專利名稱：配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法
技術領域：
本發明是一種用于配電系統中負荷大幅變化的動態雙向無功補償方法，具體涉及一種配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法。
背景技術：
配電系統靜止無功補償器(StatCom)一般用于低壓系統的無功功率補償和穩定系統節點電壓，它主要是用于配電系統中負荷大幅變化的動態雙向無功補償。它的特點是動態響應速度高、能夠實現平滑的雙向無功補償，對短時性的電壓波動具有平抑作用，因此，它也廣泛用于電壓閃變的安全控制中。對于電力系統的特殊負荷群——油田抽油機類特殊性質的負荷來講，由于靜止無功補償器(StatCom)的高動態補償特性，使它能夠進行快速地實時補償。關于靜止無功補償器的控制問題，雖然已有一些專利，如“一種基于空間矢量調制的多電平逆變器的控制方法”(專利號03153988.2)、“一種用于多電平逆變器的脈寬調制控制方法”(專利號03156358.9)和“諧振型混合有源電力濾波器及其控制方法”(專利號03128234.2)、“逆變器及其輸出電壓控制方法”(專利號02114864.3)等，但沒有一種是使用電壓內嵌式控制策略，都只是針對改善逆變器輸出質量的控制方法，它們與無功補償的控制策略無關。日本的發明專利“逆變器控制方法及控制裝置”(專利號02801844.3)，主要是關于逆變器裝置本身，以及逆變器本身的控制，強調電動機轉矩和電流的控制，通過該控制得到正確的轉矩電流指令，并達到減小電流失真。“混合型無功功率發生器”(專利號02109022.X)的發明專利雖涉及到無功功率的補償和電壓穩定，但它僅僅是對無功發生器結構組成的說明，并沒有說明怎樣實現無功補償的優化控制。另外，發明專利“用于交流輸電線路的動態功率和電壓調節器”(專利號95197543.9)、“靜態無功發生器”(專利號00225558.8)和“一種諧波綜合抑制裝置”(專利號02278946.4)都是針對實現結構和相應功能的發明，也都沒有關于實現高動態性能控制策略方面的發明內容。

發明內容
本發明的目的在于克服上述缺點而提供一種配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法。本發明設計巧妙，結構簡單，操作方便。
本發明的結構示意圖如附圖所示，包括有無功功率控制環及電壓控制環，其中無功功率控制環設置在外環，電壓控制環設置在內環。
上述無功功率控制環的輸入為系統給定無功功率Qg，反饋為無功功率Q，系統給定無功功率Qg與反饋無功功率Q進行比較后，經外環PI調節器PI-1調節器運算后，其輸出量作為電壓控制內環的給定輸入，該值與反饋直流電壓Ud或交流電壓U變量進行比較后，經內環PI調節器PI-2調節器運算后，其輸出量為功率模塊的角度偏移量δ。
上述配電系統靜止無功補償器為雙三點式靜止無功補償器結構。
上述無功補償器根據系統參數來設計控制參數。
上述無功補償器的直流電容參數選擇采用等效狀態估算法。
上述無功補償器用于非線性、周期性、大幅度變化負載的補償。
本發明由于采用電壓內嵌式的控制方法，即在靜止無功補償器的控制中，將電壓的穩定放在第一位，它能保證實時動態維持節點電壓的穩定，同時還能有效地實現快速無功補償的功能，其目的是為周期性和非線性大幅度變化的負荷特性無功補償對配電系統靜止無功補償器的控制提供一種優化策略。本發明是一種方便實用的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法。


圖1為本發明的控制原理圖；圖2為本發明靜止無功補償器的雙三點式硬件電路結構圖。
具體實施例方式實施例本發明的控制原理圖如圖1所示，包括有無功功率控制環及電壓控制環，其中無功功率控制環設置在外環，電壓控制環設置在內環。上述無功功率控制環的輸入為系統給定無功功率Qg，反饋為無功功率Q，系統給定無功功率Qg與反饋無功功率Q進行比較后，經外環PI調節器PI-1調節器運算后，其輸出量作為電壓控制內環的給定輸入，該值與反饋直流電壓Ud或交流電壓U變量進行比較后，經內環PI調節器PI-2調節器運算后，其輸出量為功率模塊的角度偏移量δ。
上述配電系統靜止無功補償器為雙三點式靜止無功補償器結構。如圖2所示，其中雙三點式結構中的雙是指兩個三電平逆變器結構，即逆變器1A和逆變器2A；三點指的是指直流側正極性電位P、負極性電位N和零電位O這三點。這種結構實際上屬于電壓多重化類型，也可歸為三電平結構。在電氣傳動控制中，主要是用于大功率的電力機車變頻節能驅動控制。它的主要特點是補償功率大、可在較高的電壓等級下工作，且對系統造成的諧波輸出較小(主要諧波為24倍頻)。若在它的輸入端接上高頻濾波裝置，就可以使它很容易地濾除高頻諧波，使波形輸出得到很好的優化。當這種逆變器結構用于靜止無功補償器時，它的最大優點是不用添加任何直流電壓支撐電路，通過雙回路逆變電路相位錯位的原理就可實現電壓互補，保證直流電壓的穩定性，同時也保證了交流電壓的穩定。當采用PWM調制技術時，可通過諧波反饋量有效消除負載所產生的諧波。該電路結構的另一個特點是它能大大降低橋臂直通的概率，并能實現高速的控制效果，有效地提高靜止無功補償器補償的高動態、高性能、高品質的控制要求。對應的輸出電壓波形原理圖及相應的輸出脈沖字見圖4。
