不平衡系统中D-STATCOM的控制策略
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不平衡系统中statcom的控制策略
第19卷第4期2007年8月
电力系统及其自动化学报
ProceedingsoftheCSU—EPSA
V01.19No.4Aug.
2007
不平衡系统中D—STATCOM的控制策略
伏祥运1,王建赜1,范伟锋2,纪延超1
(1.哈尔滨工业大学电气工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨发电有限公司,哈尔滨150001)
摘要:不平衡系统中配网静止同步补偿器DSTATCOM的控制是D—STATCOM的重要研究内容。提出一种
根据FBD功率理论,以单位功率因数为补偿目标的DSTATCOM新型控制方法,该控制方法将目标电流进行
序分解.对其正、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系中,对正、负序电流的d轴和g轴分量分别采用比例一积分(proportionalintegraltPI)控制。由于正序和负序分量在相应的旋转坐标系中d轴和q轴分量均为直流,简化了控制器设计。该方法采用电网电流控制的闭环结构,直流侧电容电压的调节模块直接产生电流的参考值,不需要复杂的无功电流检测过程.控制系统结构简单。
关键词:无功补偿;配网静止同步补偿器;解耦控制;不平衡}FBD功率理论中图分类号:TM464
文献标识码:A
文章编号:10038930(2007)04—0093—07
Control
Method
for
D—STATCOM
Under
UnbalancedConditions
FU
Xiang—yunl,WANG
Jian—zel,FANWeifen92,儿Yancha01
(1.SchoolofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China
2.HarbinPowerGenerationCo.,LTD.,Harbin150001。China)
Abstract:Research
novel
oil
thecontrolmethodforDSTATCOMis
an
importantissue
lndistribution
system.A
as
controlstrategyforD—STATCOMisproposedin
currents
thispaper.Choosingunitpowerfactor
are
control
target,thereferencevaluesofthree—phaselinewhichmakescontrollerdesignharderofline
currents
are
unbalancewhenlinevoltages
are
unbalanced.
Thecontrolmethodproposedadjusts
positive
andnegativecomponents
independentlythroughsequencecomponentdecomposition.Thus,thecomponentsofd-axis
constant
andq--axis
in
synchronousreferenceframesofpositiveandnegativecomponents,whichmakes
to
thecontroleasier.DecoupledPIcontrolisadopted
getfastresponse.Themethod
can
obtainline
current
referencevaluesdirectly,socomplexreactivepower
Keywords:reactivepower
current
detectionisn’t
neededanymore.
compensation;distributionstaticsynchronouscompensator(D—STATCOM){
decoupledcontrolstrategy}unbalancedconditionsfFryze—Buchholz—Dpenbrock(FBD)powertheory
1前言
无功补偿是电力系统中配网控制的重要内容。基于电压源型逆变器的配网静止同步补偿器it3D-STATCOM作为一种新型的无功补偿设备,以其动态响应速度快,电流谐波含量小,装置体
积小等优点得到了国内外学者的关注o“]。
配电网的运行工况较为复杂,负载不平衡、电网电压不对称等情况经常发生,因此,D—STATCOM在不平衡情况下的控制策略是保证
补偿器可靠工作的重要研究内容之一。国内外学者
在此种工况下对D—STATCOM的控制策略进行了
广泛的研究“““。目前,不平衡系统中D—STATCOM多以负载平衡为控制目标,补偿后电网电流三相平衡,但这不能满足能量传输过程中的损失最小的目标,同时也对电网电压的不平衡程
度有一定的加剧。
本文提出一种基于FBD功率理论的
D—STATCOM的控制策略。依据该理论的控制方
法能够达到能量在传输过程中损失最小,而且对电
万方数据
收稿日期:2006—05—22}修回日期:2006—0810
不平衡系统中statcom的控制策略
94 电力系统及其自动化学报
网电压的不平衡程度起到缓解作用。该控制器采用电网电流量检测的闭环结构,对电网电流的正负序
分量分别控制,通过对其分别进行正、负序的由变
换后,对其d轴和g轴分量分别采用比例一积分
(proportionalintegral,PI)控制。这使得PI控制的
参考值均为直流,简化了PI参数设计。该方法不需要复杂的无功电流检测环节,简化了控制系统的结构。电压在三相不平衡系统中,补偿器能取得理想的补偿效果。通过计算机仿真验证了该控制方法的正确性和有效性。
2
FBD功率理论几个重要定义
FBD功率理论…3由德国学者S.Fryze提出,
“一EIt—II‘一I;I‘一I!]
c ,
…£一√2《+“}+坼
(2)
户5一!
