CN106208648B - 一种statcom功率模块异常处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种STATCOM功率模块异常处理方法，检测各功率模块返回的状态，如果有异常状态，那么，断开STATCOM与母线之间的连接，并且控制STATCOM接地，实现STATCOM直流电压放电；使用导体对各异常功率模块进行短接以实现旁路，并向控制器设置各异常功率模块的对应位置；判断STATCOM是否满足冗余运行条件，当满足该冗余运行条件时，重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系；采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动。该方法适用于无旁路机构的STATCOM，通过人为旁路掉异常模块，以及控制器根据人为设置的异常模块位置重新调整正常模块与控制位之间的对应关系来实现不对称再启动控制。

Description

一种STATCOM功率模块异常处理方法

技术领域

本发明涉及一种STATCOM功率模块异常处理方法。

背景技术

静止同步补偿器(STATCOM)是一种基于电力电子开关器件的电能质量问题动态补偿及治理装置，具有工作范围更广，容量更大，响应速度更快，谐波特性好、体积小等优点，作为***补偿装置，代表了电能质量问题动态补偿的发展方向。目前为了应用于高电压大容量场合，通常采用功率模块串联的方式，形成链式结构以适应于高电压大容量的场合，其中功率模块可以采用H桥型结构、三电平型结构或多电平型结构，电压等级越高，每相需串联的功率模块数越多，这无疑增加了设备的故障可能性。由于采用串联的结构，当某相发生一个或多个功率模块异常后，整套装置将停止运行，这样将降低装置的可靠性。

为了提高装置的可靠性，常见的功率模块异常解决方法有：第一种，通过控制功率模块中左、右桥臂上开关管或左、右桥臂下开关管同时开通的方式短路功率模块，从而实现模块旁路。这种方法需要在功率模块控制电路、驱动电路、以及对应功率开关管均正常情况下才能实现，而功率开关管为易损器件，因此这种旁路方式不能完全解决功率模块异常问题。第二种，在功率模块的一次输出端口采用开关机构短路，来实现整个功率模块的旁路，开关机构通常采用接触器或晶闸管等开关设备，相比第一种方式，这种方式可以解决功率模块异常后仍然能旁路的问题。但是存在如下缺陷：1)可靠性问题，主要依赖功率模块中控制元件实现旁路，当功率模块中控制电路或旁路机构异常后均不能实现旁路及冗余运行；2)冗余运行成本高，旁路操作需要每个功率模块装配旁路机构，由于链式STATCOM功率模块数目多，将增加成本以及设备的复杂性；3)冗余运行方法适用性差，旁路后操作通常需要降容量运行、输出不对称的相电压，通过中性点漂移实现对称线电压输出，因此这种处理方法应用范围受限制，只能适用于Y型接线方式的链式STATCOM。

发明内容

本发明的目的是提供一种STATCOM功率模块异常处理方法，用以解决STATCOM功率模块在出现异常时现有的处理方法可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种STATCOM功率模块异常处理方法，包括以下步骤：

(1)检测各功率模块返回的状态，如果有功率模块的状态为异常状态，那么，断开STATCOM与母线之间的连接，并且控制STATCOM接地，实现STATCOM直流电压放电；

(2)使用导体对各异常功率模块进行短接以实现旁路，并向控制器设置各异常功率模块的对应位置；

(3)判断STATCOM是否满足冗余运行条件，当满足该冗余运行条件时，重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系，并向控制器传输调整后的正常功率模块与控制位之间的对应关系；

(4)控制器采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动。

实现所述步骤(3)中的重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系的手段为：对于任意一相，将该相中的正常功率模块按照该相在正常情况下的所有的功率模块的先后顺序进行重新依次排序，每个正常功率模块对应的序号即为对应正常功率模块的控制位。

实现所述步骤(4)中的采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动的手段包括以下步骤：

1)根据每相的旁路功率模块的数目和正常功率模块的数目，对每相的各正常功率模块的调制三角波初始相位延时和直流电压给定值进行重新调整计算；

2)将调整后的各参数分配到各对应的正常功率模块；

3)控制STATCOM合闸启动；

4)根据调整后的各参数得到各对应正常模块的脉冲控制信号，并根据得到的脉冲控制信号对应控制各正常功率模块，实现不对称再启动。

所述冗余运行条件为：对于任意一相，当该相异常功率模块的数目与该相已旁路的功率模块的数目之和小于或者等于该相备用的功率模块的数目。

所述步骤1)中的调制三角波初始相位延时的计算公式为：

其中，n的取值从1开始、且n的结束值为相应相的正常功率模块的数目N_a、N_b、N_c；θ_an为A相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，θ_bn为B相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，θ_cn为C相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，T_a为A相三角载波的周期，T_b为B相三角载波的周期，T_c为C相三角载波的周期。

