一种基于功率平衡的静止无功补偿器无功电流跟踪方法

摘要

本发明提供一种基于功率平衡的静止无功补偿器无功电流跟踪方法，首先对变压器低压侧的三相相电压和相电流进行采样，计算负载所需的无功功率，将其作为STATCOM的无功功率输出参考值，结合补偿点的电压计算STATCOM需要输出的纯无功参考电流，使得实际输出电流等于该纯无功参考电流时，补偿的无功功率与负载所需的无功功率平衡。将该纯无功参考电流进行dq0分解可提取出总参考电流的无功分量，将控制STATCOM直流电容电压的PI环节输出作为总参考电流的有功分量，从而可以对电流的有功和无功分量分别进行电流PI控制，控制STATCOM的输出。本发明中，STATCOM补偿点的设置不受负载电流测量点的限制，可以在变压器各侧灵活设置补偿点，从而合理选定补偿装置的输出电压和补偿电流大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静止无功补偿器的控制方法，具体涉及一种基于功率平衡的静止无功补偿器的无功电流跟踪方法。

背景技术

在配电系统中，为提高配电变压器高压侧的功率因数，改善电网的电能质量，通常在配电变压器的低压侧设置无功补偿装置。静止无功补偿器(以下简称STATCOM)是一种广泛应用的无功补偿装置，在STATCOM的运行中需要对负载所需的无功功率进行动态的补偿，当负载所需的无功功率发生变动时，要求STATCOM输出的无功功率也能自动地进行跟踪补偿，这是由STATCOM的无功电流跟踪方法来实现的。

目前，配电系统中STATCOM的传统无功电流跟踪方法采用dq0分解直接提取出负载无功电流并使STATCOM输出的无功电流跟踪负载无功电流的方法：对负载电流i_L进行dq0分解，q轴电流分量i_Lq表示负载电流的无功分量，从而提取出负载电流的无功分量i_Lq，使STATCOM输出总参考电流的无功分量等于负载电流的无功分量i_Lq，而总参考电流的有功分量根据STATCOM直流电容电压的控制环节来确定。同样对STATCOM的实际输出电流作dq0分解，提取出输出电流的有功分量i_Od和无功分量i_Oq作为电流反馈量，对输出电流的有功分量和无功分量分别进行电流闭环比例积分(PI)控制，生成控制信号，从而形成触发脉冲控制STATCOM中电力电子器件的开关，使STATCOM输出的无功电流跟踪负载无功电流的变化，以达到STATCOM动态补偿负载无功功率的目的。

传统的无功电流跟踪方法因为直接把负载测量电流中提取出的无功分量作为STATCOM补偿电流中无功分量的参考值，所以只适用于STATCOM补偿的无功电流与负载电流测量点测得的负载所需无功电流相等的应用场合。以附图1为例，当负载电流测量点设置在变压器低压侧L时，STATCOM的补偿点就只能设置在变压器的低压侧L，此时注入L侧的补偿电流无功分量必须和L侧测量得到的负载电流无功分量相等；如果补偿点跨越了变压器设置在高压侧H、变压器的抽头T或者外设的第三绕组M上，在经过了变压器的传变之后，补偿电流和负载电流存在幅值和相位的差异，则负载电流的无功分量不再能作为STATCOM输出的实际电流的无功分量参考值，传统的无功电流跟踪方法将不再适用。因此，传统方法限制了补偿点设置的位置，不利于补偿方式的灵活选取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率平衡的静止无功补偿器无功电流跟踪方法，该方法可以实现更灵活的补偿方式。

本发明提供的一种基于功率平衡的静止无功补偿器无功电流跟踪方法，在整个过程中，保持对变压器低压侧三相相电压和相电流、静止无功补偿器补偿点的三相相电压及静止无功补偿器输出三相相电流进行等间隔采样，其特征在于，该方法包括下述具体过程：

