CN100561825C - 基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法，由正序控制环和负序控制环构成，根据瞬时功率平衡式推导出d-q正序及负序坐标系中电流-电压的转换公式，从而得到正序电压调制信号和负序电压调制信号，最后将正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为DSTATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制智能功率模块IPM的动作产生需要的补偿电压。通过采用所述控制方法，实现了公共连接点电压三相不平衡控制；且由于是根据瞬时功率平衡式推导出d-q正序及负序坐标系中电流-电压的转换，从而避免了传统电流控制方法中复杂的数学运算，进而降低了成本。

Description

基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法

技术领域

本发明涉及一种配电静止同步补偿器控制方法，特别涉及一种基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器(DSTATCOM)正负序双环叠加控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，配电网中整流器、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的冲击性和不平衡性的用电特性，引起了配电网的电压波动、闪变和三相不平衡等一系列电能质量问题。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感，对电能质量的要求也越来越高。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会给企业、社会带来巨大的经济损失。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。解决电能质量问题的有效途径是在电网中安装无功补偿装置。配电静止同步补偿器(DSTATCOM)代表了未来电力系统无功补偿装置的发展趋势，同时也是一种重要的“用户电力技术”设备，能综合的解决配电网中的多种电能质量问题。在中低压配电系统中，配电静止同步补偿器通常采用基于VSI-SPWM结构的电路拓扑。一般在设计DSTATCOM电压控制器时都假设电网电压是三相对称的，在这种条件下设计出的控制器在电网电压平衡时有良好的性能。然而，实际电网中不平衡情况普遍存在，当电网电压不对称时基于对称假设的控制器性能会变差，更严重的情况还会烧坏DSTATCOM装置。DSTATCOM的不平衡控制可以提高DSTATCOM在电网电压不对称条件下的生存能力，具有重要意义。

发明内容

为克服配电网电压不平衡给设计DSTATCOM控制器带来的影响，本发明提供一种实现简单、成本低、具有良好的动态和静态性能的基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：所述基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法分别进行正序控制和负序控制，根据瞬时功率平衡式推导出d-q正序及负序坐标系中电流-电压的转换公式，从而得到正序电压调制信号和负序电压调制信号，最后将正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为DSTATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制智能功率模块IPM的动作产生需要的补偿电压，其中正序控制中，公共连接点PCC电压指令值U_pcc ^*、直流侧电容电压指令值U_dc ^*分别与实际测量值的误差经增量式PI调节后分别形成正序无功指令电流信号i_q ^*+和正序有功指令电流信号i_d ^*+；正序无功指令电流信号i_q ^*+及正序有功指令电流信号i_d ^*+经正序电流-电压转换后，得到正序无功指令电压信号e_q ^*+及正序有功指令电压信号e_d ^*+；e_q ^*+，e_d ^*+经dq+/abc变换后得到正序电压调制信号；负序控制方法中，公共连接点PCC电压经过abc/dq-变换，然后用二次谐波滤除法提取PCC电压的负序分量，PCC电压的负序分量跟指令信号0的误差经PI调节后，形成DSTATCOM逆变器输出负序无功指令电流指令信号i_q ^*-和负序有功指令电流信号i_d ^*-；i_q ^*-，i_d ^*-经负序电流-电压转换后，得到负序无功指令电压信号e_q ^*-和负序有功指令电压信号e_d ^*-，再经dq-/abc变换后得到负序电压调制信号。

本发明把DSTATCOM经LC滤波器滤波后并入电网来调整和平衡配电网电压。其中配电静止同步补偿器DSTATCOM的主电路拓扑采用基于VSI-SPWM的结构，经LC滤波器滤波后再通过耦合变压器并入配电网。通过对配电网电压不平衡条件下DSTATCOM的负序等效电路分析，提出了一种新的基于瞬时功率平衡的正、负序双环叠加控制方法。所述双环是指正序电压控制环及负序电压控制环。其中正序电压控制环用来控制公共连接点电压为给定值，负序电压控制环用来实现公共连接点电压三相不对称控制。

本发明所述基于瞬时功率平衡的DSTATCOM正负序双环叠加控制方法，维持了直流侧电容电压和PCC电压恒定，并且实现了公共连接点电压三相不平衡控制；该控制方法根据瞬时功率平衡式推导出d-q正序及负序坐标系中电流-电压的转换，从而避免了传统电流控制方法中复杂的数学运算，并且不需要电流传感器，进而降低了成本。基于该控制方法的DSTATCOM装置可以有效抑制配电网的电压波动及闪变，补偿配电网三相电压不平衡，可以有效改善配电网的电能质量，具有良好的经济及社会效益。

