本发明公开了一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制系统及方法，包括：电网同步相位快速开环检测模块、全局直流电压控制模块、正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块、正序电流解耦控制模块、负序分离及负序电压计算模块、功率模块平均直流电压控制及电压指令合成、移相载波调制模块。本发明利用先进的电网相位开环同步控制方法来应对电网电压相位的随机扰动，对链式STATCOM装置的输出电压以及电网电压的相序进行实时分离，公开了正负序分量协调控制所需满足的相移角、调制比两方面的关系，给出了链式STATCOM装置在电网电压不平衡条件下的正负序分量协调控制方法。
1.一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序分量协调控制系统，其特征在于：包括电网同步相位快速开环检测模块、全局直流电容电压控制模块、正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块、正序电流解耦控制模块、负序分离模块、负序电压计算模块、功率模块平均直流电压控制模块和电压指令合成及移相载波调制模块；
所述的电网同步相位快速开环检测模块，用于根据第一霍尔电压传感器检测的电网电压，得到电网电压的实时相位θ；
所述的正序无功补偿电流计算模块，用于根据第一霍尔电流传感器检测STATCOM输出+ +的三相电流ica、icb、icc，得到dq坐标系下STATCOM输出的正序补偿电流icd、icq；
所述的正序无功指令电流计算模块，用于根据第二霍尔电流传感器检测到的三相负载电流ila、ilb、ilc，并将q轴输出的信号作为链式STATCOM装置的q轴正序无功补偿电流指令值i+qref；
所述的全局直流电容电压控制模块，用于根据3N个第二霍尔电压传感器检测STATCOM各个功率单元的直流电容电压，N为每相的功率单元数量，利用直流电容电压控制算法得到链式STATCOM装置的d轴正序有功补偿电流指令值i+dref；
所述的正序电流解耦控制模块，用于根据正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块及全局直流电容电压控制模块的输出电流信号，利用正序电流解耦控制算法得到STATCOM装置在dq坐标系下的正序输出电压指令值u+cd、u+cq；
所述的负序分离模块，用于根据检测到的电网电压及相位θ得到dq坐标系下电网的负序电压u-sd、u-sq；
所述的负序电压计算模块，用于根据负序分离模块和正序电流解耦控制模块的输出电压信号，生成协调控制策略下的负序分量信号；
所述的电压指令合成及移相载波调制模块，用于根据正序电流解耦控制模块、负序电压计算模块以及功率模块平均直流电压控制模块的输出信号生成逆变器的PWM控制信号，进行链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
2.一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用第一霍尔电压传感器检测电网电压，并通过电网同步相位快速开环检测模块检测电网电压的实时相位θ；
(2)利用第一霍尔电流传感器检测STATCOM输出的三相电流ica、icb、icc，并将其输入到正序无功补偿电流计算模块，得到dq坐标系下STATCOM输出的正序补偿电流i+cd、i+cq；
(3)利用第二霍尔电流传感器检测三相负载电流ila、ilb、ilc，并将其输入到正序无功指令电流计算模块，并将q轴输出的信号作为链式STATCOM装置的q轴正序无功补偿电流指令+值iqref；
(4)利用3N个第二霍尔电压传感器检测STATCOM各个功率单元的直流电容电压，并将其输入到全局直流电容电压控制模块，N为装置每相的功率单元数量，利用直流电容电压控制算法即可计算得到链式STATCOM的d轴正序有功补偿电流指令值i+dref；
(5)将步骤(2)～(4)的输出电流信号作为正序电流解耦控制模块的输入信号，利用正序电流解耦控制算法得到STATCOM装置在dq坐标系下的正序输出电压指令值u+cd、u+cq；
(6)将检测到的电网电压及其相位θ经负序分离模块得到dq坐标系下电网的负序电压u-sd、u-sq；
(7)将步骤(5)、(6)的输出信号作为负序电压计算模块的输入信号，得到协调控制策略下的负序分量；
(8)将步骤(5)、(7)以及功率模块平均直流电压控制模块的输出，作为电压指令合成及移相载波调制模块的输入信号，生成逆变器的PWM控制信号，进行链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
