一種利用冗余電壓矢量實現(xiàn)中壓級聯(lián)statcom容錯控制的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中壓級聯(lián)STATCOM故障容錯控制方法，利用級聯(lián)逆變器的冗余電壓矢量實現(xiàn)容錯控制。當級聯(lián)STATCOM的某些級聯(lián)單元發(fā)生故障時，原控制算法選定的電壓矢量可能由于故障而無法正常使用，成為故障矢量。此時利用級聯(lián)逆變器冗余電壓矢量多，且位置經(jīng)常重合的特性，選擇與其作用效果最接近的其它非故障矢量進行替代。從而最大限度的降低故障對系統(tǒng)的影響，提高工作可靠性。與目前常用的N+1冗余方式相比，該方法不需要增加附加的硬件冗余資源，節(jié)約成本，并可以推廣至任意階級聯(lián)STATCOM中去。在N+1冗余方式中，當故障單元數(shù)大于冗余單元數(shù)時該方法亦可應(yīng)用。
【專利說明】—種利用冗余電壓矢量實現(xiàn)中壓級聯(lián)STATCOM容錯控制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無功補償【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用冗余電壓矢量實現(xiàn)中壓級聯(lián)STATCOM容錯控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]H橋級聯(lián)逆變器具有容量大、等效開關(guān)頻率低、結(jié)構(gòu)靈活、更換方便等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于中壓大功率領(lǐng)域。1996年，美國田納西大學(xué)的F.Z.Peng等人提出將H橋級聯(lián)逆變器應(yīng)用于STATCOM中。
[0003]但由于級聯(lián)逆變器中的開關(guān)器件較多，相比于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，級聯(lián)逆變器的故障幾率會大很多。由于各級聯(lián)H橋單元為串聯(lián)，當任意一個級聯(lián)單元發(fā)生故障時，如果不采取措施，將使得該故障單元所在相無法繼續(xù)工作，會對電網(wǎng)造成很大沖擊。因此，如何提高級聯(lián)STATCOM系統(tǒng)的故障容錯能力就很自然的擺在我們面前。
[0004]目前，級聯(lián)式逆變器的容錯控制技術(shù)主要有以下3種:
(I)短接故障的單元，并將另外兩相中與故障單元相對應(yīng)的非故障單元短接，保證三相輸出電壓的對稱。但是此方法屬于降容量運行，部分非故障級聯(lián)單元的容量沒能得到充分利用，存在資源的浪費。
[0005](2)基于中性點偏移的方法只短接故障單元，且能夠獲得對稱的線電壓；但此方法多用于有調(diào)制波的控制系統(tǒng)，不適合電壓矢量法。
[0006](3)充分利用系統(tǒng)的冗余資源，代替因故障而無法使用的開關(guān)狀態(tài)或級聯(lián)單元；冗余可分為系統(tǒng)冗余、單元冗余和開關(guān)狀態(tài)冗余3種。
[0007]①系統(tǒng)冗余是增加一個與原系統(tǒng)完全一致并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，該法不適合級聯(lián)結(jié)構(gòu)，否則會造成資源的嚴重浪費。
[0008]②單元冗余即在原有N單元串聯(lián)的基礎(chǔ)上，每相再增加一個或兩個備用單元，常用的是N+1冗余；一旦某些級聯(lián)單元發(fā)生故障，立即旁路該故障單元，同時將冗余單元投入工作，代替故障單元；但是，由于裝置絕大多數(shù)情況下工作于非故障狀態(tài)，因此該方法會造成冗余單元容量的浪費。
[0009]③開關(guān)狀態(tài)冗余則不需要附加硬件冗余資源，是利用位置重疊或接近的冗余開關(guān)狀態(tài)(即冗余電壓矢量)代替故障開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)容錯控制，此方法最經(jīng)濟實惠；本發(fā)明涉及的容錯控制方法就是利用冗余開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)容錯控制。
