一種利用冗余電壓矢量實現中壓級聯STATCOM容錯控制的方法技術

本發明專利技術涉及一種中壓級聯STATCOM故障容錯控制方法，利用級聯逆變器的冗余電壓矢量實現容錯控制。當級聯STATCOM的某些級聯單元發生故障時，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。此時利用級聯逆變器冗余電壓矢量多，且位置經常重合的特性，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，節約成本，并可以推廣至任意階級聯STATCOM中去。在N+1冗余方式中，當故障單元數大于冗余單元數時該方法亦可應用。

【技術實現步驟摘要】
一種利用冗余電壓矢量實現中壓級聯STATCOM容錯控制的方法
本專利技術涉及無功補償
，尤其涉及一種利用冗余電壓矢量實現中壓級聯STATCOM容錯控制的方法。
技術介紹
H橋級聯逆變器具有容量大、等效開關頻率低、結構靈活、更換方便等優點，非常適合應用于中壓大功率領域。1996年，美國田納西大學的F.Z.Peng等人提出將H橋級聯逆變器應用于STATCOM中。但由于級聯逆變器中的開關器件較多，相比于傳統的兩電平逆變器，級聯逆變器的故障幾率會大很多。由于各級聯H橋單元為串聯，當任意一個級聯單元發生故障時，如果不采取措施，將使得該故障單元所在相無法繼續工作，會對電網造成很大沖擊。因此，如何提高級聯STATCOM系統的故障容錯能力就很自然的擺在我們面前。目前，級聯式逆變器的容錯控制技術主要有以下3種：(1)短接故障的單元，并將另外兩相中與故障單元相對應的非故障單元短接，保證三相輸出電壓的對稱。但是此方法屬于降容量運行，部分非故障級聯單元的容量沒能得到充分利用，存在資源的浪費。(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制波的控制系統，不適合電壓矢量法。(3)充分利用系統的冗余資源，代替因故障而無法使用的開關狀態或級聯單元；冗余可分為系統冗余、單元冗余和開關狀態冗余3種。①系統冗余是增加一個與原系統完全一致并聯冗余結構，該法不適合級聯結構，否則會造成資源的嚴重浪費。②單元冗余即在原有N單元串聯的基礎上，每相再增加一個或兩個備用單元，常用的是N+1冗余；一旦某些級聯單元發生故障，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，由于裝置絕大多數情況下工作于非故障狀態，因此該方法會造成冗余單元容量的浪費。③開關狀態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狀態（即冗余電壓矢量）代替故障開關狀態，從而實現容錯控制，此方法最經濟實惠；本專利技術涉及的容錯控制方法就是利用冗余開關狀態來實現容錯控制。目前，在級聯STATCOM領域容錯控制技術的研究也有了一定進展，WenchaoSong和AlexQHuang在標題為ControlStrategyforFault-TolerantCascadedMultilevelConverterbasedSTATCOM（APEC2007-22ndAnnualIEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition2007:1073-1076.）的文章中提出一種基于N+1冗余方式的級聯STATCOM容錯控制方法。N+1冗余方式在級聯STATCOM中已經得到了實際應用。經查閱國內外文獻，尚未發現“利用冗余電壓矢量實現級聯STATCOM容錯控制”的研究出現。
技術實現思路
(一)要解決的技術問題為了提高級聯STATCOM系統的故障容錯能力，并盡可能的降低硬件成本，本專利技術提出了一種級聯STATCOM故障容錯控制方法，充分利用級聯逆變器的冗余電壓矢量實現容錯控制。(二)技術方案為了達到上述目的，本專利技術涉及方法包括如下步驟：(1)當級聯STATCOM的某些級聯單元發生故障時，迅速將故障單元短接，并向上位機發送故障信號，以便確定故障位置等信息，進行相應的容錯控制；(2)系統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STATCOM輸出電流參考值ic*；(3)為了使級聯STATCOM輸出電流能夠實時準確的跟蹤參考值，首先利用電流滯環確定輸出電流實際值ic與參考值ic*之間的誤差△i；當△i大于h時，說明電流跟蹤誤差較大，此時應用電平圓整法逐步篩選出最優的電壓矢量Uk，使得電流誤差△i降到滯環寬度h以內；當電流誤差△i沒有超出滯環寬度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，即用級聯逆變器的非故障開關狀態代替因故障而無法使用的開關狀態；優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，以級聯逆變器a相中有m（0＜m＜N）個級聯單元發生故障為例；當Uk=（x,y,z）位于電壓矢量圖中最外側的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Ⅰ或Ⅵ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；即首選電壓矢量（x-1,y,z），如果（x-1,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Ⅱ或Ⅴ時，不受a相故障影響；級聯階數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；當Uk=（x,y,z）位于六邊形j（1≤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Ⅰ或Ⅵ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個級聯單元發生故障時的電壓矢量替換方法。該方法亦可應用于采用N+1冗余方式的級聯STATCOM系統中，當某相故障單元數較多，且故障單元數超過冗余單元數時，系統的冗余單元不足以彌補故障單元。可以采用上述步驟（5）方法進行容錯控制，保證系統的正常工作。(三)有益效果本專利技術提出的級聯STATCOM故障容錯控制方法，解決了級聯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。本專利技術還可以直接應用于基于N+1冗余方式的級聯STATCOM系統中，具有廣闊的市場空間。附圖說明圖1為N階級聯STATCOM拓撲結構圖。圖2為級聯STATCOM級聯單元拓撲機構圖及均衡輔助嵌位電路。圖3為2階級聯STATCOM對應的五電平電壓矢量分布圖。圖4為a相中有1個級聯單元生故障時的電壓矢量分布圖。具體實施方式下面結合說明書附圖對本專利技術做詳細描述。(一)硬件電路方案本專利技術涉及的級聯STATCOM系統主電路如圖1所示。開關器件選擇了IGBT，額定電壓為1700V，STATCOM輸出端采用LCL濾波。每相串聯階數N需要根據應用場合確定。以6KV電網為例，IGBT額定電壓保留2-3倍安全裕度，每相串聯的級聯單元階數N為8，同理可計算其它中壓電網對應的階數本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用冗余電壓矢量實現中壓級聯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STATCOM的某些級聯單元發生故障時，首先迅速短接該故障單元，并向上位機發送故障代碼，以便進行相應的容錯控制；?????????(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STATCOM輸出電流參考值ic*；?????????(3)為了保證級聯STATCOM輸出電流能夠實時準確的跟蹤參考值，首先利用電流滯環確定輸出電流實際值ic與參考值ic*之間的誤差△i；當電流誤差△i大于電流滯環寬度h時，應用電平圓整法逐步篩選出最優的電壓矢量Uk，來降低電流跟蹤誤差；當電流誤差△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，以級聯逆變器a相中有m（0＜m＜N）個級聯單元發生故障為例；????????????????????????????????????????????????????????當Uk=（x,y,z）位于電壓矢量圖中最外側的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Ⅰ或Ⅵ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Ⅱ或Ⅴ時，不受a相故障影響；????????當Uk=（x,y,z）位于六邊形j（1≤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Ⅰ或Ⅵ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個級聯單元發生故障時的電壓矢量替換方法。817879dest_path_image001.jpg,43324dest_path_image002.jpg...