3.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：步骤(2)中，正序无功补偿电流计算模块的表达式如下：
4.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：步骤(3)中，正序无功指令电流计算模块公式如下：
5.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：步骤(4)中，将检测到的3N个功率单元的直流电容电压进行求和运算udc_sum，再将其与
3N倍的直流电容电压指令值3N·udc_ref做差，最后将该偏差电压值通过PI调节器进行运算之后，得到dq坐标系下的d轴正序有功补偿电流指令值i+dref；其中，udc_ai、udc_bi、udc_ci分别为实际采样到的A、B、C三相中每相第i个功率单元的直流电容电压，N为每相功率单元的个数。
6.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：步骤(5)中，正序电流解耦控制算法具体计算公式如下：
其中，U+c为逆变器输出的正序电压，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角。
7.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：步骤(6)中，负序分离模块的具体计算公式如下：
其中，U-s为电网负序电压，β负序分量与正序分量之间的相位差。
8.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：所述的负序电压计算模块的计算公式如下：
其中，U+c为逆变器输出的正序电压，U-s为电网的负序电压，β为负序分量与正序分量之+间的相位差，δ为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角。
9.根据权利要求书2所述的一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，其特征在于：链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制关系为：δ+＝δ-
其中，m+、m-分别为逆变器输出的正序、负序电压的调制比，U+s、U-s分别为电网的正序、负序电压，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角，δ-为逆变器输出的负序电压超前于电网负序电压的相移角。
链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制系统及
方法
技术领域
[0001] 本发明属于电能质量治理领域，特别涉及一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法。
背景技术
[0002] 链式STACOM的控制要求装置能够快速地响应负载的无功需求，同时还要保证装置自身的安全稳定运行。特别是应用于公共电网时，装置必须能够承受系统故障的冲击，在系统恢复的过程中持续稳定运行，并且提供及时有效的动态无功支撑。如果STATCOM装置只进行正序电压控制，那么10％左右的电网负序电压就会导致装置输出电流超过器件的最大关断电流，当电网发生严重不对称故障引起系统电压迅速下降时，如果没有相应的控制，也会导致STATCOM装置过流，这些工况均会威胁装置的安全运行。
[0003] 链式STATCOM装置的控制策略主要有：电流解耦控制、有功无功解耦控制以及非线性控制等等，这些研究大多是基于系统为三相对称的条件下。然而，雷击、操作过电压、不对称短路故障以及负荷不对称突变等各种扰动，将导致电网电压不对称，进而影响STATCOM的正常运行。若不针对不对称工况进行有效控制，装置将会产生不平衡电流，导致系统损耗增大，运行性能下降，严重时装置可能发生故障保护而退出运行，甚至会直接导致装置损坏。开关函数法深入分析了电网电压不平衡对链式STATCOM的不良影响。然而，电网不平衡运行期间，却恰恰是装置发挥无功支撑作用的关键时刻。此时，应当首先考虑装置本身的持续安全稳定性，其次才是使装置发挥作用，为系统提供稳定可靠的无功支撑。当电网电压不平衡时，现有的做法通常是在电网恢复正常前先退出运行以保护装置，等待重新投入。然而，大容量STATCOM装置并网合闸过程比较复杂，在短时间的故障过程中频繁的投切不利于其安全运行，因此希望STATCOM在电网电压不平衡时仍然能够并网工作。在此基础上，反馈线性化滑模控制方法被用来实现正负序完全解耦，然而该方法计算复杂，参数整定困难，无法应用于工业装置。基于等效电纳变换法的星形链式STATCOM的零序电压计算方法在两相静止坐标系下完成不平衡电流跟踪控制，但没有考虑目前常用的Y型连接方式。
发明内容
