一种基于数字孪生的虚拟同步机与静止同步补偿器优化协调控制策略研究

当电网发生严重不平衡电压跌落时,虚拟同步机通常配置静止同步补偿器应对电压支撑不足、电流越限等问题。在实际应用中同步机和补偿器之间的协调控制严重依赖实时通信。因此,文章提出了一种基于数字孪生技术的虚拟同步机和静止同步补偿器的优化协调控制策略。首先,建立基于正负序电流控制结构,支撑新能源场站并网点的电压。其次,提出了改进的多目标协调控制策略,实现电压支撑、电流限制和有功功率输出等多个控制目标。再次,建立基于数字孪生的虚拟同步机与静止同步补偿器协调控制模型,应对现实中协调控制通信延时问题。最后,通过使用MATLAB仿真平台,验证了该方法的有效性。

低容值级联对称半桥型静止同步补偿器

级联H桥型的静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)具有模块化程度高、可靠性高、输出谐波特性好等优点,受限于直流电容电压波动要求,子模块需要采用大容值电容,阻碍了变流器的高功率密度化。为降低STATCOM的成本及体积,该文提出一种低容值的级联对称半桥型STATCOM,可较大程度减小子模块电容值及开关数量。通过分析低电容值条件下直流侧电容电压波动规律,揭示了直流侧电容值、电容电压波动大小与输出无功电流的关系,提出直流侧电容选取方法。为最大化利用直流电压,研究直流侧电压参考取值原则,实现对电压波动的峰、谷值控制,提出直流总电压控制及子模块电容电压均衡控制策略。分析了容性与感性无功模式下STATCOM的运行范围,揭示运行范围与电容电压波动上限的关系。最后,通过仿真与实验验证了电容值降低方法与控制策略的正确性及有效性。

配电网静止同步补偿器的主动电压支撑控制方法研究

配电网静止同步补偿器(Distribution grid static synchronous compensator,DSTATCOM)是改善电压偏移、无功等电能质量问题的有效手段。现有的DSTATCOM大多采用基于锁相环的电网同步控制技术,因锁相环带宽和电压控制的响应速度等原因,动态电压支撑能力较弱。针对此问题,提出DSTATCOM的主动电压支撑控制方法,采用功率同步控制取代锁相环实现电网同步,控制环路由外向内依次为直流电压环、功率环、交流电压环和电流环。根据电压偏移量的大小自主调节无功功率的参考值以支撑并网点电压稳定。采用了变积分系数的无功功率控制方法,能够实现快速的功率跟踪。Matlab/Simulink仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

基于虚拟同步补偿器的常规风电场“场站级”电压源型协同控制策略

为解决“双高”系统电压源缺失性及惯性和阻尼不够带来的电压稳定性问题,以构网变流器控制加储能技术为切入点,提出了风电场交流侧配备虚拟同步补偿器的解决方案。在直流侧配备储能,需要对整个风电场换代升级,经济性较差;在交流侧配备虚拟同步补偿器,虽升级简单,但采用独立控制策略,未从根本上解决新能源场站整体表现为电压源特性的问题。因此,提出了一个基于超级电容储能的虚拟同步补偿器协同控制方案,并充分考虑了超级电容储能容量的限制作用,该方案的有效性和可行性在MATLAB/Simulink仿真平台中进行了验证。结果表明:通过协同控制风电场与虚拟同步补偿超级电容的出力,能够在保证设备安全运行的前提下,整个风电场站表现出电压源特性,同时可为风电场提供阻尼支撑作用。可见,超级电容额定功率为15%的风机额定功率时,其协同控制效果即可实现最佳风电波动性抑制和阻尼性能。

静止同步补偿器在配电网的应用仿真

配电网电能质量问题日益严重,开发和研制能有效提高供电质量的补偿装置是电力系统研究领域的新热点。通过静止同步补偿器在配电网的应用仿真分析配电系统中静止同步补偿器(DSTATCOM)进行无功补偿的意义。通过对其工作原理的分析,用Matlab仿真软件对在配电网上应用STATCOM无功补偿进行仿真。得到了DSTATCOM随电源电压变化的动态响应波形图。DSTATCOM补偿器在配电系统中达到很好的动态补偿效果,推广应用的前景非常广阔。

链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制

针对链式静止同步补偿器中直流电容电压平衡的问题,在分层控制架构的基础上,提出基于有功电压矢量叠加的平衡控制方法。上层通过解耦控制完成三相链接总的有功和无功控制;下层采用所提出的平衡控制,在上层输出的控制量上叠加一个与输出电流方向平行的有功电压矢量对同相链节间的有功进行分配,实现直流电容电压平衡控制。对直流电容电压平衡控制进行矢量分析,得到其稳定工作区域以及所提控制方法的物理意义和调控范围。研制了一台三相36个链节的物理样机,并在样机上进行了实验验证,证明了所提控制方法的有效性和可行性。

