改進(jìn)的ip-ii型無(wú)功電流檢測(cè)方法

改進(jìn)的ip-ii型無(wú)功電流檢測(cè)方法

0ip-icp無(wú)功電流檢測(cè)計(jì)算方法近年來(lái)，智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的概念不斷被提出。新能源和分布電源技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致了能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，并對(duì)電網(wǎng)的能源質(zhì)量提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)中,為提高電網(wǎng)電源側(cè)的功率因數(shù),改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,通常在變電站安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。靜止無(wú)功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,STATCOM)是一種廣泛應(yīng)用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。在STATCOM運(yùn)行中,當(dāng)負(fù)載所需的無(wú)功功率發(fā)生變化時(shí),要求STATCOM能夠快速地進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,這首先依賴(lài)于STATCOM指令電流的檢測(cè)計(jì)算方法。目前,STATCOM指令電流檢測(cè)計(jì)算方法廣泛采用的是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq運(yùn)算方式和p-q運(yùn)算方式,這兩種方法都具有很好的實(shí)時(shí)性。此外,ip-iq運(yùn)算方式不受電網(wǎng)電壓畸變的影響,當(dāng)電壓波形畸變時(shí),仍具有準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果,然而,傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法由于直接把負(fù)載電流的無(wú)功分量作為STATCOM輸出無(wú)功電流的指令值,即在進(jìn)行從abc坐標(biāo)系到pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱(chēng)abc/pq變換)及其反變換(abc/pq反變換)的時(shí)候,用的都是負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)的電壓相位信息,因此其僅適合于STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)位于同一位置的情況,STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)被限制在負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)。如果STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)位于不同位置,如跨越變壓器兩側(cè),由于補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)的電壓幅值及相位存在偏差,致使傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)法不再適用。因此,傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法限制了STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)位置的設(shè)置,不利于補(bǔ)償方式的靈活選取。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法,在進(jìn)行abc/pq變換及其反變換的時(shí)候,分別使用負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)及STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)處的電壓相位信息,從而解決了STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)不在同一位置時(shí)的無(wú)功電流檢測(cè)問(wèn)題。該方法拓展了傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法,使得STATCOM安裝位置變得更加靈活。STATCOM安裝位置的靈活選擇,對(duì)于補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法的靈活選取都具有許多可預(yù)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。1ip-ip無(wú)功電流的檢測(cè)三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論的提出及完善,突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義,使得電力系統(tǒng)無(wú)功及諧波電流檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了重大突破。圖1所示為電壓、電流旋轉(zhuǎn)矢量圖。v、i分別是三相電壓、三相電流合成的電壓、電流旋轉(zhuǎn)矢量,旋轉(zhuǎn)角速度為ω,v、i兩者夾角為φ。由瞬時(shí)無(wú)功功率理論可知,三相電路瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq表示為ip、iq與三相電流瞬時(shí)值ia、ib、ic之間存在如下關(guān)系建立與電壓(電流)矢量同步旋轉(zhuǎn)的pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系:p軸方向與電壓旋轉(zhuǎn)矢量v的分向一致,q軸與p軸夾角90°,如圖1中所示。