附图说明

图1是本发明的主电路原理图；

图2是本发明所述控制方法原理图；

图3是本发明的负序等效电路；

图4是本发明的负序电流分量指令信号流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的工作原理进行详细描述：

如图1所示，本发明将基于VSI-SPWM结构的DSTATCOM经LC滤波器滤波后再通过耦合变压器并入电网来调整和平衡配电网电压。DSTATCOM的主电路由三相电压型逆变器组成。功率开关器件采用绝缘栅双极晶体管IGBT，直流侧储能元件为电容器C，为逆变器的工作提供直流电压支撑。为了滤除功率开关器件引起的高频毛刺，在DSTATCOM的输出电路中采用了LC滤波电路。DSTATCOM与电网的连接采用耦合变压器，变压器的变比为1∶2。本发明采用基于瞬时功率平衡的正、负序双环叠加控制方法来调整和平衡配电网电压。

如图2所示，本发明包括基于瞬时功率平衡的正序电压控制环及负序电压控制环。其中，正序电压控制环用来调整公共连接点电压及直流侧电容电压稳定在给定值附近；负序电压控制环用来实现配电网电压三相不平衡控制。

在图2的正序电压控制环中，由瞬时功率平衡思想可以推导出正序d-q坐标系下电流-电压的转换。公共连接点PCC电压指令值U_pcc ^*与实际测量值的误差经增量式PI调节后形成正序无功指令电流信号i_q ^*+；直流侧电容电压指令值U_dc ^*与实际测量值的误差经PI调节后形成正序有功指令电流信号i_d ^*+；正序无功指令电流信号i_q ^*+及正序有功指令电流信号i_d ^*+经正序电流-电压转换后，得到正序无功指令电压信号e_q ^*+及正序有功指令电压信号e_d ^*+。e_q ^*+，e_d ^*+经dq+/abc变换后得到正序电压调制信号。

在图2的负序电压控制环中，通过建立配电网电压不平衡情况下DSTATCOM的负序等效电路，再由瞬时功率平衡思想可以推导出负序d-q坐标系中电流-电压的转换。公共连接点PCC电压经过abc/dq-变换，然后用二次谐波滤除法提取PCC电压的负序分量，PCC电压的负序分量跟指令信号0的误差经PI调节后，形成DSTATCOM逆变器输出电流负序分量的指令信号i_q ^*-，i_d ^*-；i_q ^*-，i_d ^*-经负序电流-电压转换后，得到e_q ^*-，e_d ^*-，再经dq-/abc变换后得到负序电压调制信号。

在图2的负序电压控制环中，负序电流-电压转换的推导过程如下：补偿电网电压中的负序分量时，DSTATCOM必须发出满足要求的负序电流。此时，DSTATCOM的输出电压和输出电流中不仅含有正序分量还含有负序分量。利用对称分量法建立起不平衡补偿时DSTATCOM的负序等效电路如图3所示。

图3中，u_a，b，c ^-为PCC电压的负序分量，e^*- _a，b，c为DSTATCOM输出电压的负序分量，i^*- _a，b，c为DSTATCOM输出电流的负序分量。

对于如图3所示的负序等效电路，DSTATCOM逆变器的输出瞬时功率为：

${P^{*}}_e^{-}=\frac{3}{2}({e^{*}}_d^{-}{i^{*}}_d^{-}+{e^{*}}_q^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(1\right)$

${Q^{*}}_e^{-}=\frac{3}{2}({e^{*}}_q^{-}{i^{*}}_d^{-}-{e^{*}}_d^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(2\right)$

连接电抗器等效阻抗消耗的瞬时功率为

${P^{*}}_f^{-}=\frac{3}{2}{i}^{{*}^{{-}^2}},R_f=\frac{3}{2}({{i^{*}}_d^{-}}^2+{{i^{*}}_q^{-}}^2)R_f---\left(3\right)$

${Q^{*}}_f^{-}=-\frac{3}{2}{i}^{{*}^{{-}^2}},{\mathrm{\ωL}}_f=-\frac{3}{2}({{i^{*}}_d^{-}}^2+{{i^{*}}_q^{-}}^2)\mathrm{\ω}{L}_f---\left(4\right)$