【技術特征摘要】
1.一種利用冗余電壓矢量實現中壓級聯STATCOM容錯控制的方法，其特征在于，所述控制的方法的步驟包括：(1)當級聯STATCOM的某些級聯單元發生故障時，首先迅速短接該故障單元，并向上位機發送故障代碼，以便進行相應的容錯控制；(2)利用瞬時無功功率理論對無功電流進行實時檢測，當需要同時進行諧波補償時，還需對各次諧波分量進行實時檢測，從而得到級聯STATCOM輸出的電流參考值矢量ic*；(3)為了保證級聯STATCOM輸出的電流實際值矢量ic能夠實時準確的跟蹤電流參考值矢量ic*，首先利用電流滯環確定電流實際值矢量ic與電流參考值矢量ic*之間的誤差矢量△i；當誤差矢量模|△i|大于電流滯環寬度h時，應用電平圓整法逐步篩選出最優電壓矢量Uk，來降低電流跟蹤誤差；當誤差矢量模|△i|小于或等于電流滯環寬度h時，保持上一采樣周期選擇的電壓矢量不變；(4)當步驟(3)最終確定的最優電壓矢量Uk為非故障矢量時，則計算結束，最優電壓矢量Uk為最終選定的電壓矢量；(5)若最優電壓矢量Uk為故障矢量，則選擇其它非故障電壓矢量進行替代，首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替代最優電壓矢量Uk，具體替代方法如下：在N階級聯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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：遼寧工程技術大學，河南大有能源股份有限公司，葫蘆島利能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：