這樣,三相電路瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq就分別位于p軸和q軸上,并且ip和iq都是直流量。傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)法運(yùn)算原理圖如圖2所示。pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的p軸方向與檢測(cè)點(diǎn)處相電壓旋轉(zhuǎn)矢量的方向一致。其工作原理為:首先將被檢測(cè)三相電流(負(fù)載電流)ia、ib、ic按照式(2)進(jìn)行變換,得到pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)載電流的有功直流分量ip與無(wú)功直流分量iq;然后將無(wú)功直流分量iq按照式(3)進(jìn)行反變換,即可得到負(fù)載三相無(wú)功電流分量iaq、ibq、icq。其中,C23=Cuf05432。將iaq、ibq、icq作為STATCOM的三相指令電流,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償。2作為p軸方向的發(fā)揮傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法僅適合于STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)位于同一位置的情況。為了解決STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)位于不同位置(即補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)電壓存在幅值及相位的差異)時(shí)的無(wú)功電流檢測(cè)問(wèn)題,本文提出了一種改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法,其原理如圖3所示。改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)法用到了補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)兩處的電壓相位信息,需要設(shè)置兩個(gè)鎖相環(huán)(PLL),在進(jìn)行abc/pq變換及其反變換的時(shí)候,分別以檢測(cè)點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)的相電壓旋轉(zhuǎn)矢量方向作為p軸方向。該方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。第一,對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行abc/pq變換,p軸方向與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)相電壓旋轉(zhuǎn)矢量方向一致,設(shè)檢測(cè)點(diǎn)相電壓矢量的初始相角為0,則變換矩陣為由此得到負(fù)載電流無(wú)功直流分量iqL。第二,將iqL轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償點(diǎn)所需注入的無(wú)功電流直流分量iqT。補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)位于不同位置,兩點(diǎn)電壓存在幅值及相位的差異,但經(jīng)過(guò)abc/pq變換后,由于得到的是直流量,所以負(fù)載電流無(wú)功分量iqL與補(bǔ)償點(diǎn)處無(wú)功電流分量iqT只存在幅值差異。iqT與iqL之間的關(guān)系的推導(dǎo)過(guò)程如下:設(shè)負(fù)載相電流幅值為ILm,負(fù)載電流與電壓夾角為ΔφL,則通過(guò)abc/pq變換,可以得到根據(jù)功率平衡原理,負(fù)載所需的無(wú)功功率QL與STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)注入系統(tǒng)的無(wú)功功率相等,即其中:ULm為負(fù)載相電壓幅值;UTm為STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)相電壓幅值;ITm為STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)注入系統(tǒng)的無(wú)功電流幅值。與式(5)類(lèi)似,可以得到iqT與ITm的關(guān)系為設(shè)STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)相電壓與負(fù)載相電壓的比值為K,即由式(5)~式(8)即可以推出iqT與iqL的關(guān)系式為該關(guān)系式在任一時(shí)刻均成立,所以,可以根據(jù)式(9)將負(fù)載電流無(wú)功直流分量iqL實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)所需注入的無(wú)功電流直流分量iqT。第三,對(duì)iqT進(jìn)行abc/pq反變換,p軸方向與STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)相電壓旋轉(zhuǎn)矢量方向一致,設(shè)補(bǔ)償點(diǎn)相電壓矢量初始相角為α,則反變換矩陣為abc/pq反變換方程為這樣,就得到了補(bǔ)償點(diǎn)STATCOM輸出三相無(wú)功電流指令值,實(shí)現(xiàn)了STATCOM安裝位置與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)不在同一位置時(shí)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。3完善sp-iq電流檢測(cè)方法對(duì)基于壓力源的無(wú)效器的應(yīng)用3.1statcom與變壓器一體化設(shè)計(jì)本文所提改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法使得電力系統(tǒng)中STATCOM的安裝位置十分靈活,從而可以根據(jù)補(bǔ)償容量的大小來(lái)合理選擇STATCOM交流電壓大小,同時(shí)降低STATCOM主電路設(shè)計(jì)的難度。