公共连接点的负序瞬时功率为：

${P^{*}}_o^{-}=\frac{3}{2}(u_q^{-}{i^{*}}_q^{-}+u_d^{-}{i^{*}}_d^{-})---\left(5\right)$

${Q^{*}}_o^{-}=\frac{3}{2}(u_q^{-}{i^{*}}_d^{-}-u_d^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(6\right)$

对于负序系统，由瞬时功率平衡原理可得：

${P^{*}}_e^{-}={P^{*}}_f^{-}+{P^{*}}_o^{-}---\left(7\right)$

${Q^{*}}_e^{-}={Q^{*}}_f^{-}+{Q^{*}}_o^{-}---\left(8\right)$

为使PCC电压由不平衡变为平衡，需要投入DSTATCOM进行不平衡补偿。关键步骤之一就是求出DSTATCOM需要发出的满足要求的负序电流。

PCC电压不平衡时， $u_{a,b,c}^{-}\≠0,$ 即 $u_{d,q}^{-}\≠0$ (u_d，q ^-为u_a，b，c ^-在d-q负序坐标系下的分量)。不平衡控制的目的是使PCC负序电压变为0。欲使u_a，b，c ^-为0，需使 $u_d^{-}=u_q^{-}=0;$ 欲使 $u_d^{-}=u_q^{-}=0,$ 可将u_d ^-与u_q ^-分别与其预期目标0作差值再通过PI调节，这样就得到了补偿PCC电压不平衡时DSTATCOM需要输出的负序电流分量的指令信号i^* _d ^-、i^* _q ^-(如图4所示)，即

$({{i^{*}}_d}^{-},{{i^{*}}_q}^{-})\⇔u_d^{-}=u_q^{-}=0---\left(9\right)$

关键步骤之二是求出d-q负序坐标系中电流i^* _d ^-、i^* _q ^-到电压e^* _d ^-、e^* _q ^-的转换式。

(i^* _d ^-，i^* _q ^-)与(e^* _d ^-，e^* _q ^-)是一种一一对应的映射关系：

$({e^{*}}_d^{-},{e^{*}}_q^{-})=f({i^{*}}_d^{-},{i^{*}}_q^{-})---\left(10\right)$

由式(9)，(10)可得：

$({e^{*}}_d^{-},{e^{*}}_q^{-})\⇔({i^{*}}_d^{-},{i^{*}}_q^{-})\⇔u_d^{-}=u_q^{-}=0---\left(11\right)$

联立(1)-(8)及式(11)可得

$\left[\begin{array}{c}{e^{*}}_d^{-}\\ {e^{*}}_q^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_f& \mathrm{\ω}{L}_f\\ -\mathrm{\ω}{L}_f& R_f\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i^{*}}_d^{-}\\ {i^{*}}_q^{-}\end{array}\right]---\left(12\right)$

式(12)实现了补偿PCC电压不平衡时，在d-q负序坐标系中电流i^* _d ^-、i^* _q ^-到电压e^* _d ^-、e^* _q ^-的转换。以i^* _d ^-、i^* _q ^-作为指令电流，那么e^* _d ^-、e^* _q ^-就是DSTATCOM的负序控制环电压控制指令。

另外，根据瞬时功率平衡式得到d-q正序坐标系中电流-电压转换公式的推导过程为：

对于正序系统，根据功率平衡原理，逆变器输出的功率应等于注入系统的功率和输出滤波器及连接电抗等效电阻、电抗消耗的功率之和，即：

P_e＝P_o+P_f            (13)

Q_e＝Q_o+Q_f            (14)

逆变器输出的功率为：

$P_e=\frac{3}{2}(e_d{i}_d+e_q{i}_q)---\left(15\right)$

$Q_e=\frac{3}{2}(e_q{i}_d-e_d{i}_q)---\left(16\right)$

注入系统的功率为：

$P_o=\frac{3}{2}(u_d{i}_d+u_q{i}_q)---\left(17\right)$

$Q_o=\frac{3}{2}(u_q{i}_d-u_d{i}_q)---\left(18\right)$

输出滤波器及连接电抗消耗的功率：

$P_f=\frac{3}{2}{i}^2{R}_f=\frac{3}{2}({i^2}_d+{i^2}_q)R_f---\left(19\right)$

$Q_f=\frac{3}{2}{i}^2\mathrm{\ω}{L}_f=\frac{3}{2}({i^2}_d+{i^2}_q){\mathrm{\ωL}}_f---\left(20\right)$

