CN102904259B - 基于pam逆变器的级联statcom控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，包括下列步骤：S1：电网待补偿的无功功率和补偿器器输出的参考无功功率通过PI调节得到补偿器输出的无功功率；S2：根据上述无功功率计算得到电源电压与STATCOM输出电压间的偏移角度δ；S3：由锁相环得到的初相角加上所得到偏移角度δ正弦化后得到PAM逆变器所需要的参考电压波形；S4：参考电压通过PAM调制计算各个H桥的开关角度最终叠加得到无功补偿器各相输出的补偿电压；S5：针对所需补偿无功的变化采用一种神经网络自适应PI控制器，其控制器参数k_p、k_i由神经网络在线整定,神经网络根据***的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优。

Description

基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法

技术领域

本发明涉及电力***电能质量无功补偿中的静止同步补偿器，特别是涉及一种基于PAM逆变器的STATCOM控制方法。 

背景技术

静止同步补偿器(STATCOM)可以有效补偿无功功率，维持接入点的电压稳定，从而达到改善电能质量的目的。相比传统的静止无功补偿器(SVC)，STATCOM具有更好的无功功率特性和电压稳定特性，而级联多电平结构,除了具有输出电压谐波小、损耗低、成本低等优点外,还具有结构简单、所需器件少、易于扩展和模块化的特点,是大容量多电平的最佳选择,也是近年来研究的热点。 

脉冲调制方式是减少逆变器输出电压中所含低次谐波成分的有效方法，同时又具有调整输出频率和输出电压的功能，因此在电气工程及电力工业领域得到了广泛的发展和应用。到目前为止，脉冲调制方式主要有脉冲幅度调制(PAM)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)3种。其中前两种调制方式使用较多，特别是PWM方式以其良好的变压变频特性和谐波抑制效果在变流***控制、电机控制及其他电气工业领域受到普遍重视.但是PWM***在结构、控制、操作、调试和维护方面都相对比较复杂和困难，加上PWM方法实施过程中一些措施的影响，如死区时间的存在会使变频器不能完全精确地复现PWM控制信号的理想波形，不能精确地实现控制目标，或产生更多谐波并造成输出转矩脉动，或使电流、磁链跟踪性能变差,这些因素都使得 PWM方式在某些应用场合不能得到令人满意的控制效果。而作为受关注程度远不如PWM方式的PAM方式，则具有开关损耗低、控制简单、***效率高等特点；同时,PAM方式能够以较低的开关频率达到与PWM方式相近的谐波消除效果，这也是PAM方式的一个显著优点。 

发明内容

针对某些应用场合并不需要调压，只需要改善输出电压波形、减少谐波含量，本发明提出了一种基于PAM逆变器的STATCOM控制方法。该方法根据求解最优目标函数，求解各个H桥的开关角度，最后叠加得到所期望输出的电压波形；而在解决直流侧电压平衡问题上采用H桥调制比循环交换控制方案；针对待补偿无功的变化提出了神经网络自适应PI控制器以调节PI参数。 

本发明采取以下技术方案：基于PAM逆变器的STATCOM控制方法，其特征在于：它能够根据所需要补偿无功功率的变化，通过PAM调制方法在较低的开关频率下实现无功补偿的目的，对于不同的接入负载选择相应的PI控制器参数，以适应负载的变化。 

一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，包括下列步骤： 

S1：电网待补偿的无功功率和补偿器器输出的参考无功功率通过PI调节得到补偿器输出的无功功率； 

S2：把上述无功功率带入公式（1）中的Q通过计算得到电源电压与STATCOM输出电压间的偏移角度δ； 

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_S^2}{R}{\sin }^2\mathrm{\δ}\\ Q=\frac{U_S^2}{2R}\sin 2\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

U_S为电网电压，R为连接电抗器的电阻；P为STATCOM从电力***吸 收的有功功率P；Q为向电力***提供的无功功率； 

S3：由锁相环得到的初相角加上所得到偏移角度δ正弦化后得到PAM逆变器所需要的参考电压波形；

S4：参考电压通过PAM调制计算各个H桥的开关角度最终叠加得到无功补偿器各相输出的补偿电压； 

S5：针对所需补偿无功的变化采用一种神经网络自适应PI控制器，其控制器参数k_p、k_i由神经网络在线整定,神经网络根据***的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优。 

较佳地，所述方法采用PAM逆变器脉冲调制的方法。 

较佳地，所述方法采用H桥调制比循环交换控制方案。 

较佳地，所述方法采用神经网络自适应控制器以自动调节PI参数。 

其次为了解决直流侧电压平衡问题，采用H桥调制比循环交换控制方案，每经过一个基频周期对每个H桥触发脉冲进行一次轮换，经过十个基频周期完成一个循环，这样使得在平均意义上直流侧电压达到平衡。 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1.逆变器采用PAM调制方案，相对于PWM能在较低的开关频率下得到相同的谐波消除和无功补偿效果；2.该设计解决了直流侧电压不平衡的问题和需补偿无功功率变化是PI参数的整定问题；3.该方法在工程实际中易于实现。 