第1步取当前采样时刻为计算开始时刻，设为t₀，设T为电网工频周期，利用t₀-T时刻到t₀时刻变压器低压侧的三相相电压和相电流的采样值数据，计算出t₀时刻低压侧三相相电压的幅值V_Lam、V_Lbm、V_Lcm和相位以及低压侧三相相电流的幅值I_Lam、I_Lbm、I_Lcm和相位计算相电压和相电流之间的相位差丙计算得到_t0时刻负载所需的三相无功功率Q_L；

第2步利用t₀-T时刻到t₀时刻静止无功补偿器补偿点相电压的采样值数据，计算出t₀时刻补偿点处相电压的幅值V_Oam、V_Obm、V_Ocm和相位然后按照公式(1)(2)(3)计算出静止无功补偿器输出三相纯无功参考电流在t₀时刻的瞬时值i_QRa(t₀)、i_QRb(t₀)、i_QRc(t₀)；

第3步将补偿点电压的合成电压矢量V_O^&的方向作为dq0旋转坐标系的d轴方向时，输出电流矢量I_O^&在d轴上的投影i_Od表示输出电流的有功分量，在q轴上的投影i_Oq表示输出电流的无功分量；据此对静止无功补偿器输出纯无功参考电流进行abc三相坐标系到dq0旋转坐标系的坐标变换，得到静止无功补偿器输出纯无功参考电流t₀时刻的三相瞬时值i_QRa(t₀)、i_QRb(t₀)、i_QRc(t₀)在dq0坐标系下的分量i_QRd(t₀)、i_QRq(t₀)、i_QR0(t₀)；

并对采样得到的补偿点处静止无功补偿器实际输出相电流在t₀时刻的三相瞬时值i_Oa(t₀)、i_Ob(t₀)、i_Oc(t₀)进行坐标变换，分别得到它们在dq0旋转坐标轴下的分量i_Od(t₀)、i_Oq(t₀)、i_O0(t₀)；

第4步将控制静止无功补偿器直流电容电压的电压比例积分环节的输出作为t₀时刻总参考电流的有功分量i_Rd(t₀)；将上述第3步计算得到的t₀时刻纯无功参考电流的q轴分量i_QRq(t₀)作为总参考电流的q轴无功分量i_Rq(t₀)，计算出i_Rd(t₀)与i_Od(t₀)的差值Δi_d(t₀)，以及i_Rq(t₀)与i_Oq(t₀)的差值Δi_q(t₀)；

第5步把上述第4步得到的Δi_d(t₀)和Δi_q(t₀)分别通过电流比例积分环节运算使得系统稳定运行，此时电流比例积分环节的输出量分别作为静止无功补偿器电压控制量在dq0坐标系下的d轴分量v_Pd(t₀)和q轴分量v_Pq(t₀)，把电压控制量的O轴分量v_P0(t₀)设为0；

对v_Pd(t₀)、v_Pq(t₀)、v_P0(t₀)进行dq0旋转坐标系到abc三相坐标系的坐标变换，得到abc坐标系下PWM脉冲发生器的调制波信号瞬时值v_Pa(t₀)、v_Pb(t₀)、v_Pc(t₀)；

第6步将调制波信号瞬时值v_Pa(t₀)、v_Pb(t₀)、v_Pc(t₀)经过PWM调制生成脉冲信号控制静止无功补偿器中电力电子器件的开关，控制静止无功补偿器输出交流电压和电流；

第7步等待下一个采样时刻，转入第1步，重复执行第1步到第7步，直至关机。

本发明方法首先对变压器低压侧的三相相电压和相电流进行采样，计算得到负载所需的无功功率，将负载所需无功功率作为STATCOM的无功功率输出参考值，结合补偿点的电压计算STATCOM需要输出的纯无功参考电流，使得STATCOM实际输出电流等于该纯无功参考电流时，补偿的无功功率与负载所需的无功功率平衡。将该纯无功参考电流进行dq0分解可提取出总参考电流的无功分量，将控制STATCOM直流电容电压的电压比例积分(PI)环节输出作为总参考电流的有功分量，从而可以对电流的有功分量和无功分量分别进行电流闭环比例积分(PI)控制，从而生成控制信号控制STATCOM的输出。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明方法可以使STATCOM的补偿点(以下简称补偿点)的设置不受负载电流测量点的限制。当负载电流测量点设置在变压器低压侧时，补偿装置的补偿点可以跨越变压器，设置在变压器的高压侧、第三绕组或变压器抽头上，有利于利用变压器多侧的电气量信息，从而实现更灵活的补偿方式。