上述無功補償器根據系統參數來設計控制參數。根據靜止無功補償器運行工況和運行狀態的不同，系統對靜止無功補償器所呈現的環境參數有著千差萬別的影響，針對這些變化，該發明考慮到靜止無功補償器支路參數變化、系統傳輸線等效參數、以及負載特性對靜止無功補償器控制最大偏移角和節點電壓之間的對應關系所產生的影響。這些參數的變化也會影響電壓型變換器直流電路的電壓值，也就是說，當靜止無功補償器向負載提供或吸收無功功率，直流電壓值也會有相應的變化，這些變化規律對控制系統的設計有著特別重要的指導作用，它對最大輸出值的范圍限制提供了重要的依據。考慮了這些因素的影響后，控制系統對節點電壓的穩定作用才能得到體現。
上述無功補償器的直流電容參數選擇采用等效狀態估算法。直流電容參數選擇的等效狀態估算法建立在瞬態模型的基礎之上。它是根據靜止無功補償器中各開關元件所處的不同狀態，通過二階暫態電路理論進行分析的一種方法。一般的設計中，直流電路參數的選擇都是采用經驗法。從某種意義上來講，這種方法偏于保守，選值往往偏大，而且不考慮系統參數。有的參數選擇可能在某些環境能正常工作，有的則在這些環境中不能正常工作，這是由于環境參數的變化導致控制性能的變化，使得系統很難穩定工作。從總的來看，直流電容值越大，輸出曲線越平滑。但大到什么程度是比較科學的應該有個度量，否則就會造成浪費。本發明根據一些基本原理涉及到三種不同的電容參數選擇方法，使這一重要參數的選擇具有較為科學的依據，并根據這樣的準則得到了理想的仿真效果。
上述無功補償器用于非線性、周期性、大幅度變化負載的補償。比如油田抽油機的無功補償。雖然現有幾種補償控制的節能途徑用于這類負載特性，但都還不是很成熟，也沒有這方面特別成功的運行報道，但采用靜止無功補償器實現該目標是非常有利的，這主要是考慮到它的高動態特性。油田抽油機的運行是一個特殊性質的負載或負載群，是一個比較明確的被控裝置，對它的控制與通常整流器控制有著顯著的不同，首先表現在它的反饋信息是負載，其次它只能調節無功功率，另外一個特點是抽油機在一個完整機械周期中，雖然大部分時間是吸收有功功率，但也會發出有功功率，這樣就造成電流幅值的大幅波動。通過仿真和實驗研究證明，在給定的系統參數和控制參數下，電壓內嵌式的控制策略有足夠的響應速度，該種節能方式在保證節點電壓穩定的前提下，可將功率因數提高到0.93以上，完全可以達到國際或國內電力系統運行的有關規范。
此外，本發明利用離散化的方法求解帶有FACTS裝置的電力系統穩定性分析。這種方法實際上是在時域數值積分法和直接法的基礎上考慮了靜止無功補償器的一種線性離散化分析方法。它是根據靜止無功補償器中各功率元件在不同的運行時段的單機-無窮大系統電路拓撲結構，用基爾霍夫電壓電流定律得到一組微分方程，經線性化處理后可得到一組n元一次線性化方程組。通過這樣的線性化處理模型，使非線性系統轉變成了線性系統，它能對線性化特征矩陣的參數分析，最后得到用于穩定性判斷的計算公式，并根據所推得的一些公式給出了典型結構的穩定性仿真結果。
本發明在實際應用中，首先根據實時采集的交流電壓電流量計算系統瞬時無功功率的大小作為外環反饋量，以負載需要補償的無功功率作為外環參考控制變量，控制誤差經PI-1調節器運算后產生輸出量；以PI-1調節器產生的輸出量作為內環控制變量直流電容電壓的反饋量，實時測得的直流電容電壓作為內環控制變量參考值，控制誤差經PI-2調節器運算后，其輸出量為功率模塊的角度偏移量δ，即產生靜止無功補償器的控制變量δ(靜止無功補償器等效電壓與系統電壓之間的相角差)。當電壓緩和無功換PI調節器的積分參數和比例參數滿足穩定性條件，且負載無功功率突變時，靜止無功補償器接入節點的電壓可以在20ms內達到穩定，無功功率可在3個周波內達到整定值。
權利要求
1.一種配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，包括有無功功率控制環及電壓控制環，其特征在于無功功率控制環設置在外環，電壓控制環設置在內環。
2.根據權利要求1所述的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，其特征在于上述無功功率控制環的輸入為系統給定無功功率Qg，反饋為無功功率Q，系統給定無功功率Qg與反饋無功功率Q進行比較后，經外環PI調節器PI-1調節器運算后，其輸出量作為電壓控制內環的給定輸入，該值與反饋直流電壓Ud或交流電壓U變量進行比較后，經內環PI調節器PI-2調節器運算后，其輸出量為功率模塊的角度偏移量δ。
3.根據權利要求1所述的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，其特征在于上述配電系統靜止無功補償器為雙三點式靜止無功補償器結構。
4.根據權利要求3所述的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，其特征在于上述靜止無功補償器根據系統參數來設計控制參數。
5.根據權利要求1所述的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，其特征在于上述無功補償器的直流電容參數選擇采用等效狀態估算法。
6.根據權利要求5所述的配電系統靜止無功補償器的電壓內嵌式控制方法，其特征在于上述無功補償器用于非線性、周期性、大幅度變化負載的補償。
全文摘要
本發明是一種用于配電系統中負荷大幅變化的動態無功補償方法。包括有無功功率控制環及電壓控制環，其中無功功率控制環設置在外環，電壓控制環設置在內環。上述無功功率控制環的輸入為系統給定無功功率Q
文檔編號H02J3/16GK1787323SQ20041007725
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月10日 優先權日2004年12月10日
發明者程漢湘, 陳少華, 尹項根 申請人:廣東工業大學