[0010]目前，在級聯(lián)STATCOM領(lǐng)域容錯控制技術(shù)的研究也有了一定進展，Wenchao Song和Alex Q Huang在標題為Control Strategy for Fault-Tolerant Cascaded MultilevelConverter based STATCOM (APEC 2007-22nd Annual IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition 2007:1073-1076.)的文章中提出一種基于N+1冗余方式的級聯(lián)STATCOM容錯控制方法。N+1冗余方式在級聯(lián)STATCOM中已經(jīng)得到了實際應(yīng)用。經(jīng)查閱國內(nèi)外文獻，尚未發(fā)現(xiàn)“利用冗余電壓矢量實現(xiàn)級聯(lián)STATCOM容錯控制”的研究出現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011](一)要解決的技術(shù)問題
為了提高級聯(lián)STATCOM系統(tǒng)的故障容錯能力，并盡可能的降低硬件成本，本發(fā)明提出了一種級聯(lián)STATCOM故障容錯控制方法，充分利用級聯(lián)逆變器的冗余電壓矢量實現(xiàn)容錯控制。
[0012](二)技術(shù)方案
為了達到上述目的，本發(fā)明涉及方法包括如下步驟:
(1)當級聯(lián)STATCOM的某些級聯(lián)單元發(fā)生故障時，迅速將故障單元短接，并向上位機發(fā)送故障信號，以便確定故障位置等信息，進行相應(yīng)的容錯控制；
(2)系統(tǒng)采用電流直接控制法，首先利用瞬時無功功率理論對無功電流進行實時檢測，必要時還需對諧波分量等進行實時檢測，從而得到級聯(lián)STATCOM輸出電流參考值i。* ；
(3)為了使級聯(lián)STATCOM輸出電流能夠?qū)崟r準確的跟蹤參考值，首先利用電流滯環(huán)確定輸出電流實際值i。與參考值i/之間的誤差Λ i ;當Λ i大于h時，說明電流跟蹤誤差較大，此時應(yīng)用電平圓整法逐步篩選出最優(yōu)的電壓矢量Uk，使得電流誤差Λ i降到滯環(huán)寬度h以內(nèi)；當電流誤差Λ i沒有超出滯環(huán)寬度h時，說明電流跟蹤精度符合要求，此時保持上一采樣周期選擇的電壓矢量不變；
(4)當步驟(3)最終確定的Uk為非故障矢量時(即Uk未受到該故障的影響，可以正常使用)，則計算結(jié)束；
(5)若Uk為故障電壓矢量(即Uk受到該故障的影響，不能正常使用)，則選擇與其作用效果最接近的其它非故障電壓矢量進行替代，即用級聯(lián)逆變器的非故障開關(guān)狀態(tài)代替因故障而無法使用的開關(guān)狀態(tài)；優(yōu)先選擇位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都為故障電壓矢量，則選擇位置和效果最接近的其它非故障矢量代替Uk，具體矢量替代步驟如下；
在N階級聯(lián)逆變器的電壓矢量圖中，由中點向外共有2N個正六邊形(不包括中點)，分別命名為六邊形1、2...2N,以級聯(lián)逆變器a相中有m (O < m < N)個級聯(lián)單元發(fā)生故障為例；
①當Uk= (x，y，z)位于電壓矢量圖中最外側(cè)的m個六邊形時，此時無位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)1或譏時，選擇(1-1，7，2)，(1-2，7，2)…中與其最接近的非故障電壓矢量；即首選電壓矢量(x-l，y，z)，如果(x-l，y，z)也是故障矢量，則選擇電壓矢量(x-2，y, z),以此類推，直到選出與其最接近的非故障矢量為止；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y, z), (x+2, y, z)…中與其最接近的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響；
級聯(lián)階數(shù)N越大，矢量替換前后的相位和大小誤差越低，電流跟蹤越準確；
②當Uk=(x，y，z)位于六邊形j (I≤j≤2N-m)時，此時有位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下:
