链式STATCOM子模块电容电压间接检测方法

链式statcom子模块电容电压间接检测方法
技术领域
1.本发明属于电力系统无功补偿技术领域。


背景技术：

2.链式statcom是一种动态无功补偿设备，多应用于中高压配网系统。statcom可以等效为幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源，其拓扑如图1。参数u
c-ij
为statcom的第i相第j个h桥子模块电容电压，l为并网电感，v
ga、b、c
为电网三相电压，v
oa、b、c
为statcom交流阀侧输出电压，i
ca、b、c
为statcom补偿电流，只要改变statcom交流阀侧输出电压v
oa、b、c
相对于v
ga、b、c
的相位和幅值，就可控制流过statcom电流的相位和幅值。实现了对系统的无功补偿
3.采用nlm调制技术的statcom的控制策略如图2，图中为簇电压即m相链内n个子模块电容电压之和，u
dcref
为簇电压指令，i
qref
为无功电流指令，i
pref
为有功电流指令，ω0t电网电压实时相位。电压外环控通过比较簇电压指令与簇电压之间的大小关系控制有功流向，实现簇电压稳定；链内均压控通过调节h桥子模块输出电压来平衡有功功率在h桥子模块间的分配，实现链内子模块直流侧电容电压的均衡分布；电流内环控用来实时追踪补偿无功电流。为了避免电容器过压，降低statcom补偿电流谐波含量，子模块电容电压控制是必不可少的。
4.子模块电容电压控制离不开对电容电压的获取，传统电容电压获取方式是采用硬件传感器检测。然而，随着电网电压等级的升高，链式h桥子模块数量将成比增加，依靠直流电压传感进行子模块电容电压检测的技术方案对应生产成本随之大幅度上升，同时由于多路检测信号传输延时和不可靠导致的链内子模块直流电压均衡控制难度也同时增大。


