基于瞬时功率平衡原理的sacom控制策略

基于瞬时功率平衡原理的sacom控制策略

0特性与设计方法静态同步补偿装置（statcom）的目标之一是稳定接入点的电压。为了达到这个目的,最常见的控制方法是双闭环法,这种控制方法的不足之处是必须设计多个比例积分器(PI)调节器,结构复杂,难以实现。文献从STATCOM的结构出发,建立它在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,这很难达到,特别是当三相不对称时,参数的选择对以电压型逆变器为基础的STATCOM的性能有很大影响,不当的参数选择将造成装置与系统间的谐振,使系统负序电流和三次谐波电流的幅值放大,严重威胁整个装置的安全运行。此外,考虑到STATCOM在稳定接入点电压时,还须对直流侧电容电压加以控制。也就是说STATCOM的电压控制系统是一个典型的两输入(公共连接点电压和直流侧电容电压给定值)、两输出(有功电压和无功电压指令信号)系统,且两个控制通道存在耦合。为此,文献首先推导出STATCOM的有功—无功暂态模型,然后求解出其逆系统控制方法,最后利用鲁棒侍服调节器的思想实现对有功和无功的解耦控制,这种方法首先需要较精确的数学模型,其次,涉及到复杂的微分方程求解和三角函数计算,计算量较大。文献通过在两个输入、输出信号间添加互相交叉的可变增益环节进行解耦,从原理图上来看,有点类似于两输入、两输出的神经网络解耦,但它所提出的用于解耦的可变增益环节难以设计。近来,随着科技发展,一些新控制理论与控制方法也逐步应用于STATCOM电压控制中来,比如:最优控制、神经网络控制、模糊控制、滑模控制、强化控制等。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,本文提出了一种基于瞬时功率平衡原理的自适应电压控制新方法,省去了传统双环电压控制中的电流内环,减少了PI调节器,使控制器的设计更简单。此外,因传统双环电压控制中没有考虑电网电压的不对称问题,在这种条件下设计出的控制器当电网电压不对称时其控制性能会变差,更严重的情况还会烧坏STATCOM装置。为此,本文引入电压负序补偿环节,以维持接入点电压的三相对称性,并提高装置的生存能力。最后,因瞬时功率平衡原理需知道整个装置的等效电阻Rf和等效电感Lf,而这两个参数一般难以得到,故提出了一种简单的参数自修正策略,在线修正Rf和Lf参数值,以提高控制精度。1at观变带设带STATCOM接入系统的单相等效电路见图1。图中,us、Rs、Ls分别表示电源电压、线路电阻和电抗;Rf和Lf分别表示连接变压器和滤波器以及STATCOM的等效电阻和电抗;RL和XL分别为负载电阻和负载电抗;e为STATCOM逆变器输出电压;uPCC及UPCC分别为装置接入点电压及其采样信号;ic为逆变器注入电网电流,iL为负载电流;S1,…,S6为开关信号;CDC为电容;UDC为直流电压。传统双闭环控制法采用电压外环和电流内环的控制结构(见图2)。图中接入点电压参考信号UPCCref与采样值UPCC的差值经过一个PI调节器,构成交流电压外环,用于稳定接入点电压;逆变器直流侧电压参考值UDCref与采样值UDC的差值经过一个PI调节器,构成直流电压外环,用于稳定逆变器直流侧电容两端电压。交流电压外环的输出iqref和直流电压外环的输出idref分别构成电流内环的无功参考信号和有功参考信号,电流内环的作用是使逆变器的输出电流能跟踪电压闭环的输出参考信号。2dq和udiq转换在dq坐标中,由瞬时功率理论可得{Ρe=32(edid+eqiq)；Qe=32(eqid-ediq)。(1){Pe=32(edid+eqiq)；Qe=32(eqid−ediq)。(1)式中,Pe、Qe为逆变器输出功率有功和无功分量;ed、eq和id、iq分别为逆变器输出电压和电流d、q分量。同样,对STATCOM接入点也满足关系式{Ρ0=32(udid+uqiq)；Q0=32(uqid-udiq)。(2){P0=32(udid+uqiq)；Q0=32(uqid−udiq)。(2)式中,P0、Q0为接入点的有功和无功分量;ud、uq为接入点电压的d、q分量。为了分析方便,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。则{Ρ0=32uid；Q0=-32uiq。(3){P0=32uid；Q0=−32uiq。(3)而耦合变压器和滤波器消耗的有功功率Pf和无功功率Qf分别为{Ρf=32i2cRf=32(i2d+i2q)Rf；Qf=32i2cωLf=32(i2d+i2q)ωLf。(4)在dq坐标系下,根据瞬时功率平衡原理可知{Ρe=Ρ0+Ρf；Qe=Q0+Qf。(5)将式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)可得{ed=Rfid-ωLfiq+u；eq=Rfiq+ωLfid。