當參考電壓矢量位于扇區(qū)I或VI時，選擇(x-Ι, y-1, z-1), (x-2, y-2, z-2)…中的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y+1, z+1), (x+2, y+2, z+2)…中的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響(邊界不計)；
同理可得，當b或c相有m個級聯(lián)單元發(fā)生故障時的電壓矢量替換方法。
[0013]該方法亦可應(yīng)用于采用N+1冗余方式的級聯(lián)STATCOM系統(tǒng)中，當某相故障單元數(shù)較多，且故障單元數(shù)超過冗余單元數(shù)時，系統(tǒng)的冗余單元不足以彌補故障單元?？梢圆捎蒙鲜霾襟E(5)方法進行容錯控制，保證系統(tǒng)的正常工作。
[0014](三)有益效果
本發(fā)明提出的級聯(lián)STATCOM故障容錯控制方法，解決了級聯(lián)STATCOM故障幾率較大的問題，具有較強的容錯性能，并可以推廣至任意階級聯(lián)STATCOM中去。與目前常用的N+1冗余方式相比，該方法不需要附加的硬件冗余資源，因而硬件成本更低。本發(fā)明還可以直接應(yīng)用于基于N+1冗余方式的級聯(lián)STATCOM系統(tǒng)中，具有廣闊的市場空間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為N階級聯(lián)STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2為級聯(lián)STATCOM級聯(lián)單元拓撲機構(gòu)圖及均衡輔助嵌位電路。
[0017]圖3為2階級聯(lián)STATCOM對應(yīng)的五電平電壓矢量分布圖。
[0018]圖4為a相中有I個級聯(lián)單元生故障時的電壓矢量分布圖。`【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0020](一)硬件電路方案
本發(fā)明涉及的級聯(lián)STATCOM系統(tǒng)主電路如圖1所示。開關(guān)器件選擇了 IGBT，額定電壓為1700V，STATCOM輸出端采用LCL濾波。每相串聯(lián)階數(shù)N需要根據(jù)應(yīng)用場合確定。以6KV電網(wǎng)為例，IGBT額定電壓保留2-3倍安全裕度，每相串聯(lián)的級聯(lián)單元階數(shù)N為8，同理可計算其它中壓電網(wǎng)對應(yīng)的階數(shù)。
[0021]本發(fā)明涉及的級聯(lián)STATCOM的級聯(lián)H橋單元拓撲圖及均壓輔助嵌位電路如圖2所示，每個單元的輔助電路由一個全橋逆變器經(jīng)過隔離變壓器與輔助電路交流母線相連，每相共用一個交流母線。其中Sac為輔助開關(guān)，T為輔助變壓器，輔助逆變橋與主逆變橋共用直流母線，Udc為直流電容電壓。首先控制每相N個級聯(lián)單元直流側(cè)電壓總和恒定，再合理的控制輔助電路，通過交流母線實現(xiàn)各單元間的功率交換，最終達到電壓均衡。需要說明的是，由于IGBT額定電壓選型時通常都會保留2-3倍的安全裕量，所以當N階級聯(lián)逆變器中的I個或少數(shù)幾個單元發(fā)生故障而被短接之后，剩余單元中IGBT承受電壓不會超過允許值。
[0022]本發(fā)明涉及的級聯(lián)STATCOM控制電路和驅(qū)動電路如下:控制電路采用雙DSP結(jié)構(gòu)，通過雙口 RAM (IDT70V24sl5)進行通信，可以數(shù)據(jù)共享。其中，DSPl負責(zé)檢測部分，并完成直流側(cè)總電壓控制，以及輔助電路PWM信號產(chǎn)生；DSP2負責(zé)參考電流跟蹤控制，產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號和故障單元的旁路控制。IGBT驅(qū)動電路采用北京落木源公司的IGBT四單元集成驅(qū)動模塊。
[0023]( 二)軟件部分方案
(I)當級聯(lián)STATCOM的某些級聯(lián)單元發(fā)生短路或斷路故障時，如圖2所示，首先，封鎖該單元PWM驅(qū)動信號，閉合此單元右側(cè)的開關(guān)Sac，將發(fā)生故障的單元短接，并斷開單元左側(cè)與公共母線連接的開關(guān)Sac。此外，還要在發(fā)故障代碼給上位機，以便進行相應(yīng)的容錯控制。