技术实现要素：

5.本发明的目的是利用交流阀侧电压数据，结合最近电平逼近调制nlm提供的对应子模块投入信息，实现对链内每个子模块电容电压间接检测的链式statcom子模块电容电压间接检测方法。
6.本发明步骤是：s1、对未并网statcom的链内子模块直流侧电容进行预充电在保证并网刀闸断开的前提下，令所有h桥子模块内4个igbt关断，启动子模块电容预充电程序，在完成对直流电压源的功能自检后，首先选定statcom的第m相作为充电相，利用对此相链内各个子模块直流侧电容进行依次充电，当充电电流小于0.01a，给下一个未充电子模块电容进行充电，直至a、b、c三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕；s2、利用交流阀侧电压互感器实现statcom同期并网将利用pll锁相环获得电网电压相位信息与加装在statcom交流阀侧的电压互感器pta、ptb、ptc检测到的statcom交流阀侧电压信息进行比对，确认statcom输出交流电压与
网侧电压相位幅度一致后，通过闭合并网刀闸，实现statcom的同期并网；具体做法如下：(a)在确认三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕后，首先从网侧电压互感器pt
ga
、pt
gb
、pt
gc
读取电网电压信息，利用pll锁相环获取电网三相电压的相位信息；(b)设定无功电流参考值i
qref
＝0，有功电流参考值i
pref
按照u
dcref
与作差通过pi控制器计算获得，结合ω0t并基于nlm算法输出控制信号，控制子模块进行正确动作，当交流阀侧电压与电网电压一致时，命令并网刀闸合闸，实现statcom同期并网；s3、启动子模块直流电压间接检测方法利用statcom交流阀侧输出电压计算具体子模块的直流侧电容电压，具体执行过程如下：首先根据statcom输出参考电压u
ref
与单个子模块直流侧电容参考电压u
dcref
之间的关系，求出需要投入的h桥子模块个数k，其中根据statcom输出电压与电流的正负关系确定有功流向，当有功流向statcom时，通过子模块电容电压排序，在链内n个子模块中选取k个电容电压较低的h桥子模块投入；当有功流出statcom时，选取k个电容电压较高的h桥子模块投入；结合pt
abc
测出的交流阀侧电压，求取子模块电容电压：设每相链内子模块数量为n，若一相链内只有一个h桥子模块投入，此时这个子模块的电容电压等于该相交流阀侧输出电压的绝对值；若链内n个h桥子模块全部投入，此时子模块电容电压为交流阀侧电压取均值若一相链内有j个模块投入时，则存在种不同组合的投入情况，其中1＜j＜n，根据每相投入的h桥子模块编号，按照公式(1)列写t
x
时刻的个不同电压关系，因为从而得出每个h桥子模块的电容电压；u
c-m1
+u
c-m2
…
+u
c-mj
＝|v
om
(t
x
)|(1)式(1)中v
om
(t
x
)是通过交流阀侧pt
abc
获取的statcom交流阀侧第m相t
x
时刻的输出电压。
7.本发明大幅度降低了statcom设备制造和维护成本，解决了该间接检测方法由于缺少直流电容电压传感器硬件支持而导致的statcom并网困难的技术问题，不但节约了statcom的硬件成本，而且具有工程实用价值。
附图说明
8.图1是是statcom拓扑结构图；图2是控制策略图；图3是子模块预充电流程图；图4是nlm算法流程图；图5是采用nlm子模块电容电压与交流阀侧输出电压时序关系图；
图6是a相链内3个子模块电容电压图；图7是a相网侧电压电流关系图；图8是a相电容电压直接测与间接检测效果对比图。
具体实施方式
9.本发明的目的在于提供一种适用于最近电平逼近调制的statcom子模块直流电压间接检测方法，利用最近电平逼近调制(nlm)算法获得的投入子模块指令信息，结合交流阀侧电压传感器(pt
a、b、c
)采集到的statcom输出三相电压信息，通过构建的反演检测算法获取每相链内子模块电容的实时电压，同时配套提出的一种基于直流电源的子模块电容预充电方法，解决了该间接检测方法由于缺少直流电容电压传感器硬件支持而导致的statcom并网困难的技术问题，不但节约了statcom的硬件成本，而且具有工程实用价值。
10.本发明具体步骤是：(1)对未并网statcom的链内子模块直流侧电容进行预充电在保证并网刀闸断开的前提下，令所有h桥子模块内4个igbt关断。启动子模块电容预充电程序，预充电流程如图3所示。在完成对直流电压源的功能自检后，首先选定statcom的第m相作为充电相，利用对此相链内各个子模块直流侧电容进行依次充电，当充电电流小于0.01a，给下一个未充电子模块电容进行充电，直至a、b、c三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕。
11.(2)利用交流阀侧电压互感器实现statcom同期并网将利用pll锁相环获得电网电压相位信息与加装在statcom交流阀侧的电压互感器pta、ptb、ptc检测到的statcom交流阀侧电压信息进行比对，确认statcom输出交流电压与网侧电压相位幅度一致后，通过闭合并网刀闸，实现statcom的同期并网；
12.具体做法如下：(a)在确认三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕后，首先从网侧电压互感器pt
ga
、pt
gb
、pt
gc
读取电网电压信息，利用pll锁相环获取电网三相电压的相位信息；(b)依据图2控制结构，设定无功电流参考值i
qref
＝0，有功电流参考值i
pref
按照u
dc ref
与作差通过pi控制器计算获得，结合ω0t并基于nlm算法输出控制信号，控制子模块进行正确动作，当交流阀侧电压与电网电压一致时，命令并网刀闸合闸，实现statcom同期并网。
13.(3)启动子模块直流电压间接检测方法基于阀侧ptc提供的电压信息，结合nlm算法计算出的每相链内子模块具体投切编号，利用statcom交流阀侧输出电压计算具体子模块的直流侧电容电压，具体执行算法如下。
14.nlm算法的流程如图4，首先根据statcom输出参考电压u
ref
与单个子模块直流侧电容参考电压u
dcref
之间的关系，求出需要投入的h桥子模块个数根据statcom输出电压与电流的正负关系确定有功流向，当有功流向statcom时，通过子模块电容电压排序，在链内n个子模块中选取k个电容电压较低的h桥子模块投入；当有功流出
statcom时，选取k个电容电压较高的h桥子模块投入。在nlm计算过程中，输出每相投入的h桥子模块编号，结合pt
abc
测出的交流阀侧电压，求取子模块电容电压，具体求取算法如下。
15.设每相链内子模块数量为n，若一相链内只有一个h桥子模块投入，此时这个子模块的电容电压等于该相交流阀侧输出电压的绝对值；若链内n个h桥子模块全部投入，此时子模块电容电压为交流阀侧电压取均值若一相链内有j个模块投入时(1《j《n)，则存在种不同组合的投入情况，根据每相投入的h桥子模块编号，按照公式(1)列写t
x
时刻的个不同电压关系方程。因为所以可计算出每个h桥子模块的电容电压u
c-m1
+u
c-m2
…
+u
c-mj
＝|v
om
(t
x
)|(1)式(1)中v
om
(t
x
)是通过交流阀侧pt
abc
获取的statcom交流阀侧第m相t
x
时刻的输出电压。
16.以n＝3为例，如子模块电容电压与交流阀侧输出电压时序关系图5。t1时段只有一个子模块投入，此时交流阀侧输出电压的绝对值等于投入h桥子模块的电容电压；t2时段有两个h桥子模块投入，则可获取三种不同电压关系：其中v
om
(t1)、v
om
(t2)、v
om
(t3)分别是通过ptc获取的statcom交流阀侧第i相t1、t2、t3时刻输出电压，解方程组(1)获得3个子模块电容电压。t3时段链内3个h桥子模块全部投入，此时电容电压为交流阀侧电压取均值
17.推广至模块数为n，当有j个模块投入时，有种不同的投入情况，可列写个方程，因为所以无论有几个h桥子模块投入，均可计算出每个h桥子模块的电容电压。本发明的技术优势在于：本发明所涉及的子模块直流电压间接检测方法可以省略statcom链内所有h桥子模块直流电压传感器，只需依靠交流阀侧电压互感器提供的电压数据，结合最近电平逼近调制nlm提供的对应子模块投入信息，利用子模块直流电压间接检测方法，即可实现对链内每个子模块电容电压的实时检测，从而大幅度降低了statcom设备的制造和维护成本。
18.实例验证：为了验证子模块电容电压间接检测法的可行性，在simulink环境中搭建了一个基于nlm调制技术的链式statcom无功补偿仿真系统。statcom补充网内负载消耗的感性无功，开关器件采用绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，statcom额定容量1kvar，电网额定电压110v，链式子模块数量为3，采样间隔取1.2e-3s，连接电抗器3mh，子模块直流侧电容容值2mf。
19.statcom通过本发明所涉及的间接检测法获取子模块电容电压进行无功补偿控制。在0.4s时statcom开始进行无功补偿，在0.605s时，负载无功功率突增到原无功值的1.5
倍。
20.子模块电容电压均衡效果如图6，各子模块电容电压在statcom投入0.1s后达到稳定均衡无功补偿效果如图7所示：在statcom进行无功补偿后，电网电压电流之间的夹角迅速由电流滞后电压40.7
°
调整到电压与电流同相位；负载无功发生突增后，电网电压电流相角在0.02s内恢复同相位关系，statcom具有较快的响应速度。在此过程中通过直接检测、间接检测两种方式获取单个子模块电容电压，对比结果如图8所示，对比可知：本发明所提间接电容电压检测方法具有较高的测量精度。
21.上述仿真分析证明：本发明所涉及的间接检测法可以快速准确的检测出各h桥子模块直流侧电容电压，将其用于链式statcom控制，能够获得较好的动态无功补偿效果。