(3)
G一2—fr奇
“)
‘4一b∥
(5)
万
方数据功传输损耗最小。在电压存在一定畸变时,这种控
制方式将有利于降低系统电压的畸变程度““。从系统侧来看,补偿器和负载综合看来为三相平衡的纯电阻负载。
3
D—sTATCOM模型建立
图l为D—sTATcOM的主电路图。图中R和工
为补偿器与电网间连接电阻和电抗。‰、‰、‰是电网的三相电压,假设电网电压中只含有正负序分
量,零序分量已经剔除,设电网电压的瞬时值为
“。。一UPsin(“)+UNsin(“+氐)
“女一UPsin(“一27【/3)+
UNsin(Ⅻ+氐+2“/3)(6)
“。。一UPsin(嘶+2Ⅱ/3)+
UNsin(rot+氐一2n/3)
其中:ur为正序电压幅值;uw为负序电压幅值;氐为负序电压相角。
i…i。ni。。为电网的三相电流;‰Au、‰分别为
STATCOM三相逆变器的输出电压,通过控制其
幅值和相位可以控制补偿器输出电流;i…i—i。。为
补偿器输出的三相电流mi、i¨il。为三相负载电流;
C为直流侧电容,Vm为直流侧电容电压。
图1
静止同步补偿器的主电路
Fig.1
Main
circuitofstaticsynchronous
compensator
由图1得STATCOM的电流暂态模型为
厂f。。]_。。]p。]■。。]
L未li“+RUccJ
J《“一J地ec,,
UccJ
ⅢscJJ—i‰。i
ⅢccJ
对电流电压进行序分解,正负序分量可以独立分析如下:
陌]
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一二]
阿:]
L五d川+R毡=卜I
“女(8)
-矗J
F未J
b未J
■未J
不平衡系统中statcom的控制策略
第19卷第4期伏祥运等:不平衡系统中D—sTATc0M的控制策略 95
稍+骨㈩|]㈨
[》R[》L搬]
T一一
㈨,
同理,对式(12)进行变换,变换矩阵为11_取值为
r—sineat—sin(“
L
COS
120。)一sin(“+120。)]
COS(cot+120。)J
(15)
wt
COS(“一120。)
黼二图
||]=|摊]工未I!]+RI!]一Ji;]一I;]I料州L未Ii]+RI|]亍j{i]一Ei]+
尺什L钢
Lcos“COS(wt一120。)COS(州+120。)J
则变换后式(12)可变为
㈤
1
L《卜蚓+乩嗣+[争
目+R[孙工摆]
控制量分为正、负序两部分分别进行控制。
㈣,
式(14)、(16)为STATCOM进行序分解后的动态数学模型的表达式。在三相系统中,正负序分量是
独立的,可以分别考虑,所以在控制过程中可以将
…,
4
系统控制策略
4.1控制系统结构
控制系统结构如图2所示。控制系统主要由直
流侧电压控制模块、基于n卢坐标系的序分解模块、补偿电流的控制模块等部分组成。其中直流控制模块主要是调节直流侧电压使之维持在一个稳定值,
㈣)
并为电流控制提供电网电流的参考值。根据FBD理论,为了达到单位功率因数,则电网电流和电网电压应波形相同,幅值成正比。因此,在电网电压不对称的情况下,电网电流的参考值也同样不对称。为了实现对电网电流误差的正负序独立控制,需要
P“81“‘叫120。’5in(“t+120。’](13)
对电网电流误差进行序分解。基于坐标系的序分解
方法的延时仅为1/4个工频周期。电流控制模块是
对电网电流误差的正、负序分量分别进行咖变换
£鞭卜蚓一乩嗡+嘲一
后,对正、负序分量分别采取PI解耦控制。下面对上述控制系统中各个模块分别讨论。
圈2
Fig.2
STATCOM控制系统圈
Controlscheduleof¥TATCOM
万方数据
不平衡系统中statcom的控制策略
96 电力系统及其自动化学报2007年8月
4.2直流侧电压控制
直流侧电容电压维持一个稳定值是逆变器正
常运行的保证,也是补偿器正常运行的基础。直流
旧一T旧
h品。
(21)
li。i
侧的电压调整是通过控制直流侧电容的充放电来实现的。电网输出的瞬时有功功率为
P,一“,。z。。+“女i。b+”。i。
(17)
通过以上的变换,在电网电压没有畸变的情况下,上式中的参考值诘+、砬‘、卤’、《’都为直流量。由式(14)、(16)可知,可以通过调节逆变器输
出电压达到对电网电流的控制。为了达到对各序电
根据能量平衡,电网输出瞬时功率为负载瞬时功率与补偿器瞬时功率之和。设补偿器中连接阻抗与逆
变器有功损耗的和为P-。一负载的瞬时功率为A,
流的幽分量的独立控制,需要对系统模型进行解
耦,对式(14)进行如下变化:
则直流侧电容的能量变化为
1
寺c2j导一P。pl
一r1,2、
Pl。
(18)
工旦dt『L茜i;J]+R[譬]=[筹]
其中
czz,
为了使直流侧电压稳定到一个给定值,对直流侧电压偏差进行的PI控制,其输出为等效有功电导G,该电导是负载和补偿器损耗的等效有功电导。三相电压的瞬时值‰。与等效有功电导相乘可以得到电网三相电流的参考值瞌。。其控制框图如
图3所示。这样直流侧的控制模块直接产生电网电流的参考值,省去了复杂的无功电流检测过程。
[:;]一[::]一[:;]一乩[一i爹]+d挣L《]
忽略上式中与负载电流有关的干扰项可得:
㈣,
[磬嘲一[磬叫一,爹]㈨,
式(21)所示的模型中状态变量是独立的,可以通