(6)显然,式(6)实现了在dq坐标系中电流id、iq到电压ed、eq的转换,其转换原理见图3。将瞬时功率平衡原理引入到图2的双环电压控制中,可得新的电压控制方法,其原理图见图4。但这种控制方法的前提是假设三相电压对称,然而,实际电网中,三相电压不对称是经常发生的现象。故在图4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对称。引入电压负序控制环节后的控制原理图见图5,其工作原理是:先分离出接入点电压的正、负序分量;然后分别对正、负序分量分别进行abc/dq变换,得到相应的d、q分量:d+、q+、d-、q-。为维持接入点电压三相对称,应控制STATCOM输出,使接入点电压负序分量为0,为此,将d-、q与0比较后经过一个PI调节器构成电压负序控制环节。3电流-电压变换t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Rf和Lf值,而这两个参数难以精确测量,故用一种简单自适应算法对这两个参数进行在线自修正。由瞬时功率平衡原理可得逆变器输出电压与逆变器注入到电网的电流满足式(6)。也就是说,假设在k时刻,通过电压环控制后得到的参考电流信号为idref(k)、iqref(k),STATCOM的等效电阻和等效电感分别为Rf和Lf,则理论上来说,只需控制逆变器输出的电压满足式(7),就能保证逆变器注入到电网的电流等于idref(k)和iqref(k)。式(7)为{ed=Rfidref(k)-ωLfiqref(k)+u；eq=Rfiqref(k)+ωLfidref(k)。(7)但实际工作中,当控制逆变器输出电压满足式(7)时,其注入到电网的实际电流未必完全和idref(k)、iqref(k)一样,这是因在进行电流—电压转换时,对Rf和Lf估计不准造成。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的等效电阻和等效电感分别为R*f和L*f,则逆变器的输出电压应满足下式{ed=R*fi*d(k)-ωL*fi*q(k)+u；eq=R*fi*q(k)+ωL*fi*d(k)。(8)联合式(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时刻,用R*f和L*f代替Rf和Lf作为STATCOM的等效电阻和等效电感值进行式(7)的电流-电压变换,至此,对参数完成了一次自适应修正过程。需要说明的是,式(9)只是采用一次采样值进行计算,容易出现较大的误差,为此,可利用n个采样值进行计算,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)分别为k时刻STATCOM的实际等效电阻和等效电感值;i*d(k-i)、i*q(k-i)分别为k-i时刻逆变器的实际输出电流;Rf(k-i)、Lf(k-i)分别表示k-i时刻的STATCOM等效电阻和等效电感值;idref(k-i)、iqref(k-i)分别为k-i时刻经过电压环计算出来的电流参考信号值。将该参数自适应修正方法引入到图5的控制方法中得到基于瞬时功率平衡原理的自适应电压控制新方法,其原理图见图6。4相电压对称情况下仿真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,其它参数见表1。控制过程中,直流侧电容电压参考值设定为500V;Rf、Lf初始值的选定,可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,Rf初始值设定为0.02Ω,Lf初始值设定为0.2mH,式(10)中的n取2。图7为三相电压对称情况下的仿真结果,图8为a相电压出现跌落情况下的仿真结果,其中,图(a)为传统双环控制效果图,图(b)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时刻投入,纵轴均为uPCC的标么值uPCC,pu。图9为本文所提出控制方法参数自修正结果。从图中可看出:1)在三相电压对称情况下,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标么值uPCC,pu维持在1,但传统双环控制约需3个周波达到稳定,而本文所提出控制方法只需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标么值达到稳定。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,都要更加严重。3)三相电压不对称情况下,用本文提出的控制方法不仅能使接入点电压标么值维持在1,同时还能对电压负序进行补偿,使接入点电压保持三相对称。而传统双环控制对不对称电压不能有效补偿。4)等效电感波动不大,但等效电阻波动较大,这是因直流侧电容并不能完全维持在500V所致。5带效率的pi控制器针对STATCOM在稳定接入点电压时,传统双环控制的不足之