基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制

结合 50MVA 静止同步补偿器的研制,建立了基于链式逆变器的 STATCOM 直流电容电压稳态数学模型,揭示了电容电压不平衡现象产生的机理,分析了控制直流电压平衡的手段,提出了一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法。分析了基于交流电源母线能量交换的直流电容电压平衡控制方法的原理,提出了最大(或最小)电容电压跟踪的平衡控制方法,并在 50MVA STATCOM 的PSCAD 模型上进行了仿真研究及在±18kvar 物理模拟装置上进行了实验。仿真结果及实验结果验证了稳态模型以及所提控制方法的正确性和可行性。

系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究

针对三角形连接的链式静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)系统电压不平衡下的控制问题,提出分相瞬时电流控制策略,在此基础上研究了链式STATCOM在不平衡电压下的补偿模式,提出无功补偿和电压控制2种改进型补偿模式,并设计了其离散化电流环控制器。通过分相瞬时电流控制能够维持链式STATCOM在不平衡电压下的正常工作,2种改进型补偿模式使链式STATCOM能够有效的对不平衡系统进行补偿,仿真验证了所提控制策略及补偿模式。研制了一台三相36个链节的物理样机,并在样机上进行实验,证明了所提方法的正确性和有效性。

基于静止同步补偿器的风电场无功电压控制策略

双馈感应风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)的无功输出随着有功功率的变动而存在波动性,并且在有功输出处于一定范围时需要吸收无功功率。对此,在分析其P-Q关系的基础上,引入静止同步补偿器,提出抑制无功功率波动、保证风电有功输出的无功控制策略,并据此建立了无功实时控制系统。该控制系统具有运行方式灵活、无功响应快速等特点,可扩大风电场的无功运行范围,提升调节品质,提高并网点与电网的电压水平,有效地解决DFIG无功输出存在波动性及一定条件下吸收无功的不足。实际算例仿真表明,所提控制策略是可行、有效的。

基于静止同步补偿器的主动配电网分区电压控制

主动配电网(active distribution network,ADN)中分布式电源(distributed generation,DG)的规模化接入与应用使得电压控制面临更加严峻的挑战。针对ADN提出一种基于电压控制设备响应速度的分层、分阶段电压协调控制框架,重点研究分区电压控制层中静止同步补偿器(distributed static synchronous compensator,DSTATCOM)和DG协调配合的两阶段分区电压控制策略(two-stage zonal-voltage control,TSZVC):在第1阶段,DSTATCOM采取考虑区内相邻线路潮流的电压控制策略,DG不参与电压控制;在第2阶段,DSTATCOM和DG进行平滑无功转移,确保DSTATCOM维持一定的无功容量可再次投入电压补偿。Simulink仿真表明,TSZVC综合优化了ADN中区域各公共连接点的电压水平,有效避免了传统配电网电压控制缺乏管理引起的调压设备和调压控制策略相互干扰影响的问题。

配电静止同步补偿器的补偿电流检测方法

配电静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator,DSTATCOM)用于负荷补偿时,补偿电流指令信号的检测环节对其补偿性能有着重要的影响。该文提出了一种基于同步旋转坐标变换的谐波、无功和负序电流综合检测方法。该方法利用电网电压中的一相电压构造虚拟的对称三相系统,然后以对称三相电压形成的合成矢量作为同步旋转坐标系中的d轴,将负荷电流矢量投影到电网电压矢量上,通过低通滤波器后便可得到要检测的补偿电流指令信号。与传统的同步旋转坐标变换法相比较,该方法计算简单,且在电网电压不对称条件下,仍能很好地检测出负荷电流中的谐波、无功和负序分量,满足DSTATCOM负荷补偿的要求。同时还根据功率平衡准则对文中所提检测方法的原理进行了简单的分析。理论分析和仿真结果证明了该文所提检测方法的正确性和有效性。

补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究

将静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)经电感电容(inductor-capacitor,LC)滤波器滤波后并入电网来调整和平衡配电网电压,通过对电网电压不平衡条件下STATCOM的负序等效电路分析,提出一种新的正、负序电压双环叠加控制策略。正序电压控制环控制公共连接点电压为给定值,负序电压控制环实现公共连接点电压三相对称控制。新控制策略基于瞬时功率平衡思想,采用神经元自适应算法来整定比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制参数,具有成本低、鲁棒性好等特点,可在电网电压不平衡时有效地调节和平衡配电网电压。仿真和实验结果表明该方法的有效性。

配电静止同步补偿器的模糊自适应PI控制策略

研究配电静止同步补偿器(D-STATCOM)用于补偿电压的模糊自适应PI控制策略。分析了d-q坐标系中D-STATCOM数学模型的特点,指出传统的PI控制很难满足D-STATCOM控制系统的要求。对传统的电压外环/电流内环双闭环控制策略进行了剖析。针对该控制策略中PI调节器参数难以整定且控制器缺乏自适应性的不足,本文引入了基于瞬时功率平衡的直接电压控制策略和模糊自适应PI控制策略。仿真和实验结果表明,本文提出的控制策略算法简单、性能优良、实用性强,满足D-STATCOM电压控制要求,具有较强的工程应用前景。