过控制量“,、“}对电网正序电流珐和i:电流分别
控制。本文采用P1控制器。即“,、“}如下式所示:
“÷一kp(i占;一珐)+k。I(z二‘一珐)出
图3直流侧控制
Fig.3
I
(25)
DiagramofDC—sidevoltagecontrol
“}=^,(砬。一茜)+女.I(喵。一i:)dt
逆变器的输出电压正序分量应为
4.3电流控制方法
根据FBD功率理论,为了达到单位功率因数的补偿目标,则补偿后电网电流的参考值为
肄G陶
l引
(19)
L一
[争嘲一[期[磬[纷“一i翔
㈤,
式中:“女、“:分别表示补偿器输出正序电压的d轴和g轴分量的值;“0’、砧’分别表示一个中间变量;喝、呓分别表示补偿器输出电流的正序电流的d轴和g轴分量;“占、“:分别表示系统电网电压的正序
电压的d轴和g轴分量。“,、“i分别为中间变量如式(22)所示。
(20)
上式中G为等效有功电导,当负载一定时为一个常数。当电网电压不对称时,电网电流同样也是不平
衡的。因此,在电网电压不对称时,可以将电网电流参考值进行序分解:
㈧…封
abc/dq变换:
r;*1
r.+*]“4
同理,对式(16)进行相应的变化:
对上式中的电网电流参考值正、负序分量分别进行
L《卜[》豳
忽略与负载电流有关的干扰项后:同样对控制量“i、U2采用PI控制率:
∽,
…一T+旧li一+
u目。
[》[争[廿越晤㈣,
万方数据
U
sc
J
不平衡系统中statcom的控制策略
第19卷第4期伏祥运等:不平衡系统中D—STATCOM的控制策略
97
uI—kp(i95;
一石)+^.f(白*一ii)出
。
(29)
一瞄)+6-i;+i;)出
盼盼[割
㈣,
[咎[廿科一。翔
肄∥矿[期吲一矿蹦
㈣,
日图~卧斟
㈣,
图4
电网电流控制
Fig.4
Diagramoflinecurrentcontrol
上式是逆变器调制电压,调节逆变器电压,从而使
万
方数据电网电流跟踪其参考值,达到单位功率因数的补偿
目的。电网电流的解耦PI控制的框图如图4所示。
5
仿真研究
对文中提出的控制方法,用Matlab建立模型,
并进行了仿真研究。
图5为在电网电压对称的情况下,补偿后电网
电流波形。由图可见,补偿后电网电流三相平衡,即在电压平衡的情况下,该控制方法与三相平衡补偿
的控制策略是等效的。在100ms时,负载发生变
化。从图中可以看出负载发生变化时,补偿器能在
15
ms左右达到稳态,动态响应速度较快。
图5
电网电压对称时电流波形图
Fig.5
Current
waveformsunderbalancelinevoltages
为了说明控制方法对电网电压的对称性没有
要求,在电网电压不对称情况下进行仿真研究。电网电压正序分量有效值为220V,负序分量有效值
为44V,定义不平衡度为负序分量和正序分量的有效值的比值,则电网电压的不平衡为20%。幽6
之茸廿.《、塔舻
固6电罔电压和负载电流波形Fig.6
Waveformsoflinevoltagesandload
currents
给出了补偿前负载电流和电网电压的波形图。图7
为补偿后三相电网电压和电网电流的波形图。可以看出补偿后,电网电流和电网电压同相位,而且幅
不平衡系统中statcom的控制策略
98
电力系统及其自动化学报
值成正比。在100ms时,发生负载变化,补偿器可以在15FD_S左右达到稳态。图8为该情况下,直流
侧电容电压的曲线,直流电压稳定。由于存在不平
衡,直流侧电压存在二倍频波动。
>
目
粤寸
最
脚
圈7
电网电压和电网电流波形
Fig.7
Waveformsoflinevoltagesandline
currents
圈8互流侧电窨电压
Fig.8
WaveformsofDC—sidecapacitorvoltage
仿真结果表明所提出的控制方法在三相对称和不对称两种情况下都取得很好的效果。
6
结语
文中提出一种基于FBD理论的sTATCOM
的控制策略,采用电网电流控制的闭环结构,在对
电网电流误差进行序分解的基础上采用幽解耦控制,这不但实现了对其正负序分量独立控制,而且
使控制参考量均为直流,降低了PI控制器设计的难度,提高了补偿器的性能。该控制方法对系统电压的对称性没有要求,增强了补偿器的鲁棒性。PI
解耦控制的采用,提高了STATCOM的动态响应
速度。
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伏祥运(1977),男,博士研究生,主要从事无功功率补偿和谐波抑制研究。Email:fuxlangyun2000@163.corn王建赜(1972),男,博士,副教授,主要从事电能质量检测和控制研究。Email:jianzewang@rip.0451.corn
范伟锋(1970一),男,工程师,主要从事电厂运行等方面工
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forcompensatingProceedings
of
totalnonactivethe
IEEE
as
tool
作。Email:fxylhl225@163.corn
纪延超(1962一),男,教授,博士生导师,主要从事电力电子技术在电力系统中的应用研究。Email:gdjiyanehao@153.