[0004] 当电网电压不平衡时，针对电网平衡工况设计的控制策略将使STATCOM仅输出正序电压，电网电压中的负序分量可能会造成装置过流而退出运行，本发明的目的在于提供一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，该方法实现了对链式STATCOM输出电压的正负序分离与协调控制，通过将装置的输出电压分解为正序和负序两部分控制，实现了完整的链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
[0005] 本发明技术方案进行如下说明。
[0006] 一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序分量协调控制系统，包括电网同步相位快速开环检测模块、全局直流电压控制模块、正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块、正序电流解耦控制模块、负序分离模块、负序电压计算模块、功率模块平均直流电压控制模块和电压指令合成及移相载波调制模块；
[0007] 所述的电网同步相位快速开环检测模块，用于根据霍尔电压传感器检测的电网电压，得到电网电压的实时相位θ；
[0008] 所述的正序无功补偿电流计算模块，用于根据霍尔电流传感器检测STATCOM输出的三相电流ica、icb、icc，得到dq坐标系下STATCOM输出的正序补偿电流i+cd、i+cq；
[0009] 所述的正序无功指令电流计算模块，用于根据霍尔电流传感器检测到的三相负载电流ila、ilb、ilc，并将q轴输出的信号作为链式STATCOM装置的正序无功补偿电流指令值i+qref；
[0010] 所述的全局直流电容电压控制模块，用于根据3N个霍尔电压传感器检测STATCOM各个功率单元的直流侧电容电压值，N为每相的功率单元数量，利用直流电容电压控制算法+得到链式STATCOM装置的d轴正序补偿电流指令值idref；
[0011] 所述的正序电流解耦控制模块，用于根据正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块及全局直流电容电压控制模块的输出电流信号，利用正序电流解耦控制算法得到STATCOM装置在dq坐标系下的正序输出电压指令值u+cd、u+cq；
[0012] 所述的负序分离模块，用于根据检测到的电网电压及相位θ得到dq坐标系下电网的负序电压u-sd、u-sq；
[0013] 所述的负序电压计算模块，用于根据负序分离模块和正序电流解耦控制模块的输出电压信号，生成协调控制策略下的负序分量信号；
[0014] 所述的电压指令合成及移相载波调制模块，用于根据正序电流解耦控制模块、负序电压计算模块以及模块平均电压直流控制模块的输出信号生成逆变器的PWM控制信号，进行链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
[0015] 一种链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法，包括以下步骤：
[0016] (1)利用霍尔电压传感器检测电网电压，并通过电网同步相位快速开环检测模块检测电网电压的实时相位θ；
[0017] (2)利用霍尔电流传感器检测STATCOM输出的三相电流ica、icb、icc，并将其输入到正序无功补偿电流计算模块，得到dq坐标系下STATCOM输出的正序补偿电流i+cd、i+cq；
[0018] (3)利用霍尔电流传感器检测三相负载电流ila、ilb、ilc，并将其输入到正序无功指令电流计算模块，并将q轴输出的信号作为链式STATCOM装置的q轴正序无功补偿电流指令值i+qref；
[0019] (4)利用3N个霍尔电压传感器检测STATCOM各个功率单元的直流侧电容电压值，并将其输入到全局直流电容电压控制模块，N为装置每相的功率单元数量，利用直流电容电压+控制算法即可计算得到链式STATCOM的d轴正序有功补偿电流指令值idref；
[0020] (5)将步骤(1)～(4)的输出电流信号作为正序电流解耦控制模块的输入信号，利用正序电流解耦控制算法得到STATCOM装置在dq坐标系下的正序输出电压指令值u+cd、u+cq；
[0021] (6)将检测到的电网电压及其相位θ经负序分离模块得到dq坐标系下电网的负序- -电压usd、usq；
[0022] (7)将步骤(5)、(6)的输出信号作为负序电压计算模块的输入信号，得到协调控制策略下的负序分量；
[0023] (8)将步骤(5)、(7)以及模块平均电压直流控制模块的输出，作为电压指令合成及移相载波调制模块的输入信号，生成逆变器的PWM控制信号，进行链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