技术特征：
1.一种链式statcom子模块电容电压间接检测方法，其特征在于：其步骤是：s1、对未并网statcom的链内子模块直流侧电容进行预充电在保证并网刀闸断开的前提下，令所有h桥子模块内4个igbt关断，启动子模块电容预充电程序，在完成对直流电压源的功能自检后，首先选定statcom的第m相作为充电相，利用对此相链内各个子模块直流侧电容进行依次充电，当充电电流小于0.01a，给下一个未充电子模块电容进行充电，直至a、b、c三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕；s2、利用交流阀侧电压互感器实现statcom同期并网将利用pll锁相环获得电网电压相位信息与加装在statcom交流阀侧的电压互感器pt
a
、pt
b
、pt
c
检测到的statcom交流阀侧电压信息进行比对，确认statcom输出交流电压与网侧电压相位幅度一致后，通过闭合并网刀闸，实现statcom的同期并网；具体做法如下：（a）在确认三相链内所有子模块直流侧电容充电完毕后，首先从网侧电压互感器pt
ga
、pt
gb
、pt
gc
读取电网电压信息，利用pll锁相环获取电网三相电压的相位信息；（b）设定无功电流参考值i
qref
=0，有功电流参考值i
pref
按照u
dc ref
与作差通过pi控制器计算获得，结合并基于nlm算法输出控制信号，控制子模块进行正确动作，当交流阀侧电压与电网电压一致时，命令并网刀闸合闸，实现statcom同期并网；s3、启动子模块直流电压间接检测方法利用statcom交流阀侧输出电压计算具体子模块的直流侧电容电压，具体执行过程如下：首先根据statcom输出参考电压与单个子模块直流侧电容参考电压之间的关系，求出需要投入的h桥子模块个数k，其中；根据statcom输出电压与电流的正负关系确定有功流向，当有功流向statcom时，通过子模块电容电压排序，在链内n个子模块中选取k个电容电压较低的h桥子模块投入；当有功流出statcom时，选取k个电容电压较高的h桥子模块投入；结合pt
abc
测出的交流阀侧电压，求取子模块电容电压：设每相链内子模块数量为n，若一相链内只有一个h桥子模块投入，此时这个子模块的电容电压等于该相交流阀侧输出电压的绝对值；若链内n个h桥子模块全部投入，此时子模块电容电压为交流阀侧电压取均值，若一相链内有j个模块投入时，则存在种不同组合的投入情况，其中1<j<n，根据每相投入的h桥子模块编号，按照公式（1）列写t
x
时刻的个不同电压关系，因为，从而得出每个h桥子模块的电容电压；（1）式（1）中是通过交流阀侧pt
abc
获取的statcom交流阀侧第m相t
x
时刻的输出电压。

技术总结
一种链式STATCOM子模块电容电压间接检测方法，属于电力系统无功补偿技术领域。本发明的目的是利用交流阀侧电压数据，结合最近电平逼近调制NLM提供的对应子模块投入信息，实现对链内每个子模块电容电压间接检测的链式STATCOM子模块电容电压间接检测方法。本发明步骤是：对未并网STATCOM的链内子模块直流侧电容进行预充电，利用交流阀侧电压互感器实现STATCOM同期并网，启动子模块直流电压间接检测方法。本发明大幅度降低了STATCOM设备制造和维护成本，解决了该间接检测方法由于缺少直流电容电压传感器硬件支持而导致的STATCOM并网困难的技术问题，不但节约了STATCOM的硬件成本，而且具有工程实用价值。而且具有工程实用价值。


技术研发人员：陈继开 李浩茹 王瑞全 张利伟 刘闯 钟诚 初壮
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8