CN102694380A - 一种链式结构换流器发生低频电流的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种链式结构换流器发生低频电流的控制系统，该控制系统主要由总直压控制器，单元直压控制器，电流跟踪控制器等组成。低频电流与总直压控制器的输出之和作为电流跟踪控制器的总输入，电流跟踪控制器与单元直压控制器的输出作为调制波生成器的输入，调制波生成器与载波发生器的输出作为脉冲发生器的输入，最终脉冲发生器的输出送到对应相的IGBT栅极上去。使用该控制系统，能够在直流电压不可避免低频波动的情况下，保证各链节的直流电压的一致性，有效发出给定的低频电流。

Description

一种链式结构换流器发生低频电流的控制系统

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，特别涉及一种链式结构换流器发生低频电流的控制策略。

背景技术

链式结构换流器一般用于目标电流的发生。目标电流可以是无功电流，谐波电流，也可以是低频电流。

专利200610113547.8提到了H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制方法。该专利主要设计链式结构换流器发生无功电流以及谐波电流的控制策略。该专利是基于工频量和谐波量来进行控制的。而对于发生低频电流（低于50Hz的电流量），由低频量所引发的一系列问题是该专利中没有考虑到的。

专利200910090158.1对三相桥式换流器发生次同步电流提出了一种控制策略。但是该方法是基于三相桥式的主电路结构，与链式结构换流器存在较大不同。直流电压的稳定和均衡是链式结构换流器必须要考虑的控制问题。

发明内容

针对链式结构换流器发生低频电流的控制需求，本发明提出一种基于链式结构换流器的，结合FPGA和192CPU发生低频电流的控制系统。

本发明提供了一种有效的发出低频电流的控制系统。具体采用以下技术方案。

一种链式结构换流器发生低频电流的控制系统，其特征在于：

所述链式结构换流器发生低频电流的控制系统包括三相总直压控制器、三相电流跟踪控制器、单元直压控制器、调制波生成器、载波发生器、脉冲发生器；

每一相总直压控制器的输入为总直压给定值、链式结构换流器对应相总直压，经过PI控制，输出至所述该相电流跟踪控制器的输入端；

每一相电流跟踪控制器的输入为链式结构换流器对应相低频电流给定值、对应相总直压控制器的输出，所述电流跟踪控制器对两输入信号输入进行无差拍控制，输出做为其它两相单元直压控制器的输入以及对应相各链接调制波生成器的一部分输入信号；

所述控制系统每一相包括12个单元直压控制器，每一个单元直压控制器的输入为链式结构换流器对应相12个链节中对应链接的直流电压、对应相所有链接的直流电压平均值、其它两相电流跟踪控制器的输出，经过对输入信号的PI控制，输出做为对应相每一链节的调制波生成器的另外一部分输入信号；

所述控制系统每一相包括12个调制波生成器，对应相每一链节的调制波生成器将输入的对应相电流跟踪控制器的输出以及对应相单元直压控制器的输出求和处理后，生成对应于每相12个链节的调制波，输出至该链节的各脉冲发生器的输入端；

每一相的载波发生器根据输入的控制频率输出周期性三角波，对应相各链接的调制波生成器的输出与对应相载波发生器的输出作为对应相脉冲发生器的输入，该相脉冲发生器输出控制信号至对应链式结构换流器对应相各链节的每个开关器件IGBT的栅极，从而控制链式结构换流器产生低频电流，即每一相脉冲发生器将对应相调制波生成器的输出与对应相载波发生器的输出进行比较；当调制波输出大于载波输出时，链式结构换流器该相上桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断，下桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断。

本发明具有以下技术效果：

基于链式结构变流器，发生低频电流会对直流电压带来低频波动。本发明在直流电压低频波动存在的情况下，能够保证总直压稳定在期望值，单元直压达到均衡一致的效果，并且能够有效发出给定的低频电流。

附图说明

图1是本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统结构示意图；

图2是本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统中的A相总直压控制器结构图；

图3是本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统中的A相电流跟踪控制器结构图；

图4是本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统中的A相单元直压控制器的结构图；

图5是本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统所基于的单个链节结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案，控制优点更加明确，下面将结合附图对本发明技术方案做详细的解释说明。

本发明提供了一种链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统。本控制系统是基于链式结构，具有较高的等效开关频率并且该控制系统在能够发出所需的低频电流的前提下，具有很好的电流跟踪和单元均压的效果。

本发明实施例的介绍是基于主电路采用链式逆变器拓扑结构，Y形连接，每相由12个功率单元串联构成。链式逆变器本体为3相12级H桥级联结构，共36个链接H桥模块，3相一端连接在一起，另一端分别连接滤波电抗器，之后经预充电回路、主断路器，送入10kV系统。