基于集成门极换向晶闸管与链式逆变器的±50Mvar静止同步补偿器

基于集成门极换向晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)和链式逆变器的±50Mvar静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)已研制完成并投入工业运行。文中给出了±50Mvar STATCOM的主电路构成及主要参数、150Hz优化脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控制策略、直流电压平衡控制策略及自平衡反馈线性化无功控制策略,并给出了现场的试验结果。试验结果表明±50Mvar STATCOM装置的各项性能指标都达到了预期目标。

静止同步补偿器的双环控制系统设计

静止同步补偿器(STATCOM)的主要功能是支撑节点电压,同时直流侧电容电压稳定也是STATCOM装置安全运行的保证。介绍了STATCOM装置的数学模型和运行原理,提出了一种新的控制策略。采用电流前馈环节加比例积分(PI)调节系统控制直流电容电压,节点电压控制采用PI调节和一定的下垂比例因子组成的自动电压调整控制策略。详细探讨了控制系统的设计方法和过程。仿真以及7.5kV.A物理模型的实验结果表明,能够快速有效地将节点电压控制在允许的范围内波动,直流电容电压得到有效控制,证明了控制系统的正确性和控制器设计的有效性。

链式静止同步补偿器动态模型建模方法

链式结构静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)装置具有可分相控制、易于实现模块化设计、可靠性高、谐波特性好、无需多重化变压器、无需器件串联等显著优点,可改善系统暂态稳定,提高系统动态性能,改善用户电能质量,受到普遍重视。链式结构STATCOM的数学模型是研究相应控制策略及装置特性的基础。从单相H桥链节模型入手,研究单相链式STATCOM的动态模型建模方法,分别建立开关周期平均模型和小信号交流模型。通过仿真验证了所建模型的合理性,为装置级控制策略的研究奠定了理论基础。

三相电压源型逆变器级联的静止同步补偿器

提出一种三相电压源型逆变器级联的静止同步补偿器。该补偿器主电路由具有独立直流侧电容的三相电压源型逆变器通过单相耦合变压器级联而成,耦合变压器的容量为补偿器容量的1/3,具有逆变器中开关器件的开关应力小、直流侧电容电压波动小、补偿电流的波形品质好等优点。采用移相脉宽调制技术可以在不改变输出电压品质的情况下降低逆变器的开关频率,将输出电压的谐波主频带推至3倍开关频率附近,采用d-q解耦控制可提高补偿器的响应速度。考虑到补偿器中各逆变器可能存在参数不一致的问题,对各逆变器的直流侧进行电压平衡控制,仿真实验证明了该补偿器及其控制方法的正确性和有效性。

静止同步补偿器的分相不对称控制

研究了在系统不对称情况下基于多重化结构的静止同步补偿器 (STATCOM )的分相不对称控制 ,详细分析了δ θ分相控制算法及其控制效果 ,并在此基础上提出了δ控制方法。通过对 2种控制算法在谐波产生、最大负序补偿度等方面的分析表明 ,δ分相控制的总体控制效果优于δ θ控制。仿真结果验证了理论分析的正确性。

配电网静止同步补偿器新型双闭环控制策略

配电静止同步补偿器在配电网中能有效的解决电压跌落等动态电压质量问题。针对dq0坐标系下DSTATCOM系统数学模型强耦合、非线性的特点,提出一种模糊比例积分(PI)控制和最优跟踪控制相结合的DSTATCOM电压控制策略。在该控制策略中,电压外环采用模糊自适应PI控制,克服了传统固定增益PI调节器参数难以整定、自适应性差的缺陷。电压外环的输出作为电流内环的指令信号。电流内环采用基于最优跟踪控制的多变量控制器设计方法,避免了有功/无功电流的耦合作用给控制器设计带来的困难。仿真和实验结果表明,所提的DSTATCOM电压控制策略性能优良、结构简单、容易实现,满足DSTATCOM电压控制的要求。

基于静止同步补偿器与直流调制协调控制的低频振荡抑制方法

为实现交直流互联系统低频振荡的有效抑制,提出一种基于滑模变结构控制理论的直流调制与静止同步补偿器(STATCOM)统一阻尼协调控制策略。首先建立包含高压直流(HVDC)与STATCOM的交直流系统惯性中心模型,整体考虑互联系统阻尼,并引入滑模控制理论设计统一阻尼控制策略;其次将直流调制和STATCOM附加控制对STATCOM电压控制回路的相对增益、惯性转速差作为目标函数,协调优化分配HVDC与STATCOM参与阻尼控制的权重,实现在抑制系统阻尼效果最佳的同时使系统电压保持稳定。最后,利用PSCAD建立四机两区域仿真模型,证明了该控制策略的正确性及有效性。