所述步骤1)中的直流电压给定值的计算公式为：

或

其中，U_{ref_a}为A相直流电压给定值的调整值，U_{ref_b}为B相直流电压给定值的调整值，U_{ref_c}为C相直流电压给定值的调整值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，N为每相所有功率模块的数目，U_ref0为所有功率模块均正常时，初始给定的直流电压，U_{sum_ref}为给定的直流总电压值。

所述步骤1)中，还需对每相的直流平均电压值进行计算，计算公式为：

其中，U_{avr_a}为调整后的A相直流电压平均值，U_{avr_b}为调整后的B相直流电压平均值，U_{avr_c}为调整后的C相直流电压平均值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，U_{dc_an}为A相第n个正常功率模块的直流电压值，U_{dc_an}为B相第n个正常功率模块的直流电压值，U_{dc_an}为C相第n个正常功率模块的直流电压值。

本发明提供的异常处理方法通过异常功率模块的人为定位旁路操作，排除异常模块的异常状态，重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系，最后进行不对称再启动控制，实现故障后STATCOM的最大限度再启动，解决现有的STATCOM功率模块旁路方式以及异常处理方法存在的可靠性、适用性问题，该方法的可靠性得到了很大地提升，并且适用范围大、无需降低容量运行，无功及谐波补偿效果好。

而且，该方法适用于无旁路机构的STATCOM，当有异常模块时，人为旁路掉异常模块，然后向控制器中人为设置功率单元旁路的位置，控制器根据此位置重新调整正常模块与控制位之间的对应关系，最后控制器根据重新认定的对应关系来进行不对称再启动控制。所以，该方法可简单解决无旁路机构的STATCOM功率模块异常后的再启动问题，保证在厂家维修前，对STATCOM进行应急处理，使STATCOM继续对电能质量问题进行治理，最大限度发挥了STATCOM的补偿作用。

同时，该异常处理方法适用于任何通过旁路指令实现的功率模块的定位旁路，以及再启动控制。另外，该异常处理方法不但适用于Y型接线方式的链式STATCOM，而且同时适用于△型接线方式的STATCOM，适用范围更广。

附图说明

图1是STATCOM功率模块异常处理方法整体流程图；

图2是STATCOM功率模块异常处理方法详细流程图；

图3是功率模块在正常运行时的结构示意图；

图4是功率模块在旁路时的连接方式示意图；

图5是由异常功率模块和正常功率模块构成的链路的结构示意图；

图6-a是没有异常功率模块时的模块与控制位的对应关系示意图；

图6-b是有异常功率模块时的模块与控制位的对应关系示意图；

图7是控制参数调整过程示意图；

其中，图6-b中，黑色方框代表着异常功率模块，控制位不分配，白色方框代表着正常功率模块，控制位分配。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本实施例中，STATCOM以较为常用的链式STATCOM为例。STATCOM配套设置有一个主控制器，该主控制器与STATCOM连接，用于控制STATCOM的运行，所以，STATCOM功率模块的不对称再启动控制方法可以设置在主控制器中，作为该控制器的控制程序来实现对STATCOM的控制，由于该主控制器为现有技术，关于该控制器的具体内容就不再详细描述。另外，如果STATCOM没有配套的主控制器，而是采用整个电力***的控制***来控制，那么，不对称再启动控制方法作为软件程序设置在控制***中来实现对STATCOM的控制。

如图1和图2所示，该STATCOM功率模块的异常处理方法包括以下步骤：

步骤1：STATCOM主控制器实时检测STATCOM三相功率模块返回的状态，当检测到异常状态时，表明STATCOM中的功率模块中有异常功率模块或者称之为故障功率模块，那么，人为控制STATCOM与母线之间的连接，即断开STATCOM的一次回路与高压一次母线之间的连接，使STATCOM处于断电停机状态。并且，为了确保STATCOM在停机后的安全性，在断开连接之后，STATCOM的一次回路接地，并等待STATCOM直流电压放电完成，确保安全。STATCOM停止工作，为后续的异常处理打下基础。