[0024] 步骤(2)中，正序无功补偿电流计算模块的表达式如下：
[0025]
[0026] 步骤(3)中，正序无功指令电流计算公式如下：
[0027]
[0028] 步骤(4)中，将检测到的3N个H桥模块的直流电容电压进行求和运算udc_sum，再将其与3N倍的直流电容电压指令值3N·udc_ref做差，最后将该偏差电压值通过PI调节器进行运算之后，得到dq坐标系下的d轴正序补偿电流指令值i+dref；其中，
[0029]
[0030] udc_ai、udc_bi、udc_ci分别为实际采样到的A、B、C三相中每相第i个模块的直流电容电压，N为每相H桥模块的个数。
[0031] 步骤(5)中，正序电流解耦控制算法具体计算公式如下：
[0032]
[0033] 其中，U+c为逆变器输出的正序电压，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角。
[0034] 步骤(6)中，负序分离模块的具体计算公式如下：
[0035]
[0036] 其中，U-s为电网负序电压，β负序分量与正序分量之间的相位差。
[0037] 所述的负序电压计算模块的计算公式如下：
[0038]
[0039]
[0040] 其中，U+c为逆变器输出的正序电压，U—s为电网的负序电压，β为负序分量与正序分量之间的相位差，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角。
[0041] 链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制关系为：
[0042] δ+＝δ-
[0043]
[0044] 其中，m+、m-分别为逆变器输出的正序、负序电压的调制比，U+s、U—s分别为电网的正序、负序电压，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角，δ-为逆变器输出的负序电压超前于电网负序电压的相移角。
[0045] 通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
[0046] 本发明控制系统，围绕电网电压不平衡时的链式STATCOM装置控制的问题，通过利用先进的电网相位开环同步控制方法来应对电网电压相位的扰动，实现了对装置输出电压以及电网电压的相序分离，实现了对链式STATCOM输出电压的正负序分离与协调控制，通过将装置分解为正序和负序两部分控制，并且从功率平衡的角度分析，得到了正负序协调控制所需满足的相移角、调制比两方面的关系，提出了完整的链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法。
[0047] 本发明的控制方法首先利用先进的电网电压相位开环同步控制方法来应对电网电压相位的扰动，实现了对装置输出电压以及电网电压的相序分离，实现了对链式STATCOM输出电压的正负序分离与协调控制，通过将装置分解为正序和负序两部分控制，将正序电流解耦控制模块、负序电压计算模块以及模块平均电压直流控制模块的输出信号作为电压指令合成及移相载波调制模块的输入信号，即可生成逆变器的PWM控制信号，从而实现了链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序分量协调控制。本方法具有良好的应对系统不平衡的能力，在系统电压不对称以及相位扰动的工况下，装置均能稳定地运行，且同时达到补偿无功的要求。
附图说明
[0048] 图1是Y形链式H桥型STATCOM主电路结构图；
[0049] 图2是本发明中链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制框图；
[0050] 图3是全局的直流电容电压控制算法框图；
[0051] 图4是正序电流解耦控制算法框图；
[0052] 图5是电网电压仿真波形(电网电压含30％负序分量)图；
[0053] 图6是没有协调控制时STATCOM输出电流曲线图；
[0054] 图7是协调控制时STATCOM输出电流曲线图；
[0055] 图8是STATCOM输出电流的不平衡度曲线图；
[0056] 图9是dq坐标系下系统电流的无功分量曲线图。
具体实施方式
[0057] 本发明所采用的链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制系统如附图2所示，包括：电网同步相位快速开环检测模块、全局直流电压控制模块、正序无功补偿电流计算模块、正序无功指令电流计算模块、正序电流解耦控制模块、负序分离及负序电压计算模块、功率模块平均直流电压控制及电压指令合成、移相载波调制模块。利用先进的电网相位开环同步控制方法来应对电网电压相位的扰动，实现了对装置输出电压以及电网电压的相序分离，实现了对链式STATCOM输出电压的正负序分离与协调控制，通过将装置分解为正序和负序两部分控制，进而实现了链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
