CN101951178B - 一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，属于电力电子装置的控制技术领域。首先获取链式功率调节系统三相中每个H桥单元的直流侧电压，滤除其中的纹波作为反馈信号，基于这些直流侧电压计算出三相直流侧电压的平均值、以及三相直流侧电压与平均值的差值作为指令信号，再利用相应公式依据这些差值计算出负序电压的幅值和相角、并利用装置并网处电源电压的电角度得到所需的负序电压；将该负序电压叠加在装置中用于功率控制的输出电压指令后，驱动装置输出交流电压从而实现对三相直流侧电压的平衡控制。本发明方法可用软件实现、算法简单、效果明显，有利于工程应用。

Description

一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法

技术领域

本发明涉及一种用于链式(也称为：级联式)功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，尤其涉及一种基于负序电压注入平衡具有多个独立直流母线的链式电力电子功率变换装置三相直流侧电压的控制方法，属于电力电子装置的控制技术领域。

背景技术

链式变换器由于其结构简单、模块化，在大功率、中高压驱动系统中已得到广泛应用。近年来，随着风力发电等可再生能源发电系统的并网容量日益增加，需要在这些系统的并网处安装能够进行有功以及无功功率调节的电力电子装置来解决其并网带来的电能质量问题。因此，把链式变换器拓扑应用于高压、大容量功率调节系统的研究也日益广泛。但是，由于链式变换器各H桥单元直流侧电容值以及并联损耗不一致，在工作时会导致链式功率调节装置各直流侧电压不平衡。

目前，对链式功率调节装置直流侧电压平衡控制的方法主要有硬件和软件两种控制方法。文献“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[J]”，中国电机工程学报，2004，24(4)：145-150和“DC voltage balancing technique using multi-pulse optimalPWM for cascade H-bridge inverters based STATCOM[C]”，in Proc.IEEE PESC，Aachen，Germany，2004中分别提出了一种基于交直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法和基于脉冲循环换位及PWM制动的直流电压平衡控制方法，上述两种方法属于硬件控制方法。对于软件控制方法，直流侧电压平衡控制方法可分为三相直流侧电压平衡控制方法和该三相电路中一相中N个H桥单元直流侧电压平衡控制方法。而对于一相中N个H桥单元直流侧电压平衡控制方法比较简单，因此，软件控制方法的难点是如何使得链式功率调节装置三相直流侧电压平衡。文献“A multilevel voltage-source inverter with separate DC sources forstatic VAr generation[J]”，IEEE Trans.Ind.Appl.，1996，32(5)：1130-1138.和“Phase LegVoltage Balancing of a Cascaded H-Bridge Converter Based STATCOM using Zero SequenceInjection[C]”，13th European Conference on Power Electron.and Appl.，2009.分别提出了一种基于直流侧电压反馈控制各个单元逆变器的输出电压相角的直流侧电压平衡控制方法和一种基于零序电压注入平衡三相直流侧电压的控制方法。硬件控制方法增加了装置的复杂性以及成本，而目前的两种软件控制方法，对于零序电压注入实现三相直流侧电压平衡控制来讲，零序电压注入不改变各相相电流，只改变各相相电压，在三相直流侧电压不平衡度较大时，靠零序电压注入产生的不平衡功率来补偿三相间的有功不平衡，是非常有限的，因为实际系统的直流母线电压是有限制的，这使得输出零序电压的幅值也有限制。其次，对于大容量逆变器，由于相角调节范围很小，直流侧电压反馈控制各个单元逆变器的输出电压相角的直流电压平衡控制方法实际实现很困难。

发明内容

本发明的目的是发明一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，以保证链式功率调节装置正常、安全、高效的工作。

本发明提出的一种链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，该方法包括以下各步骤：

(1)通过电压传感器，获取链式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：V_du1..V_dun，V_dv1..V_dvn，V_dw1..V_dwn，其中，n表示每一相的级联数；

(2)根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中2ω的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压

其中，ω为电源电压的电角度；

(3)利用公式

求出三相直流侧电压

(4)根据上述三相的直流侧电压利用公式

得到三相直流侧电压的平均值V_d；

(5)根据上述平均值V_d，利用公式得到三相直流侧电压与平均值的差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw；

(6)利用3/2坐标变换方法，将三相坐标系下的上述差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw变换成正交αβ坐标系下的ΔV_α，ΔV_β，

