CN1787323A - 配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法 - Google Patents

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程汉湘
陈少华
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Abstract

本发明是一种用于配电***中负荷大幅变化的动态无功补偿方法。包括有无功功率控制环及电压控制环，其中无功功率控制环设置在外环，电压控制环设置在内环。上述无功功率控制环的输入为***给定无功功率Qg，反馈为无功功率Q，***给定无功功率Qg与反馈无功功率Q进行比较后，经外环PI调节器PI－1调节器运算后，其输出量作为电压控制内环的给定输入，该值与反馈直流电压Ud或交流电压U变量进行比较后，经内环PI调节器PI－2调节器运算后，其输出量为功率模块的角度偏移量δ。本发明将电压的稳定放在第一位，保证实时动态维持节点电压的稳定，同时还能有效地实现快速无功补偿的功能，目的是为周期性和非线性大幅度变化的负荷特性实现无功补偿，对配电***静止无功补偿器的控制提供一种优化策略。

Description

配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法
1、技术领域：
本发明是一种用于配电***中负荷大幅变化的动态双向无功补偿方法，具体涉及一种配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法。
2、背景技术：
配电***静止无功补偿器(StatCom)一般用于低压***的无功功率补偿和稳定***节点电压，它主要是用于配电***中负荷大幅变化的动态双向无功补偿。它的特点是动态响应速度高、能够实现平滑的双向无功补偿，对短时性的电压波动具有平抑作用，因此，它也广泛用于电压闪变的安全控制中。对于电力***的特殊负荷群——油田抽油机类特殊性质的负荷来讲，由于静止无功补偿器(StatCom)的高动态补偿特性，使它能够进行快速地实时补偿。关于静止无功补偿器的控制问题，虽然已有一些专利，如“一种基于空间矢量调制的多电平逆变器的控制方法”(专利号03153988.2)、“一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法”(专利号03156358.9)和“谐振型混合有源电力滤波器及其控制方法”(专利号03128234.2)、“逆变器及其输出电压控制方法”(专利号02114864.3)等，但没有一种是使用电压内嵌式控制策略，都只是针对改善逆变器输出质量的控制方法，它们与无功补偿的控制策略无关。日本的发明专利“逆变器控制方法及控制装置”(专利号02801844.3)，主要是关于逆变器装置本身，以及逆变器本身的控制，强调电动机转矩和电流的控制，通过该控制得到正确的转矩电流指令，并达到减小电流失真。“混合型无功功率发生器”(专利号02109022.X)的发明专利虽涉及到无功功率的补偿和电压稳定，但它仅仅是对无功发生器结构组成的说明，并没有说明怎样实现无功补偿的优化控制。另外，发明专利“用于交流输电线路的动态功率和电压调节器”(专利号95197543.9)、“静态无功发生器”(专利号00225558.8)和“一种谐波综合抑制装置”(专利号02278946.4)都是针对实现结构和相应功能的发明，也都没有关于实现高动态性能控制策略方面的发明内容。
3、发明内容：
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法。本发明设计巧妙，结构简单，操作方便。
本发明的结构示意图如附图所示，包括有无功功率控制环及电压控制环，其中无功功率控制环设置在外环，电压控制环设置在内环。
上述无功功率控制环的输入为***给定无功功率Qg，反馈为无功功率Q，***给定无功功率Qg与反馈无功功率Q进行比较后，经外环PI调节器PI-1调节器运算后，其输出量作为电压控制内环的给定输入，该值与反馈直流电压Ud或交流电压U变量进行比较后，经内环PI调节器PI-2调节器运算后，其输出量为功率模块的角度偏移量δ。