步骤2：人为旁路掉异常功率模块。如图3所示，功率模块包括核心部分1以及一次回路输入连接端2和输出连接端3，在输入连接端2处预留有连接端4，在输出连接端3处预留有连接端5。当该功率模块为异常功率模块时，比如出现了故障，那么，连接端4和连接端5之间采用符合装置额度运行的导体6短接，如图4所示，通常短接导体6为导线或母排。

短接后，还应向链式STATCOM的主控制器中设置当前对应相对应位置的旁路状态，即向主控制器上传每相中的各旁路功率模块的位置。本实施例中，比如可以采用上位机通过通讯方式设置对应位置旁路状态或者通过软压板方式对相应旁路位置进行开关量的输入实现旁路状态的设置。不管采用何种方式，其目的均是使主控制器获知各个异常功率模块的位置，便于后续的控制。如图5所示，其为异常功率模块和正常功率模块在STATCOM中的结构关系图。

步骤3：根据上述步骤能够获取当前三相中每相中的异常功率模块的数目，然后判断STATCOM是否满足冗余运行条件，即判断该STATCOM是否可以冗余运行。

在本实施例中，给出一种具体的冗余运行条件，为：对于任意一相，当该相异常功率模块的数目与该相已旁路的功率模块的数目之和小于或者等于该相备用的功率模块的数目。如果STATCOM满足该冗余运行条件，即可进行旁路控制。

为了便于说明，利用不等式来详细说明该冗余运行条件，具体如下：

链式STATCOM的主控制器实时检测所有模块返回的状态，获取当前三相异常模块的数目：N_ya、N_yb、N_yc，每相中所有的功率模块的数目为N，每相的备用功率模块的数目为N_by，三相已旁路模块数(待旁路模块数)N_pa、N_pb、N_pa，同时满足以下关系时，链式STATCOM三相都具有冗余运行能力，主控制器对三相异常功率模块发送模块定位旁路指令，获取旁路状态；否则装置不具备冗余运行能力，无法进行再启动，此时整机应断路器分闸，断开与母线连接。

其中，N_ya为A相异常功率模块的数目；N_yb为B相异常功率模块的数目；N_yc为C相异常功率模块的数目；N_pa为A相已旁路功率模块的数目；N_pb为B相已旁路功率模块的数目；N_pc为C相已旁路功率模块的数目；N_by为每相备用功率模块的数目。

步骤4：当满足上述冗余运行条件时，重新调整每相中正常功率模块与控制位的对应关系，并向主控制器中传输调整后的对应关系。

对于任意一相，假设该相中所有的功率模块的数目为N，那么，在正常状态下，即该相中没有异常的功率模块时，这N个功率模块有一个顺序，每个功率模块的序号即为对应功率模块的控制位，模块1的控制位为1，模块2的控制位为2，模块3的控制位为3，……，模块N的控制位为N，如图6-a所示。当该相中有M个异常功率模块时，在将这M个异常功率模块旁路掉之后，该相中剩下N-M个正常功率模块，将这N-M个正常功率模块按照原先没有异常情况下的所有的功率模块的先后顺序进行重新排序，当遇到异常功率模块时将不再与控制位编号对应，此时未分配的控制位编号与后面紧接着的第一个正常模块对应，直到所有正常功率模块重新配对完成。所以，该N-M个正常功率模块中的控制位为1到N-M。以M＝2为例，如图6-b所示，模块3和模块7为异常功率模块，原先情况下，模块3和模块7的控制位分别是控制位3和控制位7，将这两个功率模块旁路后，模块1的控制位为1，模块2的控制位为2，模块3由于处于旁路状态，控制位不分配，所以，与该模块3紧接着的下一个正常模块——模块4分配为控制位3，模块5的控制位为4，模块6的控制位为5，模块7由于处于旁路状态，控制位不分配，所以，与该模块7紧接着的下一个正常模块——模块8分配为控制位6，模块9的控制位为7，……，模块N的控制位为N-2。

步骤5：主控制器根据调整后的正常功率模块与控制位的对应关系并采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动。

本实施例给出一种具体控制过程。

(1)根据每相的旁路功率模块的数目和正常功率模块的数目，对每相的正常功率模块的调制三角波初始相位延时和直流电压给定值进行重新调整，获取每个正常功率模块对应的三角波的初始相位延时以及每个功率模块直流电压给定值。另外，还可以求解出旁路后的各相的直流电压平均值，可以用于闭环控制。如图7给出了一种调整的先后顺序，但是，这只是其中的一种实施方式，需要说明的是，三角波的初始相位延时和每个功率模块直流电压给定值并没有先后顺序。