另外,改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法也為STATCOM與變壓器一體化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。STATCOM裝置不僅可以從變壓器低壓側(cè)接入系統(tǒng),還可以從變壓器高壓側(cè)、變壓器高壓繞組抽頭處、變壓器第三繞組等位置接入,也即STATCOM的安裝位置與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)可以跨越變壓器兩側(cè)。圖4給出了兩種跨變壓器STATCOM結(jié)構(gòu)示意圖。在跨變壓器STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)的電壓(電流)幅值及相位存在偏差,偏差值大小與變壓器聯(lián)結(jié)組型式及繞組電壓等級(jí)相關(guān)。3.2ip-icp電流檢測(cè)方法本文將改進(jìn)的ip-iq電流檢測(cè)方法用于跨變壓器STATCOM系統(tǒng)中,成功地解決了由于補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)位于不同位置而帶來(lái)的問(wèn)題。圖5所示為基于改進(jìn)ip-iq電流檢測(cè)法的跨變壓器STATCOM控制原理圖?？缱儔浩鱏TATCOM無(wú)功指令電流iqref通過(guò)第2節(jié)中所述的改進(jìn)的ip-iq電流檢測(cè)方法計(jì)算得到。STATCOM直流電容電壓控制環(huán)節(jié)為跨變壓器STATCOM提供有功指令電流ipref,具體控制方法為:將電容電壓反饋值udc與其指令值udcref相比較,差值經(jīng)過(guò)電壓環(huán)比例積分(PI)調(diào)節(jié),形成維持STATCOM直流電容電壓穩(wěn)定所需的有功電流,將其作為跨變壓器STATCOM的有功指令電流ipref。根據(jù)補(bǔ)償點(diǎn)電壓旋轉(zhuǎn)矢量方向?qū)pref與iqref進(jìn)行abc/pq反變換,反變換矩陣見(jiàn)式(10),反變換公式見(jiàn)式(12),得到STATCOM三相輸出電流指令值iaref,ibref,icref,將其與STATCOM輸出三相電流反饋值進(jìn)行比較,通過(guò)滯環(huán)控制器,得到控制STATCOM主電路開(kāi)關(guān)器件通斷的觸發(fā)脈沖,實(shí)現(xiàn)STATCOM輸出電流跟蹤其指令值的變化。4試驗(yàn)結(jié)果與分析為驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法的正確性,以及將其應(yīng)用于跨變壓器STATCOM系統(tǒng)中的補(bǔ)償效果,利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真,按照?qǐng)D5建立仿真模型,STATCOM裝置通過(guò)變壓器高壓側(cè)中部抽頭接入系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。仿真時(shí)間設(shè)為0.2s,在0.08s的時(shí)候,STATCOM模塊接入系統(tǒng),開(kāi)始進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,在0.14s的時(shí)候,變壓器低壓側(cè)負(fù)載由30kvar的感性無(wú)功突變?yōu)?0kvar的容性無(wú)功。圖6給出了部分仿真波形。由圖6可見(jiàn),在STATCOM裝置投入工作之前,負(fù)載所需的有功功率和無(wú)功功率全部由系統(tǒng)電源提供,電源電流滯后電壓約45°,功率因數(shù)為0.7;當(dāng)STATCOM裝置開(kāi)始工作后,在大約半個(gè)周波的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)即可達(dá)到穩(wěn)定,經(jīng)STATCOM補(bǔ)償后,電源電流與電壓同相位,功率因數(shù)提高到1.0。同時(shí),在負(fù)載由感性無(wú)功突變到容性無(wú)功的情況下,補(bǔ)償系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度,在大約半個(gè)周波內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定,過(guò)渡平滑,實(shí)現(xiàn)了對(duì)感性容性無(wú)功的完全補(bǔ)償。圖7為負(fù)載電流無(wú)功直流分量iqL與STATCOM輸出補(bǔ)償電流中無(wú)功直流分量iqT的波形,由圖7可見(jiàn),iqL與iqT只存在幅值的差異,不包含相位信息,因此,可以根據(jù)功率平衡原理,計(jì)算得到不同點(diǎn)電流直流分量的比值,據(jù)此對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行折算,即可得到當(dāng)STATCOM安裝于任意位置的時(shí)候,其所需提供的補(bǔ)償電流直流分量。這也正是本文所提出的改進(jìn)ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法的理論基礎(chǔ)。以上仿真結(jié)果顯示,本文所提出的基于瞬時(shí)功率平衡原理的STATCOM改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),該方法使得STATCOM安裝位置不受負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)的限制,有利于根據(jù)STATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電力電子器件的電壓等級(jí)與通流能力等多方面因素,合理選擇補(bǔ)償點(diǎn)的位置。5基于statcom的無(wú)功電流檢測(cè)本文提出了基于瞬時(shí)功率平衡原理的改進(jìn)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法,引入了負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)與STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)兩處的電壓相位信息,從而打破了傳統(tǒng)的ip-iq無(wú)功電流檢測(cè)方法僅適合于STATCOM補(bǔ)償點(diǎn)與負(fù)載電流檢測(cè)點(diǎn)位于同一