(2)灵活选择补偿点的位置可以合理选定补偿装置的输出电压和补偿电流大小，从而充分利用电力电子器件的耐压能力，合理选择电力电子器件通过的电流值，有利于降低无功补偿装置的成本。

(3)根据变压器低压侧所需的无功功率以及STATCOM补偿点处的相电压构造出STATCOM需要输出的纯无功参考电流，通过控制使STATCOM实际输出电流的无功部分跟踪该纯无功参考电流，确保STATCOM输出的无功功率与负载无功功率平衡，从而达到动态跟踪补偿负载所需无功功率的目的。

附图说明

图1为静止无功补偿器的配置示意图及基于功率平衡的无功电流跟踪方法示意图

图2为STATCOM补偿点电压矢量、电流矢量与abc三相坐标系、dq0旋转坐标系的示意图

图3为STATCOM仿真模型示意图

图4为仿真模型变压器高压侧(补偿点)A相电压波形

图5为仿真模型STATCOM A相输出电流波形

图6为仿真模型无功补偿后变压器高压侧A相电流波形

具体实施方式

本发明提出的方法具体涉及一种基于功率平衡的静止无功补偿器的无功电流跟踪方法，通过计算出负载所需的无功功率，结合STATCOM补偿点处的相电压和相电流就可以实现STATCOM输出无功电流对负载所需无功电流的跟踪补偿。由于该方法基于电力系统中功率平衡的概念，采用负载所需的无功功率以及补偿点的电压来计算STATCOM的需要输出纯无功参考电流，当把该纯无功参考电流作为STATCOM实际输出电流的无功参考电流时，能确保STATCOM输出的补偿无功功率和负载所需的无功功率相等，因此称之为基于功率平衡的静止无功补偿器无功电流跟踪方法，以下简称功率平衡无功电流跟踪方法。

功率平衡无功电流跟踪方法原理：电力系统里面功率的需求和供给是平衡的，只要确定负载需要补偿的无功功率，并使STATCOM的补偿点电压和输出电流计算所得的无功功率等于负载所需的无功功率，就能达到补偿效果。根据所选择的补偿点电压不同，STATCOM需要输出无功补偿电流也有所不同。此时STATCOM的实际输出的无功补偿电流不一定要与负载电流的无功部分相等。通过选择合适的STATCOM输出电压和电流，确保在补偿点处注入与负载所需无功功率相同的无功功率，使无功功率得到平衡，从而达到补偿负载无功，提高电网功率因数的目的。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，设变压器低压侧L为负载电压和电流测量点，在功率平衡无功电流跟踪方法中，STATCOM的补偿点可以不限于设置在变压器侧压侧L，补偿点可以跨越变压器，选择在变压器高压侧H、绕组抽头T，或者外设的第三绕组M上进行无功补偿。图1为负载电压和电流测量点设在变压器低压侧L、补偿点设在变压器高压侧H的情况，当补偿点设在绕组抽头上的T、或者外设的第三绕组M上时，计算步骤和下述步骤相同。

在下述整个过程中，保持对变压器低压侧L三相相电压和相电流、STATCOM补偿点H的三相相电压及STATCOM输出三相相电流进行等间隔采样，采样时间间隔为T/N，其中T为电网工频周期，N为根据采样率需要确定的正整数，得到各个采样时刻低压侧和补偿点三相相电压及相电流的瞬时值。