[0058] 以下内容将对链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法的基本原理进行详细说明：
[0059] 链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法如下：
[0060] (1)利用霍尔电压传感器检测电网电压，并通过电网同步相位快速开环检测模块检测电网电压的实时相位θ；整个系统的相位信息由电网同步相位开环检测方法提供；
[0061] (2)利用霍尔电流传感器检测STATCOM输出的三相电流ica、icb、icc，并将其输入到+ +正序无功补偿电流计算模块，即可得到dq坐标系下STATCOM输出的正序电流icd、i cq；正序无功补偿电流计算模块的表达式如下：
[0062]
[0063] (3)利用霍尔电流传感器检测三相负载电流ila、ilb、ilc，并将其输入到正序无功指令电流计算模块，并将q轴输出的信号作为链式STATCOM装置的正序无功补偿电流指令值i+qref；正序无功指令电流计算公式如下：
[0064]
[0065] (4)利用3N个霍尔电压传感器检测STATCOM各个功率单元的直流侧电容电压值，并将其输入到全局直流电容电压控制模块，利用直流电容电压控制算法即可计算得到链式+STATCOM装置的d轴正序补偿电流指令值idref；全局的直流电容电压控制算法如图3所示；其基本原理与步骤为：将检测到的3N个H桥模块的直流电容电压进行求和运算udc_sum，接下来将其与3N倍的直流电容电压指令值3N·udc_ref做差，最后将该偏差电压值通过PI调节器进行运算之后，即可得到dq坐标系下的d轴正序补偿电流指令值i+dref；其中，[0066]
[0067] udc_ai、udc_bi、udc_ci分别为实际采样到的A、B、C三相中每相第i个模块的直流电容电压，N为每相H桥模块的个数。
[0068] (5)将步骤(1)～(4)的输出电流信号作为正序电流解耦控制模块的输入信号，利用正序电流解耦控制算法即可得到STATCOM装置在dq坐标系下的正序输出电压指令值u+cd、u+cq，具体计算公式如下：
[0069]
[0070] 其中，U+c为逆变器输出的正序电压，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角；正序电流解耦控制算法如图4所示。
[0071] (6)将检测到的电网电压及相位θ经负序分离模块得到dq坐标系下电网的负序电压u-sd、u-sq，具体计算公式如下：
[0072]
[0073] 其中U-s为电网负序电压，β负序分量与正序分量之间的相位差；
[0074] (7)将步骤(5)、(6)的输出信号作为负序电压计算模块的输入信号，进而实现协调控制策略下的负序分量，具体计算公式如下：
[0075]
[0076]
[0077] 其中，U+c为逆变器输出的正序电压，U—s为电网的负序电压，β为负序分量与正序分量之间的相位差，δ+为逆变器输出的正序电压超前于电网正序电压的相移角。
[0078] (8)将步骤(5)、(7)以及模块平均电压直流控制模块的输出，作为电压指令合成及移相载波调制模块的输入信号，即可生成逆变器的PWM控制信号，从而实现链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制。
[0079] 此外，通过搭建链式STATCOM在电网电压不平衡时的正负序协调控制方法的仿真模型，对该方法进行仿真验证，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。
[0080] 电网电压在0.14s至0.18s之间突然增加了30％的负序分量，正序、负序分量之间的相位差为300；图6所示的结果为不加负序控制时流过装置的电流，图7是在正负序协调控制方式下的装置电流波形，图8是图7所示电流的不平衡度，图9是此时系统电流在dq坐标系下分解后的无功分量。可见，在正负序协调控制方式下，流过装置的电流的负序成分得到了有效地控制，电流不平衡度较低，系统电流的无功分量为零，在系统扰动点附近略有扰动，STATCOM依然完成了补偿正序无功的功能。
[0081] 本发明所提出的方法具有良好的应对电力系统不平衡的能力，在系统电压不对称以及相位扰动的工况下，均能使链式STATCOM装置安全稳定地运行，且同时达到高性能补偿无功的要求，具有良好的应用价值。
[0082] 以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