(7)根据上述ΔV_α、ΔV_β，利用公式

得到负序电压的幅值V_-，

利用公式

得到负序电压的相角θ_-，其中，K₀为设定的负序电压幅值调节系数，K₀的取值范围大约为1≤K₀≤100之间的数；

(8)通过电压传感器，分别获取链式功率调节装置与电网连接点的三相电网电压u_su，u_sv，u_sw，利用数字锁相环计算出电源电压的电角度ωt；

(9)根据上述得到的负序电压的幅值V_-和相角θ_-以及电源电压的电角度ωt，利用公式

得到所需的负序电压，将该负序电压注入到由链式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压

中，实现对三相直流侧电压的平衡控制。

本发明提出的一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，其优点是：

1、本发明提出的三相直流侧电压的平衡方法，与已有的利用零序电压注入平衡链式功率调节装置三相直流侧电压的方法相比，在注入零序电压与负序电压幅值一样的情况下，本发明方法提出的负序电压注入产生的平均功率要远大于零序电压注入产生的平均功率。因此，在链式功率调节装置三相直流侧电压不平衡度较大时，利用本发明提出的负序电压注入方法来平衡三相直流侧电压则更适合。

2、本发明提出的三相直流侧电压的平衡方法，需要设置的控制参数少，参数的选取简单，因此有利于本发明方法的应用。

3、本发明提出的三相直流侧电压的平衡方法，算法简单、计算量少，设计仅需要系统提供直流侧电压反馈参数与电源电压电角度，且实施本发明方法时不增加硬件成本，有利于工程实践。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

图2是使用本发明方法时链式功率调节装置的总控制框图。

图3是本发明方法的一个实施例的电路结构图。

图4是对图3所示的电路进行有功调节时，利用本发明平衡方法得到的链式功率调节装置三相直流侧电压的仿真曲线。

图5是对图3所示的电路进行无功调节时，利用本发明平衡方法得到的链式功率调节装置三相直流侧电压的仿真曲线。

图6是对图3所示的电路进行动态无功调节时，利用本发明平衡方法得到的链式功率调节装置三相直流侧电压的仿真曲线。

具体实施方式

本发明提出的一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法。其负序电压求解的详细过程如图1所示，包括以下各步骤：

(1)通过电压传感器，获取链式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：V_du1..V_dwn，V_dv1..V_dvn，V_dw1..V_dwn，其中，n表示每一相的级联数；

(2)根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中2ω的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压

其中，ω为电源电压的电角度；

(3)利用公式

求出三相直流侧电压

(4)根据上述三相的直流侧电压

利用公式

得到三相直流侧电压的平均值V_d；

(5)根据上述平均值V_d，利用公式

得到三相直流侧电压与平均值的差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw；

(6)利用3/2坐标变换方法，将三相坐标系下的上述差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw变换成正交αβ坐标系下的ΔV_α，ΔV_β，

(7)根据上述ΔV_α、ΔV_β，利用公式

得到负序电压的幅值V_-，利用公式

得到负序电压的相角θ_-，其中，K₀为设定的负序电压幅值调节系数，K₀的取值范围大约为1≤K₀≤100之间的数；

(8)通过电压传感器，分别获取链式功率调节装置与电网连接点的三相电网电压u_su，u_sv，u_sw，利用数字锁相环计算出电源电压的电角度ωt；

(9)根据上述得到的负序电压的幅值V_-和相角θ_-以及电源电压的电角度ωt，利用公式得到所需的负序电压，将该负序电压注入到由链式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压

中，实现对三相直流侧电压的平衡控制，如图2所示。

以下是本发明方法的一个实施例：

下面以具体实例说明本发明中负序电压注入平衡链式功率调节装置三相直流侧电压的控制方法。为了实验方便，以图3所示的电路结构为例，该例所示电路可以用于无功功率以及有功功率调节等。假设链式功率调节装置级联数N＝3，每相中N个H桥单元电容值以及并联损耗一致，电网与本装置的各项参数如下表所示：

电网频率f/Hz

50

电网线电压有效值Vs/V	380
		电网电感Ls/μH	48
额定容量P，Q/kVA	10
		并网电感L/mH	2
直流母线电容C1-9/F	0.031，0.03，0.029
		直流侧并联等效电阻Ru，v，w/KΩ	1，0.8，0.6
载波频率f/kHz	1