1、取当前采样时刻为计算开始时刻，设为t₀。设T为电网工频周期，利用t₀-T时刻到t₀时刻变压器低压侧L的三相相电压和相电流的采样值数据，通过离散傅氏算法计算出t₀时刻低压侧三相相电压的幅值V_Lam、V_Lbm、V_Lcm和相位以及低压侧三相相电流的幅值I_Lam、I_Lbm、I_Lcm和相位计算相电压和相电流之间的相位差根据基于相量的功率计算公式(1)，计算得到t₀时刻负载所需的三相无功功率Q_L；

2、利用t₀-T时刻到t₀时刻STATCOM补偿点H的相电压的采样值数据，通过离散傅氏算法计算出t₀时刻补偿点处相电压的幅值V_Oam、V_Obm、V_Ocm和相位然后按照公式(2)(3)(4)可计算出STATCOM输出三相纯无功参考电流在t₀时刻的瞬时值i_QRa(t₀)、i_QRb(t₀)、i_QRc(t₀)；

其中Q_L为由公式(1)计算所得的负载所需三相无功功率；

3、由附图2可知，把补偿点H电压的合成电压矢量V_O^&的方向作为旋转dq0坐标系的d轴方向时，输出电流矢量I_O^&在d轴上的投影i_Od表示输出电流的有功分量，在q轴上的投影i_Oq表示输出电流的无功分量。据此对STATCOM输出纯无功参考电流和实际输出电流进行abc三相坐标系dq0旋转坐标系的坐标变换。

由上述第2步可得到STATCOM输出纯无功参考电流t₀时刻的瞬时值i_QRa(t₀)、i_QRb(t₀)、i_QRc(t₀)，按公式(5)(6)(7)对abc坐标系下的i_QRa(t₀)、i_QRb(t₀)、i_QRc(t₀)进进行变换，分别得到它们在dq0坐标系下的分量i_QRd(t₀)、i_QRq(t₀)、i_QR0(t₀)：

$i_{\mathrm{QR}0}\left(t_0\right)=\frac{1}{3}[i_{\mathrm{QRa}}\left(t_0\right)+i_{\mathrm{QRb}}\left(t_0\right)+i_{\mathrm{QRc}}\left(t_0\right)]---\left(7\right)$

对采样得到的补偿点处STATCOM实际输出相电流在t₀时刻的瞬时值i_Oa(t₀)、i_Ob(t₀)、i_Oc(t₀)按公式(8)(9)(10)进行abc三相坐标系到dq0旋转坐标系的变换，分别得到它们在dq0旋转坐标系下的分量i_Od(t₀)、i_Oq(t₀)、i_O0(t₀)；

$i_{O0}\left(t_0\right)=\frac{1}{3}[i_{\mathrm{Oa}}\left(t_0\right)+i_{\mathrm{Ob}}\left(t_0\right)+i_{\mathrm{Oc}}\left(t_0\right)]---\left(10\right)$

4、按照对STATCOM无功电流和有功电流解耦控制的方法，确定STATCOM输出的总参考电流的有功分量i_Rd和无功分量i_Rq。

将STATCOM直流电容电压稳定控制的电压比例积分(PI)环节的输出作为t₀时刻总参考电流的有功分量i_Rd(t₀)；将上述第3步计算得到的t₀时刻纯无功参考电流的q轴分量i_QRq(t₀)作为总参考电流的q轴无功分量i_Rq(t₀)，按照公式(11)(12)计算出i_Rd(t₀)与i_Od(t₀)的差值Δi_d(t₀)，以及i_Rq(t₀)与i_Oq(t₀)的差值Δi_q(t₀)。

Δi_d(t₀)＝i_Rd(t₀)-i_Od(t₀)  (11)

Δi_q(t₀)＝i_Rq(t₀)-i_Oq(t₀)  (12)

5、把上述第4步得到的Δi_d(t₀)和Δi_q(t₀)分别通过电流比例积分(PI)环节运算，调节比例常数与积分常数使得系统能够稳定运行，则电流比例积分(PI)环节的输出量分别为STATCOM电压控制量在dq0坐标系下的d轴分量v_Pd(t₀)和q轴分量v_Pq(t₀)，把电压控制量的O轴分量v_P0(t₀)设为0。