实施例

如附图1所示为本发明链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统结构示意图。

链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统包括总直压控制器、电流跟踪控制器、单元直压控制器、调制波生成器、载波发生器、脉冲发生器；总直压控制器的输入为总直压给定值、对应相总直压，经过PI控制，输出做为目标电流的一部分；电流跟踪控制器的输入为对应相低频电流给定值、对应相总直压控制器的输出，将输入进行无差拍控制，输出做为其它两相单元直压控制器的输入以及调制波的一部分；单元直压控制器的输入为对应相12个链节的直流电压、直流电压平均值、其它两相电流跟踪控制器的输出，经过12个PI控制，输出做为对应12个链节调制波的一部分；对应相调制波生成器的输入为对应相电流跟踪控制器的输出、对应相单元直压控制器的输出，对应相调制波生成器的输出为二者之和，对应于每相12个链节的调制波；对应相载波发生器输入为控制频率，输出为周期性三角波，与调制波生成器配合使用，每相也是12个；对应相调制波生成器与对应相载波发生器的输出作为对应相脉冲发生器的输入，最终该相脉冲发生器输出控制信号至对应链式结构换流器对应相各链节的每个开关器件IGBT的栅极，即每一相脉冲发生器将对应相调制波生成器的输出与对应相相载波发生器的输出进行比较；当调制波输出大于载波输出时，链式结构换流器该相上桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断，下桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断。

总直压控制器通过函数调用与电流跟踪控制器相连，电流跟踪控制器通过函数调用与调制波生成器相连，单元直压控制器通过函数调用与调制波生成器相连，调制波生成器通过函数调用与脉冲发生器相连，载波发生器通过函数调用与脉冲发生器相连，每相脉冲发生器通过光纤与对应相12个链节的IGBT栅极相连。

结合附图2到图5,详细介绍本发明实施例有效的发出次同步电流的控制策略。以A相为例，具体包括：A相直流电压采样器（12个）、A相交流电压采样器、A相总直压滤波器、A相总直压控制器、A相输出电流采样器、A相电流跟踪控制器、A相无差拍控制器、A相单元直压控制器（12个）、A相调制波生成器（12个）、A相载波发生器（12个）、A相脉冲发生器（12个）等等。

A相直流电压采样器，用于采集A相共12链的直流电压信号。

A相直流电压综合器，用于将采集的A相12链的直流电压信号相加。

A相交流电压采样器，用于采集系统的A相相电压信号。

A相总直压滤波器，主要用于滤除直流电压中的低频波动。

A相总直压滤波器的传递函数为：

$f\left(s\right)=\frac{1}{1+2\mathrm{zS}/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LD}}+{(S/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LD}})}^2}---\left(1\right)$

其中，ε为A相总直压滤波器的阻尼系数，本发明取值0.707

ω_LD为A相总直压滤波器的截止频率，本发明取值10Hz

如附图2所示为本发明链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统中的A相总直压控制器结构图。

链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统以A相为例，介绍总直压控制器，A相总直压控制器包括：A相第一减法器、A相第一PI调节器、A相第一乘法器、A相总直压滤波器、A相交流电压采样器。A相总直压滤波器的输入信号为A相总直压，A相交流电压采样器用于检测链式结构换流器的A相交流电压值，A相第一减法器的输入是A相总直压给定值、A相总直压经过滤波器滤除低频波动后的输出，将两个输入相减，得到总直压的偏差量，该偏差量为A相第一减法器的输出；A相第一PI调节器的输入为A相第一减法器的输出，经过PI控制，输出为目标电流幅值的一部分；A相第一乘法器的输入为A相交流电压采样器的输出、A相第一PI调节器的输出，输出为电流跟踪控制器目标电流的一部分。总直压给定值通过函数调用与A相第一减法器相连，A相总直压滤波器通过函数调用与A相第一减法器相连，A相第一减法器通过函数调用与A相第一PI调节器相连，A相第一PI调节器通过函数调用与A相第一乘法器相连，A相第一乘法器通过函数调用与A相交流电压采样器相连。

PI调节器的传递函数为：

$f_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K+\frac{1}{\mathrm{Ts}}---\left(2\right)$

其中，K为比例增益，T为积分时间常数。比例增益K与积分时间常数T需要根据实际情况来调整，例如，硬件参数、主回路结构等等。

下面介绍在链式结构变流器发生低频电流时，直流电压产生低频波动的原因。

在链式结构中，当直压侧只有电容时，输出次谐波电流必然会引起直流侧电压的波动。波动频率含有多个频率成分。对于单一频率的次谐波输出，当次谐波输出频率为ω₁时（显然，0<ω₁<50Hz），直流电压成分主要包括ω₀-ω₁、ω₀+ω₁、2(ω₀-ω₁)、2(ω₀+ω₁)等。