[0024](2)利用瞬時無功功率理論對無功電流進行實時檢測，必要時還需對諧波分量等進行實時檢測，從而得到級聯(lián)STATCOM輸出電流參考值i。* ；
(3)采用電流直接控制法進行參考電流的跟蹤控制，為了讓級聯(lián)STATCOM輸出電流的實際值能夠?qū)崟r準確的跟蹤參考值，利用電平圓整法選擇最優(yōu)的電壓矢量Uk。
[0025]以2階級聯(lián)STATCOM為例，圖3為其對應(yīng)的5電平電壓矢量圖，參考電壓矢量u*位于扇區(qū)I，誤差電流Λ i位于扇區(qū)V ;此時，三相電流中Λ ib誤差最大，且偏大。其中，參考電壓矢量u*如公式(I)所示。
【權(quán)利要求】
1.一種利用冗余電壓矢量實現(xiàn)中壓級聯(lián)STATCOM容錯控制的方法，其特征在于，所述控制方法的步驟包括: (1)當級聯(lián)STATCOM的某些級聯(lián)單元發(fā)生故障時，首先迅速短接該故障單元，并向上位機發(fā)送故障代碼，以便進行相應(yīng)的容錯控制； (2)利用瞬時無功功率理論對無功電流進行實時檢測(必要時還需對諧波分量等進行實時檢測)，從而得到級聯(lián)STATCOM輸出電流參考值i。* ； (3)為了保證級聯(lián)STATCOM輸出電流能夠?qū)崟r準確的跟蹤參考值，首先利用電流滯環(huán)確定輸出電流實際值i。與參考值i。*之間的誤差Λ i ;當電流誤差Λ i大于電流滯環(huán)寬度h時，應(yīng)用電平圓整法逐步篩選出最優(yōu)的電壓矢量Uk，來降低電流跟蹤誤差；當電流誤差Λ i小于或等于h時，保持上一采樣周期選擇的電壓矢量不變； (4)當步驟(3)最終確定的Uk為非故障矢量時，則計算結(jié)束，Uk為最終選定的電壓矢量; (5)若Uk為故障矢量，則選擇與其作用效果最接近的其它非故障矢量進行替代，優(yōu)先選擇位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都為故障矢量，則選擇位置和效果最接近的其它非故障矢量代替Uk，具體替代方法如下； 在N階級聯(lián)逆變器的電壓矢量圖中，由中點向外共有2N個正六邊形(不包括中點)，分別命名為六邊形1、2...2N,以級聯(lián)逆變器a相中有m (O < m < N)個級聯(lián)單元發(fā)生故障為例； ①當Uk= (x, y, z)位于電壓矢量圖中最外側(cè)的m個六邊形時，此時無位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下；` 當參考電壓矢量位于扇區(qū)1或譏時，選擇(1-1，7，2)，(1-2，7，2)…中與其最接近的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y, z), (x+2, y, z)…中與其最接近的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響； ?當隊=(x，y，z)位于六邊形j (I < j < 2N-m)時，此時有位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)I或VI時，選擇(x-Ι, y-1, z-1), (x-2, y-2, z-2)…中的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y+1, z+1), (x+2, y+2, z+2)…中的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響(邊界不計)； 同理可得，當b或c相有m個級聯(lián)單元發(fā)生故障時的電壓矢量替換方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用冗余電壓矢量實現(xiàn)中壓級聯(lián)STATCOM容錯控制的方法，其特征在于:所述步驟(5)中所述方法亦可用于N+1冗余方式中，當故障單元數(shù)大于冗余單元數(shù)時，可以采用該方法進行容錯控制。
【文檔編號】H02J3/18GK103560689SQ201310527907
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】汪玉鳳, 李國華, 張國軍, 蘆新茹, 喬和, 田立勇, 孫方, 趙帥, 馬琳, 楊躍軍, 李俊杰 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué), 河南大有能源股份有限公司, 葫蘆島利能科技有限公司