具体如下：

调整移相载波调制方法三角波的初始相位延时方法为：每相第n个控制位调整后的三角波初试相位延时计算公式如下，n取值从1开始，每相n的结束值为相应相正常功率模块的数目N_a、N_b、N_c；

其中，

θ_an——A相第n个控制位调整后的三角波初试相位延时，单位秒；

θ_bn——B相第n个控制位调整后的三角波初试相位延时，单位秒；

θ_cn——C相第n个控制位调整后的三角波初试相位延时，单位秒；

N_a——A相正常功率模块的数目；

N_b——B相正常功率模块的数目；

N_c——C相正常功率模块的数目；

T_a——A相移相载波调制方法三角载波的周期，单位秒；

T_b——B相移相载波调制方法三角载波的周期，单位秒；

T_c——C相移相载波调制方法三角载波的周期，单位秒。

调整每个功率模块的直流电压给定值的方法如下公式：

或

其中，

U_{ref_a}——A相新的直流电压给定值，单位伏特；

U_{ref_b}——B相新的直流电压给定值，单位伏特；

U_{ref_c}——C相新的直流电压给定值，单位伏特；

N_a——A相正常功率模块的数目；

N_b——B相正常功率模块的数目；

N_c——C相正常功率模块的数目；

N——每相所有功率模块的数目；

U_ref0——所有功率模块正常时，初始给定的直流电压，单位伏特；

U_{sum_ref}——给定的直流总电压值，单位伏特。

在进行直流总压控制以及均压控制时，主控制器根据返回的功率模块旁路状态，将未旁路功率模块返回的直流电压进行计算，获取每相的直流平均电压值，即忽略被旁路单元的直流电压，将每相第1个控制位对应功率模块直流电压到第N_a、N_b、N_c控制位的模块直流电压进行平均值计算，计算方法如下；

其中，

U_{avr_a}——A相调整后的直流电压平均值值，单位伏特；

U_{avr_b}——B相调整后的直流电压平均值值，单位伏特；

U_{avr_c}——C相调整后的直流电压平均值值，单位伏特；

N_a——A相正常功率模块的数目；

N_b——B相正常功率模块的数目；

N_c——C相正常功率模块的数目；

U_{dc_an}——A相第n个控制位对应的功率模块直流电压值，单位伏特；

U_{dc_an}——B相第n个控制位对应的功率模块直流电压值，单位伏特；

U_{dc_an}——C相第n个控制位对应的功率模块直流电压值，单位伏特。

(2)上述步骤对控制参数进行了调整，得到调整后的三角波的初始相位延时、每个功率模块直流电压给定值、每相直流电压平均值，这些调整值作为移相载波调制、直流总压控制以及均压控制的相应控制位的补偿指令，补偿指令的分配应按照正常功率模块对应的控制位编号对对应正常的功率模块进行匹配分配。

(3)STATCOM的主控制器根据外部输入的功率模块旁路状态，忽略相应旁路的功率模块返回的异常状态，从而对其异常状态进行屏蔽，异常状态被视为已排除，此时可以视为STATCOM为正常状态，主控制器控制STATCOM合闸启动。

(4)根据上述获取的调整后的各个参数来重新调整对应正常功率模块的驱动脉冲信号，然后根据得到的驱动脉冲信号对应控制各正常功率模块，实现链式STATCOM的不对称再启动。

由于三相正常功率模块的数目N_a、N_b、N_c在某一时刻可能存在相等或不相等情况，均可通过上述几个公式获取三相正常功率模块的三角波初始相位延时、直流电压给定和直流平均电压。其中当N_a、N_b、N_c不都相等时，三相的三角波初始相位延时、直流电压给定和直流平均电压也不相等，此时链式STATCOM处于不对称再启动状态；当Na、Nb、Nc都相等时，为此方法的一个特例，三相的三角波初始相位延时和直流电压给定相等，此时链式STATCOM处于对称再启动状态，该种情况下也同样适用于本发明提供的方法。并且对于链式STATCOM任何形式的功率模块旁路方法，只要通过旁路指令可实现功率模块的对位旁路以及旁路状态返回到主控制器这种旁路方式，均可采用本发明提供的链式STATCOM功率模块异常处理方法。