设：链式STATCOM输出电压为u_c；输出电流为i_c；总直压u_dc；次谐波电流

系统电压u_s=U_msinω₀t。

单一频率次谐波电流输出时，直流电压波动情况如下所示。

假设电流完全跟踪上参考电流，即

系统电压u_s=U_msinω₀t；由逆变器两侧能量守恒可得：

u_ci_c=u_dci_dc                    （3）

电压回路方程为：

u_c=u_s+u_L                       （4）

另外： $i_{\mathrm{dc}}=C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$u_L=L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

将（4）、（5）、（6）代入（3）可得：

积分可得

由（8）可知，直流电压的平方值包含ω₀-ω₁、ω₀+ω₁、2ω₁的频率分量；而直流电压则将包含更多的频率分量，忽略较高的频率分量，可以得到直流电压的主要低频分量

ω₀-ω₁。

A相输出电流采样器，用于采集装置的A相输出电流信号。

如附图3所示为本发明链式结构换流器生成低频电流的控制系统中的A相电流跟踪控制器结构图。

链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统中的A相电流跟踪控制器包括：包括A相第一加法器、A相无差拍控制器等。A相第一加法器的输入为A相低频电流给定值、A相总直压控制器的输出，经过将两输入相加，输出为二者之和，即为电流跟踪控制器目标电流；A相无差拍控制器，是用于进行总直压控制和电流跟踪的关键部分，其输入为A相第一加法器的输出、A相输出电流采样器的输出、连接电抗的值、控制周期以及A相直流电压综合器的输出，经过列KVL方程进行电流控制，输出为调制波的一部分。A相低频电流给定值通过函数调用与A相第一加法器相连，A相第一加法器通过函数调用与A相总直压控制器相连，A相第一加法器通过函数调用与A相无差拍控制器相连。

无差拍控制的原理如下：

u_c＝u_L+u_s

u_c=u_d×d

$u_L=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\&ap;L\frac{\mathrm{\&Delta;i}}{\mathrm{\&Delta;T}}$

$d=(\mathrm{\&Delta;i}\frac{L}{\mathrm{\&Delta;T}}+u_s)/u_d$

为抑制电流振荡，在Δi前乘以系数0.45，则有：

$d=[0.45\&times;(i_{\mathrm{ref}}-i_{\mathrm{out}})\&times;\frac{L}{\mathrm{\&Delta;T}}+u_s]/u_d$

i_ref＝i_object+i_m

其中i_object为阻尼控制器下发的目标电流，i_m为总直压输出与对应相系统电压相乘的结果，ΔT为采样间隔，L为电流输出端电抗器感值，d为调制比。

考虑到采样与控制的延时关系，无差拍控制中对于系统电压采取预测的方式以减少延时带来的影响，其表达式如下：

$\mathrm{us}(k+T)=\mathrm{us}\left(k\right)+\frac{\mathrm{us}\left(k\right)-\mathrm{us}(k-T)}{2}$

us(k+T)=1.5us(k)-0.5us(k-T)

其中T为采样间隔，即0.1ms。

$d_a\left(k\right)=[0.45\&times;[(i_{\mathrm{objecta}}\left(k\right)+i_{\mathrm{ma}}\left(k\right))-i_{\mathrm{outa}}\left(k\right)]\&times;\frac{L}{\mathrm{\&Delta;T}}+1.5u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-0.5u_{\mathrm{sa}}(k-T)]/u_{\mathrm{da}}\left(k\right)$

d_max=max{d_a,d_b,d_c}

d_min=min{d_a,d_b,d_c}

d₀=-0.5×(d_max+d_min)

A相最终调制比为：

$d_{\mathrm{tmpa}}\left(k\right)=0.5+[0.45\&times;[(i_{\mathrm{objecta}}\left(k\right)+i_{\mathrm{ma}}\left(k\right))-i_{\mathrm{outa}}\left(k\right)]\&times;\frac{L}{\mathrm{\&Delta;T}}+1.5u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-0.5u_{\mathrm{sa}}(k-T)]/u_{\mathrm{da}}\left(k\right)$

$+d_0\left(k\right)$

A相单元直压控制器：用于维持各链直流电压保持在稳定均衡的状态。在直流电压的控制方面，首先要保证直流电压的稳定，这是通过总直压的PI控制实现的。整体将各链的单元直压控制在恒定值，然后由于并联损耗，脉冲延时，单元特性差异等因素引起的单元直压不均衡的现象再通过单元直压控制得以实现，以达到先整体粗调，再局部细调的目的。由于本发明是以产生低频电流为目标，直流电压的波动就不可避免。本发明在保证直压波动稳定的前提下，实现各链的直压均衡控制。