联立(13)-(20)式，选择同步旋转坐标系的d轴与接入点(PCC)电压矢量重合，可得：

e_d＝i_dR_f-i_qωL_f+u                (21)

e_q＝i_qR_f+i_dωL_f            (22)

式子(21)、(22)实现了d-q正序坐标系中电流i_d、i_q到电压e_d、e_q的转换。

正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为DSTATCOM输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制智能功率模块(IPM)的动作产生需要的补偿电压，从而维持了直流侧电容电压和PCC电压恒定，并且用来实现公共连接点电压三相不平衡控制。

Claims (3)

1、一种基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法，其特征在于，所述控制方法由正序控制环和负序控制环构成，根据瞬时功率平衡式推导出d-q正序及负序坐标系中电流-电压的转换公式，从而得到正序电压调制信号和负序电压调制信号，最后将正序电压调制信号和负序电压调制信号相叠加后作为配电静止同步补偿器的输出电压调制信号，经三角载波调制后产生PWM驱动信号去控制智能功率模块IPM的动作产生需要的补偿电压，其中正序控制得到正序电压调制信号的步骤包括：公共连接点PCC电压指令值U_pcc ^*、直流侧电容电压指令值U_dc ^*分别与实际测量值的误差经增量式PI调节后分别形成正序无功指令电流信号i_q ^*+和正序有功指令电流信号i_d ^*+；正序无功指令电流信号i_q ^*+及正序有功指令电流信号i_d ^*+经正序电流-电压转换后，得到正序无功指令电压信号e_q ^*+及正序有功指令电压信号e_d ^*+；e_q ^*+，e_d ^*+经dq+/abc变换后得到正序电压调制信号；其中负序控制得到负序电压调制信号的步骤包括：公共连接点PCC电压经过

变换，然后用二次谐波滤除法提取PCC电压的负序分量，PCC电压的负序分量跟指令信号0的误差经PI调节后，形成配电静止同步补偿器的逆变器输出负序无功指令电流指令信号i_q ^*-和负序有功指令电流信号i_d ^*-；i_q ^*-，i_d ^*-经负序电流-电压转换后，得到负序无功指令电压信号e_q ^*-和负序有功指令电压信号e_d ^*-，再经dq-/abc变换后得到负序电压调制信号；dq+/abc变换指的是正序dq反变换，

变换指的是负序dq变换，dq-/abc变换指负序dq逆变换。

2、根据权利要求1所述基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法，其特征在于，所述负序电流-电压转换的过程如下：

1)首先利用对称分量法建立起不平衡补偿时配电静止同步补偿器的负序等效电路；

配电静止同步补偿器的逆变器的输出瞬时功率为：

${P^{*}}_e^{-}=\frac{3}{2}({e^{*}}_d^{-}{i^{*}}_d^{-}+{e^{*}}_q^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(1\right)$

${Q^{*}}_e^{-}=\frac{3}{2}({e^{*}}_q^{-}{i^{*}}_d^{-}-{e^{*}}_d^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(2\right)$

连接电抗器等效阻抗消耗的瞬时功率为

${P^{*}}_f^{-}=\frac{3}{2}{i^{*-}}^2{R}_f=\frac{3}{2}({{i^{*}}_d^{-}}^2+{{i^{*}}_q^{-}}^2)R_f---\left(3\right)$

${Q^{*}}_f^{-}=-\frac{3}{2}{i^{*-}}^2\mathrm{\ω}{L}_f=-\frac{3}{2}({{i^{*}}_d^{-}}^2+{{i^{*}}_q^{-}}^2)\mathrm{\ω}{L}_f---\left(4\right)$

公共连接点的负序瞬时功率为：

${P^{*}}_o^{-}=\frac{3}{2}(u_q^{-}{i^{*}}_q^{-}+u_d^{-}{i^{*}}_d^{-})---\left(5\right)$

${Q^{*}}_o^{-}=\frac{3}{2}(u_q^{-}{i^{*}}_d^{-}-u_d^{-}{i^{*}}_q^{-})---\left(6\right)$