附图说明

图1为链式STATCOM的主电路结构原理图； 

图2为STATCOM稳态运行时输出电压和电流的向量图； 

图3a为各个单相逆变H桥矢量迭加后的电压波形； 

图3b为调制比循环交换操作流程示意图； 

图4为神经网络自适应控制器示意图； 

图5为本发明一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 

图1是链式STATCOM的主电路结构原理图，每相由多个单相逆变桥(H桥)串联而成，三相各自独立，容易实现分相控制。图2为STATCOM稳态运行时输出电压和电流的向量图，其中U_S为电网电压，U_I为补偿器输出电压，ΔU为U_S和U_I的向量差，I_I为补偿器输出电流，R和X分别为连接电抗器的电阻和电感。经公式推导后可得STATCOM从电力***吸收的有功功率P和向电力***提供的无功功率Q为： 

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_S^2}{R}{\sin }^2\mathrm{\δ}\\ Q=\frac{U_S^2}{2R}\sin 2\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

从上式可知道，通过计算***电压与补偿器输出电压之间的角度，就可以得到需要补偿的无功功率的大小。 

根据大容量STATCOM的控制要求，PAM的控制目标为： 

1.使总输出电压的基波幅值为控制目标值， 

2.使总输出电压的低次谐波性能达到最优。 

根据以上控制目标,可将其表示为数学上的最优化问题,其中,最优目标函数为： 

上式中minF为最优目标函数，n为谐波次数，H为所补偿的最高次谐波次数，K_n为权值系数，通过改变可有效消除某特定次数谐波，a_n为各次谐波的幅值。通过求解最优函数可以计算出各个级联H桥的开关角度，然后把各个H桥输出电压叠加即可得每相输出的无功补偿电压。通过PAM调制的方法可以在较低的开关频率下得到较好的谐波特性和补偿效果。 

如图5，一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，其包括以下步骤： 

S1：电网待补偿的无功功率和补偿器器输出的参考无功功率通过PI调节得到补偿器输出的无功功率； 

S2：把上述无功功率带入公式（1）中的Q通过计算得到电源电压与STATCOM输出电压间的偏移角度δ； 

S3：由锁相环得到的初相角加上所得到偏移角度δ正弦化后得到PAM逆变器所需要的参考电压波形；

S4：参考电压通过PAM调制计算各个H桥的开关角度最终叠加得到无功补偿器各相输出的补偿电压。 

S5：针对所需补偿无功的变化采用一种神经网络自适应PI控制器，其控制器参数k_p、k_i由神经网络在线整定,神经网络根据***的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优。 

其次为了解决直流侧电压平衡问题，采用H桥调制比循环交换控制方案，每经过一个基频周期对每个H桥触发脉冲进行一次轮换，经过十个基频周期完成一个循环，这样使得在平均意义上直流侧电压达到平衡。 

单相逆变H桥调制比循环交换控制方案主要思想是：在N个工频周期时间 范围内任意单相逆变H桥调制比的平均值保持恒定，即 保持恒定。 

具体操作方案是：任意单相逆变H桥调制比在每一工频周期后发生有次序的循环变化，即M₁→M_N→M₁，循环周期是N个工频周期，操作流程示意图如图3b所示，图3a所示为各个单相逆变H桥矢量迭加后的电压波形，显然调制比循环交换控制方案对于装置输出电压波形不存在任何影响。通过数字仿真表明，该控制策略能够有效调节链式STATCOM直流侧电压分布情况，使得装置在稳态调节过程中和暂态调节过程中各直流侧电压基本保持一致。 

在得到参考电压过程中需要进行PI调节，PI控制器直接对被控对象进行闭环控制，其控制器参数k_p、k_i由神经网络在线整定；神经网络根据***的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优。神经网络自适应控制器在图4中给出。 

Claims (4)

1.一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1：电网待补偿的无功功率和补偿器器输出的参考无功功率的差值通过PI调节得到补偿器输出的无功功率；

S2：把上述无功功率带入公式(1)中的Q通过计算得到电源电压与STATCOM输出电压间的偏移角度δ；

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_S^2}{R}{\sin }^2\mathrm{\δ}\\ Q=\frac{U_S^2}{2R}\sin 2\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

U_S为电网电压，R为连接电抗器的电阻；P为STATCOM从电力***吸收的有功功率P；Q为向电力***提供的无功功率；

S3：由锁相环得到的初相角加上所得到偏移角度δ正弦化后得到PAM逆变器所需要的参考电压波形；

S4：参考电压通过PAM调制计算各个H桥的开关角度最终叠加得到无功补偿器各相输出的补偿电压；

S5：针对所需补偿无功的变化采用一种神经网络自适应PI控制器直接对被控对象进行闭环控制，其控制器参数k_p、k_i由神经网络在线整定,神经网络根据***的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优。

2.如权利要求1所述的一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，其特征在于：所述方法采用PAM逆变器脉冲调制的方法。

3.如权利要求1所述的一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，其特征在于：所述方法采用H桥调制比循环交换控制方案。

4.如权利要求1所述的一种基于PAM逆变器的级联STATCOM控制方法，其特征在于：所述方法采用神经网络自适应控制器以自动调节PI参数。