上述完成了定位旁路以及不对称再启动的工作，当主控制器检测模块返回的状态无新的异常时，在以后的运算过程中可跳过上述所有的步骤，直接利用调整后的参数，采用原有均压控制方法进行STATCOM的不对称再启动控制。当再次检测到模块返回新的异常时，重新进行该异常处理方法再次进行控制。

通过以上步骤，可实现链式STATCOM功率模块的异常处理，可使故障后的链式STATCOM具备最大限度再启动能力，解决现有的链式STATCOM功率模块异常处理方法存在的可靠性、适用性问题。该方法适用于无旁路机构的STATCOM，当有异常模块时，人为旁路掉异常模块，然后向控制器中人为设置功率单元旁路的位置，控制器根据此位置重新调整正常模块与控制位之间的对应关系，最后控制器根据重新认定的对应关系来进行不对称再启动控制。所以，该方法可简单解决无旁路机构的STATCOM功率模块异常后的再启动问题，保证在厂家维修前，使STATCOM继续对电能质量问题进行治理，最大限度发挥了STATCOM的补偿作用。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，并不局限于各个参数的计算过程。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种STATCOM功率模块异常处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测各功率模块返回的状态，如果有功率模块的状态为异常状态，那么，断开STATCOM与母线之间的连接，并且控制STATCOM接地，实现STATCOM直流电压放电；

(2)使用导体对各异常功率模块进行短接以实现旁路，并向控制器设置各异常功率模块的对应位置；

(3)判断STATCOM是否满足冗余运行条件，当满足该冗余运行条件时，重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系，并向控制器传输调整后的正常功率模块与控制位之间的对应关系；

(4)控制器采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动；

所述异常处理方法适用于解决无旁路机构的STATCOM功率模块异常后的再启动问题；

所述步骤1)中的调制三角波初始相位延时的计算公式为：

其中，n的取值从1开始、且n的结束值为相应相的正常功率模块的数目N_a、N_b、N_c；θ_an为A相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，θ_bn为B相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，θ_cn为C相第n个正常功率模块的三角波初始相位延时的调整值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，T_a为A相三角载波的周期，T_b为B相三角载波的周期，T_c为C相三角载波的周期；

所述步骤1)中，还需对每相的直流平均电压值进行计算，计算公式为：

其中，U_{avr_a}为调整后的A相直流电压平均值，U_{avr_b}为调整后的B相直流电压平均值，U_{avr_c}为调整后的C相直流电压平均值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，U_{dc_an}为A相第n个正常功率模块的直流电压值，U_{dc_an}为B相第n个正常功率模块的直流电压值，U_{dc_an}为C相第n个正常功率模块的直流电压值。

2.根据权利要求1所述的STATCOM功率模块异常处理方法，其特征在于，实现所述步骤(3)中的重新调整正常功率模块与控制位之间的对应关系的手段为：对于任意一相，将该相中的正常功率模块按照该相在正常情况下的所有的功率模块的先后顺序进行重新依次排序，每个正常功率模块对应的序号即为对应正常功率模块的控制位。

3.根据权利要求1所述的STATCOM功率模块异常处理方法，其特征在于，实现所述步骤(4)中的采用均压控制策略实现STATCOM的不对称再启动的手段包括以下步骤：

1)根据每相的旁路功率模块的数目和正常功率模块的数目，对每相的各正常功率模块的调制三角波初始相位延时和直流电压给定值进行重新调整计算；

2)将调整后的各参数分配到各对应的正常功率模块；

3)控制STATCOM合闸启动；

4)根据调整后的各参数得到各对应正常模块的脉冲控制信号，并根据得到的脉冲控制信号对应控制各正常功率模块，实现不对称再启动。

4.根据权利要求1所述的STATCOM功率模块异常处理方法，其特征在于，所述冗余运行条件为：对于任意一相，当该相异常功率模块的数目与该相已旁路的功率模块的数目之和小于或者等于该相备用的功率模块的数目。

5.根据权利要求3所述的STATCOM功率模块异常处理方法，其特征在于，所述步骤1)中的直流电压给定值的计算公式为：

或

其中，U_{ref_a}为A相直流电压给定值的调整值，U_{ref_b}为B相直流电压给定值的调整值，U_{ref_c}为C相直流电压给定值的调整值，N_a为A相正常功率模块的数目，N_b为B相正常功率模块的数目，N_c为C相正常功率模块的数目，N为每相所有功率模块的数目，U_ref0为所有功率模块均正常时，初始给定的直流电压，U_{sum_ref}为给定的直流总电压值。