对v_Pd(t₀)、v_Pq(t₀)、v_P0(t₀)进行dq0旋转坐标系到abc三相坐标系的坐标变换，变换公式为(14)(15)(16)，得到abc坐标系下PWM脉冲发生器的调制波信号瞬时值v_Pa(t₀)、v_Pb(t₀)、v_Pc(t₀)；

6、如图2所示，将调制波信号三相瞬时值v_Pa(t₀)、v_Pb(t₀)、v_Pc(t₀)输入PWM脉冲发生器，经过PWM调制生成脉冲信号控制STATCOM电力电子器件开关，控制STATCOM输出交流电压和电流。在上述控制算法下，STATCOM在运行中输出的无功电流能跟踪负载所需无功电流的变化，实时补偿负载需要的无功功率。

7、等待下一个采样时刻，转入第1步，重复执行第1步到第7步，直至关机。

下面为说明功率平衡无功电流跟踪方法以的控制效果，建立仿真模型，模型示意图如附图3所示，模型基本参数说明如下：

供电电源额定电压线电压有效值V_S：800V

输电线参数：电阻R_S＝0.4Ω，电感L_S＝2.25mH

连接电抗参数：阻值R_F＝0.1Ω，电感值L_F＝4mH

变压器参数：容量S_TN＝50kVA，DY11接法，变比k＝800V/380V，短

            路阻抗X_k％＝6％

负载在额定电压380V下的有功功率P_L＝30kW，负载无功功率Q_L＝30kVar

电压闭环控制比例常数K_VP＝0.5，积分常数K_VI＝0.05

电流闭环控制比例常数K_IP＝0.005，积分常数K_II＝0.125

STATCOM装置投入运行之前，负载所需的有功功率和无功功率全部由电源经过变压器提供，变压器高压侧功率因数为0.73，线路上有一定的电压跌落，测得负载电压为其额定值的0.9倍。

在STATCOM装置投入系统并稳定运行后，控制系统通过采样值计算出负载需要的无功功率为27.3kVar。测得稳定运行时STATCOM补偿点相电压基波有效值为450V，结合负载所需无功功率可按上述具体实施步骤2构造出STATCOM需要输出的纯无功参考电流，纯无功参考电流相位滞后补偿点电压相位90°。将三相纯无功参考电流经过坐标变换后提取出总参考电流的无功分量；直流电容实际稳定值为1502V，参考值为1500V，两者之差通过电压比例积分控制(PI)环节形成总参考电流的有功分量。将STATCOM实际输出电流作为反馈电流，和总参考电流通过电流比例积分(PI)解耦控制，生成调制波信号控制STATCOM输出需要的电压和电流。稳定运行时，STATCOM补偿点电压与输出电流的基波有效值分别为450V和20A，补偿点电压A相波形如图4，输出电流A相波形如图5，两者相位差为90.3°，主要输出无功功率，吸收少量有功功率；负载侧相电压和相电流基波有效值分别为209V和62A，相位差为45°。分别计算得输出无功功率为27.30kVar，负载所需无功功率为27.31kVar，基本上实现了补偿点注入无功功率与负载消耗无功功率平衡，变压器高压侧电源电流A相波形如图6，与图5所示的高压侧(即补偿点)电压波形比较可见高压侧电压与电源电流相位基本相同，高压侧功率因数从未补偿时的0.73提高至0.99，且负载电压提高至其额定值的0.96倍，高于未补偿时的0.9倍。其中STATCOM所跟踪的无功参考电流是通过计算构造所得，其相电流有效值为20A；而负载电流中三相无功电流的相电流有效值为43A。可见在在功率平衡无功电流跟踪方法下，STATCOM跟踪的无功电流不是直接把负载电流中的无功电流分量作为参考值，可以根据实际选择补偿点的电压去构造相应的无功参考电流。在本仿真例中补偿点设置在变压器高压侧，当补偿的无功功率与负载所需无功功率平衡时，较高的补偿点电压使得实际补偿电流比负载所需的无功电流要小，在达到补偿效果的同时也降低了通过电力电子器件的电流值。