对于负序系统，由瞬时功率平衡原理可得：

${P^{*}}_e^{-}={P^{*}}_f^{-}+{P^{*}}_o^{-}---\left(7\right)$

${Q^{*}}_e^{-}={Q^{*}}_f^{-}+{Q^{*}}_o^{-}---\left(8\right)$

PCC电压不平衡时， $u_{a,b,c}^{-}\≠0,$ 即 $u_{d,q}^{-}\≠0,$ 其中u_a，b，c ^-为公共连接点PCC电压的负序分量，u_d，q ^-为u_a，b，c ^-在d-q负序坐标系下的分量；欲使 $u_d^{-}=u_q^{-}=0,$ 将u_d ^-与u_q ^-分别与其预期目标0作差值再通过PI调节，得到补偿PCC电压不平衡时配电静止同步补偿器需要输出的负序电流分量的指令信号i^* _d ^-、i^* _q ^-，即

$({{i^{*}}_d}^{-},{{i^{*}}_q}^{-})\⇔u_d^{-}=u_q^{-}=0---\left(9\right)$

2)求出d-q负序坐标系中电流i^* _d ^-、i^* _q ^-到电压e^* _d ^-、e^* _q ^-的转换式：(i^* _d ^-，i^* _q ^-)与(e^* _d ^-，e^* _q ^-)是一种一一对应的映射关系：

$({e^{*}}_d^{-},{e^{*}}_q^{-})=f({i^{*}}_d^{-},{i^{*}}_q^{-})---\left(10\right)$

由式(9)，(10)可得：

$({e^{*}}_d^{-},{e^{*}}_q^{-})\⇔({i^{*}}_d^{-},{i^{*}}_q^{-})\⇔u_d^{-}=u_q^{-}=0---\left(11\right)$

联立(1)-(8)及式(11)可得

$\left[\begin{array}{c}{e^{*}}_d^{-}\\ {e^{*}}_q^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_f& {\mathrm{\ωL}}_f\\ -{\mathrm{\ωL}}_f& R_f\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i^{*}}_d^{-}\\ {i^{*}}_q^{-}\end{array}\right]---\left(12\right)$

式(12)实现了补偿PCC电压不平衡时，在d-q负序坐标系中电流i^* _d ^-、i^* _q ^-到电压e^* _d ^-、e^* _q ^-的转换，以i^* _d ^-、i^* _q ^-作为指令电流，那么e^* _d ^-、e^* _q ^-就是配电静止同步补偿器的负序控制环电压控制指令。

3、根据权利要求1所述基于瞬时功率平衡的配电静止同步补偿器正负序双环叠加控制方法，其特征在于，所述正序电流-电压转换的过程为：

对于正序系统，逆变器输出的功率应等于注入系统的功率和输出滤波器及连接电抗等效电阻、电抗消耗的功率之和，即：

P_e＝P_o+P_f                    (13)

Q_e＝Q_o+Q_f                    (14)

逆变器输出的功率为：

$P_e=\frac{3}{2}(e_d{i}_d+e_q{i}_q)---\left(15\right)$

$Q_e=\frac{3}{2}(e_q{i}_d-e_d{i}_q)---\left(16\right)$

注入系统的功率为：

$P_o=\frac{3}{2}(u_d{i}_d+u_q{i}_q)---\left(17\right)$

$Q_o=\frac{3}{2}(u_q{i}_d-u_d{i}_q)---\left(18\right)$

输出滤波器及连接电抗消耗的功率：

$P_f=\frac{3}{2}{i}^2{R}_f=\frac{3}{2}({i^2}_d+{i^2}_q)R_f---\left(19\right)$

$Q_f=\frac{3}{2}{i}^2\mathrm{\ω}{L}_f=\frac{3}{2}({i^2}_d+{i^2}_q)\mathrm{\ω}{L}_f---\left(20\right)$

联立(13)-(20)式，选择同步旋转坐标系的d轴与公共连接点PCC电压矢量重合，可得：

e_d＝i_dR_f-i_qωL_f+u            (21)

e_q＝i_qR_f+i_dωL_f              (22)

式子(21)、(22)实现了d-q正序坐标系中电流i_d、i_q到电压e_d、e_q的转换；其中e_d、e_q指dq坐标系下配电网静止同步无功补偿器的电压参考信号；i_d、i_q指采集的三相电流信号在dq坐标下的有功、无功分量；u_d、u_q指公共连接点PCC电压在dq坐标系下的有功、无功分量；R_f、L_f分别为连接电抗器的等效电阻和电感；ω指系统的基波角频率。

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