在MATLAB仿真环境下，在功率解耦控制的基础上，设计平衡链式功率调节装置三相直流侧电压控制器。得到的仿真结果如下：

设计控制系统仿真参数为K₁＝30、K₂＝40、K＝30、K₀＝10时，系统仿真结果如图4和图5所示。在0时刻，功率调节装置以额定功率启动(三相直流侧电压初始值分别为405V、390V、375V)，在0.03s时启动三相直流侧电压平衡控制，大约在0.3s时，三相直流侧电压达到平衡。由于在逆变器调制电压中注入负序电压，因此输出电流不平衡。该仿真结果验证了负序电压注入平衡三相直流侧电压的可行性以及控制方法的有效性。

图6所示的是无功功率从+10Kvar到-10Kvar的仿真波形。从图中可以看出，在动态无功调节时，负序电压注入平衡链式功率调节装置三相直流侧电压仍然有效。由于需要负序电压注入提供的功率来平衡三相直流侧并联损耗的差值功率，在稳态时，链式功率调节装置输出的三相电流不衡度为：

小于国标GBT15543-2008与IEEE Std1159^TM-2009对并网装置输出负序电流的规定。

Claims (1)

1.一种用于链式功率调节装置三相直流侧电压的平衡方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)通过电压传感器，获取链式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：V_du1..V_dun，V_dv1..V_dvn，V_dw1..V_dwn，其中，n表示每一相的级联数；

(2)根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中2ω的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压

其中，ω为电源电压的电角度；

(3)利用公式 $\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{du}}\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dv}}\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dw}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dul}}+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{du}2}+...+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dun}}\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dv}1}+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dv}2}+...+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dvn}}\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dw}1}+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dw}2}+...+{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dwn}}\end{array}\right],$ 求出三相直流侧电压

(4)根据上述三相直流侧电压利用公式得到三相直流侧电压的平均值V_d；

(5)根据上述平均值V_d，利用公式 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{du}}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{dv}}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{dw}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_d-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{du}}\\ V_d-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dv}}\\ V_d-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{dw}}\end{array}\right],$ 得到三相直流侧电压与平均值的差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw；

(6)利用3/2坐标变换方法，将三相坐标系下的上述差值ΔV_du，ΔV_dv，ΔV_dw变换成正交αβ坐标系下的ΔV_α，ΔV_β， $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{du}}\\ \sqrt{\frac{1}{2}}({\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{dv}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{dw}})\end{array}\right];$

(7)根据上述ΔV_α、ΔV_β，利用公式得到负序电压的幅值V_-，利用公式 ${\mathrm{\&theta;}}_{-}=\left\{\begin{array}{cc}{\tan }^{-1}\frac{{-\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{\&beta;}}},& \mathrm{if\&Delta;}{V}_{\mathrm{\&beta;}}>0\\ \mathrm{\&pi;}+{\tan }^{-1}\frac{{-\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{\&beta;}}},& \mathrm{if\&Delta;}{V}_{\mathrm{\&beta;}}<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2},& \mathrm{if}{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&beta;}}=0\mathrm{and}{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&alpha;}}<0\\ -\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},& \mathrm{if}{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&beta;}}=0\mathrm{and}{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{\&alpha;}}>0\end{array}\right.,$ 得到负序电压的相角θ_-，其中，K₀为设定的负序电压幅值调节系数，K₀的取值范围为1≤K₀≤100之间的数；

(8)通过电压传感器，分别获取链式功率调节装置与电网连接点的三相电网电压u_su，u_sv，u_sw，利用数字锁相环计算出三相电网电压的电角度ωt；

(9)根据上述得到的负序电压的幅值V_-和相角θ_-以及三相电网电压的电角度ωt，利用公式 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{u_{-}}^{*}=V_{-}\sin (\mathrm{\&omega;t}+{\mathrm{\&theta;}}_{-})\\ v_{v_{-}}^{*}=V_{-}\sin (\mathrm{\&omega;t}+{\mathrm{\&theta;}}_{-}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ v_{w_{-}}^{*}=V_{-}\sin (\mathrm{\&omega;t}+{\mathrm{\&theta;}}_{-}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right.,$ 得到所需的负序电压，将该负序电压注入到由链式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压

中，实现对三相直流侧电压的平衡控制。

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