currents[c]∥
on
81“conference
HarmonicsandQualityofPower,Athens,Greece,1998:320——324
≈口8£g目‰骶o£88嚣黯魄≈口8seG≈口8tdogs船姆d68sdG8p8s姆8s8£8sB目8s榷eF&p8}8口o§8口8目e£8§gs≈sosEG8}8口80
(上接第3l页)
[7]
Gustavsen
B,Irwin
G,Mangelr
R,et
a1.
作者简介:
夏明超(1976),男,博士,讲师,主要从事电力系统自动化、继电保护、变电站综台自动化研究。Email:xiamch@dq.njtu.edu.cn
吴俊勇(1966一),男,博士,特聘教授,主要从事电力系统分析与控制、电力市场、铁道电气化研究。Email:wujy@dqnjtu.edu.cn
吴振升(1974一).男,博士,讲师,主要从事电力系统自动化及信号处理研究。Email:wuzhensheng@tsinghua.org.ctl
Transmissionlinemodelsforthesimulationt)f
parallelACand
of
interactionphenomenabetweenDC
overhead
lines[C]∥Proceedings
Conference
on
International
Power
Systems
Transients,Budapest,Hungary,1999:61—67.
[8]
Stephane
Mallat.A
WaveletTourof
Signal
Processing[M].SanDiego:Academic
Press,1998.
8口8§gsesBP3G黯黯Bses,姆d口808}8§姆越曲豫蹄ds姆ose#8£8G8F8口8£gses8口gso£8see嚣e口8GB麟≈口盼船ooe口8雷姆
写摘要的注意事项
摘要是学术论文的重要组成部分,但又独立于正文。摘要的目的是简要地告诉读者论文的内容,或者
说足论文的简要总结,原则上应包含本论文的核心内容,尤其是创新内容,与论文“等量”。因而撰写好摘要是至关重要的。
摘要由研究的目的、方法、结果和结论四部分组成。编写摘要时请注意以下事项:
1)在不遗漏主题概念的前提下,以简洁为主,用尽可能少的词语表达尽可能多的对读者有用的信息,充分表达作者创新所在。一般以200字左右为宜。
2)客观、如实地反映所做的研究工作,不要自我评价。提供尽可能多的定量的信息,能定量化表述的一定要定量化,不要仅仅定性描述。不应有:“本文所描述的工作,属于……首创”;“本文所描述的工作,目前尚未见报道”;“本文所描述的工作,是对于先前最新研究的一个改进”等字句。
3)重点反映创新点及取得的研究成果,对耨情况新内容要重点详尽写出。去除本学科领域常识性内容和过去他人的研究细节,未来计划也不应列入摘要。不写无用的语句,如“抛砖引玉”,“……有待进一步
研究提高”,“……效率得到很大提高”等。
4)用第三人称的写法。如:“对……进行了研究”,“进行……调查“,“分析了……现状”等,不用“本文”、“作者”、“笔者”。“我们”等。
5)不重复标题。缩略语和简称首次出现时宜用全称并加以说明,关键词中不宜用缩略语和简称。尽量
不用非公知公用的特殊字符和术语,也不应有正文中未涉及的内容。
6)摘要中不能出现参考文献序号,不能出现图、表和公式。
7)摘要撰写不分段落(即一个段落)。
8)英文摘要用过去时态叙述作者工作,用现在时态叙述结论。
万方数据
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