上述配电***静止无功补偿器为双三点式静止无功补偿器结构。
上述无功补偿器根据***参数来设计控制参数。
上述无功补偿器的直流电容参数选择采用等效状态估算法。
上述无功补偿器用于非线性、周期性、大幅度变化负载的补偿。
本发明由于采用电压内嵌式的控制方法，即在静止无功补偿器的控制中，将电压的稳定放在第一位，它能保证实时动态维持节点电压的稳定，同时还能有效地实现快速无功补偿的功能，其目的是为周期性和非线性大幅度变化的负荷特性无功补偿对配电***静止无功补偿器的控制提供一种优化策略。本发明是一种方便实用的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法。
4、附图说明：
图1为本发明的控制原理图；
图2为本发明静止无功补偿器的双三点式硬件电路结构图。
5、具体实施方式：
实施例：
本发明的控制原理图如图1所示，包括有无功功率控制环及电压控制环，其中无功功率控制环设置在外环，电压控制环设置在内环。上述无功功率控制环的输入为***给定无功功率Qg，反馈为无功功率Q，***给定无功功率Qg与反馈无功功率Q进行比较后，经外环PI调节器PI-1调节器运算后，其输出量作为电压控制内环的给定输入，该值与反馈直流电压Ud或交流电压U变量进行比较后，经内环PI调节器PI-2调节器运算后，其输出量为功率模块的角度偏移量δ。
上述配电***静止无功补偿器为双三点式静止无功补偿器结构。如图2所示，其中双三点式结构中的双是指两个三电平逆变器结构，即逆变器1A和逆变器2A；三点指的是指直流侧正极性电位P、负极性电位N和零电位O这三点。这种结构实际上属于电压多重化类型，也可归为三电平结构。在电气传动控制中，主要是用于大功率的电力机车变频节能驱动控制。它的主要特点是补偿功率大、可在较高的电压等级下工作，且对***造成的谐波输出较小(主要谐波为24倍频)。若在它的输入端接上高频滤波装置，就可以使它很容易地滤除高频谐波，使波形输出得到很好的优化。当这种逆变器结构用于静止无功补偿器时，它的最大优点是不用添加任何直流电压支撑电路，通过双回路逆变电路相位错位的原理就可实现电压互补，保证直流电压的稳定性，同时也保证了交流电压的稳定。当采用PWM调制技术时，可通过谐波反馈量有效消除负载所产生的谐波。该电路结构的另一个特点是它能大大降低桥臂直通的概率，并能实现高速的控制效果，有效地提高静止无功补偿器补偿的高动态、高性能、高品质的控制要求。对应的输出电压波形原理图及相应的输出脉冲字见图4。
上述无功补偿器根据***参数来设计控制参数。根据静止无功补偿器运行工况和运行状态的不同，***对静止无功补偿器所呈现的环境参数有着千差万别的影响，针对这些变化，该发明考虑到静止无功补偿器支路参数变化、***传输线等效参数、以及负载特性对静止无功补偿器控制最大偏移角和节点电压之间的对应关系所产生的影响。这些参数的变化也会影响电压型变换器直流电路的电压值，也就是说，当静止无功补偿器向负载提供或吸收无功功率，直流电压值也会有相应的变化，这些变化规律对控制***的设计有着特别重要的指导作用，它对最大输出值的范围限制提供了重要的依据。考虑了这些因素的影响后，控制***对节点电压的稳定作用才能得到体现。
上述无功补偿器的直流电容参数选择采用等效状态估算法。直流电容参数选择的等效状态估算法建立在瞬态模型的基础之上。它是根据静止无功补偿器中各开关元件所处的不同状态，通过二阶暂态电路理论进行分析的一种方法。一般的设计中，直流电路参数的选择都是采用经验法。从某种意义上来讲，这种方法偏于保守，选值往往偏大，而且不考虑***参数。有的参数选择可能在某些环境能正常工作，有的则在这些环境中不能正常工作，这是由于环境参数的变化导致控制性能的变化，使得***很难稳定工作。从总的来看，直流电容值越大，输出曲线越平滑。但大到什么程度是比较科学的应该有个度量，否则就会造成浪费。本发明根据一些基本原理涉及到三种不同的电容参数选择方法，使这一重要参数的选择具有较为科学的依据，并根据这样的准则得到了理想的仿真效果。
