压瞬时值前馈进行配合，保证切换时的无扰动冲击；

瞬时电压前馈信号产生模块A8，通过P3采集到电网电压信号后送到阀控制器的DSP处理器中，通过计算并标幺产生瞬时电压前馈信号；

故障时采用的瞬时电压前馈信号由阀控制器直接采样计算生成，其优势在于可缩短该部分的控制延时，对减小电网故障过程中及故障恢复时STATCOM的电感电流具有较好的效果。

电压调制波产生模块A9，在阀控制器的DSP处理器中，稳态时接收主控制器A5数据及A7数据，累加后产生电压调制波信号。在A6判断出电网产生故障时，将接收到的A5数据与A8相累加后产生电压调制波信号。

PWM脉冲波形发生模块A10，通过A9产生的调制波信号，采用移相载波调制，生成链式STATCOM各个模块的IGBT脉冲，对STATCOM内部各模块的IGBT管进行控制。

基于以上控制系统，本发明还提供一种用于链式STATCOM的电网电压前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤1，主控制器采样电网电压及电感电流在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c，采样并计算各模块的平均直流电压U_dc，阀控制器通过FPGA采样电网电压在每个控制周期固定时刻的稳态瞬时值u_a、u_b、u_c；

步骤2，主控制器内根据电网电压稳态值u_a、u_b、u_c分别计算d轴分量U_d、q轴分量U_q以及电压矢量角θ，锁相环采用双同步坐标系锁相环；

步骤3，主控制器内根据电感电流稳态值i_a、i_b、i_c，并结合步骤2得到的电压矢量角θ，计算得到电流d轴分量I_d、q轴分量I_q；

步骤4，主控制器内将步骤2得到的电压d轴分量U_d、q轴分量U_q均进行一阶低通滤波，得到滤波后的d轴分量q轴分量

步骤5，主控制器内将步骤4输出的带滤波环节的dq轴电压控制量进行矢量变换，将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*，并且需要对带滤波环节的前馈信号进行补偿，使得其时序上与在阀控实现的电压瞬时值前馈进行配合，保证切换时的无扰动冲击。经过延时补偿后下发给阀控制器；

步骤6，主控制器内对直流电压给定U_dc^*和步骤1得到的直流电压稳态值U_dc进行电压控制环处理，经限幅环节后输出电流控制环d轴给定I_d^*；

步骤7，主控制器内对无功给定Q^*或电压给定V^*和步骤1采样得到的电压电流稳态量计算出的瞬时无功量Q或目标点的电压量V进行无功或电压控制环处理，经限幅环节后输出电流控制环q轴给定I_q^*；

步骤8，稳态时，主控制器闭环调节电流d轴分量I_d和q轴分量I_q，对电流dq分量进行交叉解耦，并将旋转坐标系dq分量变换为静止坐标系abc轴分量，得到控制系统的电流环输出I_abc^*，并下发给阀控制器。

在阀控制器内与接收到步骤5得到的带滤波环节的瞬时电压前馈量U_abc^*累加后，生成电压调制波；

在电网故障时，根据电网电压瞬时值变化幅度和变化率发出控制切换命令。判断出电网故障后，将主控制器下发的电流环输出I_abc^*与步骤1阀控制器FPGA采样得到的瞬时电网电压信号经计算标幺后相累加生成电压调制波信号；

步骤9，将步骤8生成的调制波信号，经调制环节产生驱动脉冲，对链式STATCOM各模块的IGBT管进行控制。

采用本发明进行模拟电网发生单相跌落不对称故障试验，得到的STATCOM电感电流和电网电压波形图如图4所示，其中，C1通道是电网电压单相跌落的电网电压波形，C2是STATCOM的三相电感电流。可以看出，在电网产生电压故障到恢复时，电流输出波形具有良好的动态响应。同时稳态时候可看出电流具备较好的谐波特性。

综合上述，本发明公开一种链式STATCOM的电网电压前馈控制方法，采用电网电压的瞬时值作为前馈控制量，替换传统矢量控制中采用电网电压正序和负序电压dq分量作为前馈信号量，可有效避免电网故障时由于锁相环误差造成前馈信号失真的影响。同时，稳态情况下前馈信号采用瞬时电压信号经abc/dq变化至dq分量，在dq坐标系下对前馈信号量做一阶低通滤波，再经dq/abc反变换后得到带滤波环节的瞬时前馈信号。通过对电网电压瞬时值变化幅度和变化率的判断，确定当前电网是否发生故障，发出控制切换命令选择不同的前馈信号。前馈信号量累加在电流环的输出上生成调制波输出至调制模块产生脉冲。本发明可解决常规控制策略在电网故障时易使STATCOM过流保护动作而脱网的问题，同时在稳态情况下保证STATCOM输出的电流具有较好的谐波特性，提高设备的稳定性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。