上述无功补偿器用于非线性、周期性、大幅度变化负载的补偿。比如油田抽油机的无功补偿。虽然现有几种补偿控制的节能途径用于这类负载特性，但都还不是很成熟，也没有这方面特别成功的运行报道，但采用静止无功补偿器实现该目标是非常有利的，这主要是考虑到它的高动态特性。油田抽油机的运行是一个特殊性质的负载或负载群，是一个比较明确的被控装置，对它的控制与通常整流器控制有着显著的不同，首先表现在它的反馈信息是负载，其次它只能调节无功功率，另外一个特点是抽油机在一个完整机械周期中，虽然大部分时间是吸收有功功率，但也会发出有功功率，这样就造成电流幅值的大幅波动。通过仿真和实验研究证明，在给定的***参数和控制参数下，电压内嵌式的控制策略有足够的响应速度，该种节能方式在保证节点电压稳定的前提下，可将功率因数提高到0.93以上，完全可以达到国际或国内电力***运行的有关规范。
此外，本发明利用离散化的方法求解带有FACTS装置的电力***稳定性分析。这种方法实际上是在时域数值积分法和直接法的基础上考虑了静止无功补偿器的一种线性离散化分析方法。它是根据静止无功补偿器中各功率元件在不同的运行时段的单机-无穷大***电路拓扑结构，用基尔霍夫电压电流定律得到一组微分方程，经线性化处理后可得到一组n元一次线性化方程组。通过这样的线性化处理模型，使非线性***转变成了线性***，它能对线性化特征矩阵的参数分析，最后得到用于稳定性判断的计算公式，并根据所推得的一些公式给出了典型结构的稳定性仿真结果。
本发明在实际应用中，首先根据实时采集的交流电压电流量计算***瞬时无功功率的大小作为外环反馈量，以负载需要补偿的无功功率作为外环参考控制变量，控制误差经PI-1调节器运算后产生输出量；以PI-1调节器产生的输出量作为内环控制变量直流电容电压的反馈量，实时测得的直流电容电压作为内环控制变量参考值，控制误差经PI-2调节器运算后，其输出量为功率模块的角度偏移量δ，即产生静止无功补偿器的控制变量δ(静止无功补偿器等效电压与***电压之间的相角差)。当电压缓和无功换PI调节器的积分参数和比例参数满足稳定性条件，且负载无功功率突变时，静止无功补偿器接入节点的电压可以在20ms内达到稳定，无功功率可在3个周波内达到整定值。

Claims (6)

1、一种配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，包括有无功功率控制环及电压控制环，其特征在于无功功率控制环设置在外环，电压控制环设置在内环。
2、根据权利要求1所述的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，其特征在于上述无功功率控制环的输入为***给定无功功率Qg，反馈为无功功率Q，***给定无功功率Qg与反馈无功功率Q进行比较后，经外环PI调节器PI-1调节器运算后，其输出量作为电压控制内环的给定输入，该值与反馈直流电压Ud或交流电压U变量进行比较后，经内环PI调节器PI-2调节器运算后，其输出量为功率模块的角度偏移量δ。
3、根据权利要求1所述的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，其特征在于上述配电***静止无功补偿器为双三点式静止无功补偿器结构。
4、根据权利要求3所述的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，其特征在于上述静止无功补偿器根据***参数来设计控制参数。
5、根据权利要求1所述的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，其特征在于上述无功补偿器的直流电容参数选择采用等效状态估算法。
6、根据权利要求5所述的配电***静止无功补偿器的电压内嵌式控制方法，其特征在于上述无功补偿器用于非线性、周期性、大幅度变化负载的补偿。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101277017B (zh) * 2008-02-02 2011-05-25 中国电力科学研究院 一种输电***用静止无功补偿器的调节方法
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