如附图4所示为本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统中的A相单元直压控制器的结构图。

链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统中的A相单元直压控制器包括：A相第一除法器、A相第二减法器（12个）、A相第三减法器、A相第二PI调节器（12个）以及A相第二乘法器（12个）。A相第一除法器的输入为A相直流电压综合器的输出、每相链节个数12，将二者相除，输出为二者之商；A相第二减法器的输入为A相第一除法器的输出、A相直流电压采样器（12个）的输出，将A相第一除法器的输出分别与12个A相直流电压采样器的输出相减，将相减后的12个结果做为A相第二减法器的输出。A相第三减法器的输入为B、C相电流跟踪控制器的输出，将两输入相减作为A相第三减法器的输出；12个A相第二PI调节器的输入为12个A相第二减法器的输出，将输入进行PI控制，得到12个A相第二PI调节器的输出；12个A相第二乘法器的输入为12个A相第二PI调节器的输出、A相第三减法器的输出，将A相第三减法器的输出分别与12个A相第二PI调节器的输出相乘，得到12个A相第二乘法器的输出，即为调制波的一部分。A相直流电压综合器与每相链节个数12通过函数调用与A相第一除法器相连；A相第一除法器与A相直流电压采样器通过函数调用与A相第二减法器相连；A相第二减法器通过函数调用与A相第二PI调节器相连；A相第二PI调节器通过函数调用与A相第二乘法器相连；B相电流跟踪控制器与C相电流跟踪控制器通过函数调用与A相第三减法器相连；A相第三减法器通过函数调用与A相第二乘法器相连。

A相调制波生成器：用于合成各个分离的控制器输出的控制信号。A相调制波生成器的输入为A相电流跟踪控制器的输出、A相单元直压控制器的输出，A相调制波生成器的输出为二者之和，对应于A相12个链节的调制波。

A相载波发生器：用于发生所需载波，进行SPWM调制，生成相应脉冲。A相载波发生器输入为控制频率，输出为周期性三角波，与A相调制波生成器配合使用；采用的是载波移相的SPWM技术。载波移相SPWM通过将载波均匀平移一定的相位来对多电平变换器进行调制，该方法能够在较低的器件开关频率下获得较高等效开关频率。根据载波移相角度计算方法的不同，实际应用的调制策略主要有两种：移相180°/N方式；移相360°/N方式（N为级联数目12）。本发明中应用移相180°/N方式。

如附图5所示为本发明链式结构换流器产生低频电流的控制系统基于单个链节结构示意图。

链式结构换流器有效产生低频电流的控制系统单个链节结构包括4个IGBT呈H桥连接，1个电容与该H桥并联；

附图5中IGBT1、3共用载波，IGBT2、4共用载波，IGBT1、3载波与IGBT2、4载波反向，互差180°。现A相为12个H桥，每链载波移相180°/12=15°（以三角波为基准）。即A相各链上桥臂的载波初相角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°，上下管导通信号互反；每相各链下桥臂的载波初相角分别为180°、195°、210°、225°、240°、255°、270°、285°、300°、315°、330°、345°，上下管导通信号互反。载波采用频率为600Hz的三角波，幅值为0到1。

A相脉冲发生器：A相调制波生成器与A相载波发生器的输出作为A相脉冲发生器的输入，最终A相脉冲发生器的输出送到对应链式结构换流器A相各链节的每个IGBT的栅极上去；A相调制波生成器与A相载波发生器通过函数调用与A相脉冲发生器相连；将A相调制波生成器的输出与A相载波发生器的输出进行比较；当调制波大于载波时，上桥臂的上管（IGBT1）导通，下管（IGBT3）关断，下桥臂的上管（IGBT4）导通，下管（IGBT2）关断。

Claims (4)

1.一种链式结构换流器发生低频电流的控制系统，其特征在于：

所述链式结构换流器发生低频电流的控制系统包括三相总直压控制器、三相电流跟踪控制器、单元直压控制器、调制波生成器、载波发生器、脉冲发生器；

每一相总直压控制器的输入为总直压给定值、链式结构换流器对应相总直压，经过PI控制，输出至所述该相电流跟踪控制器的输入端；

每一相电流跟踪控制器的输入为链式结构换流器对应相低频电流给定值、对应相总直压控制器的输出，所述电流跟踪控制器对两输入信号输入进行无差拍控制，输出做为其它两相单元直压控制器的输入以及对应相各链接调制波生成器的一部分输入信号；

所述控制系统每一相包括12个单元直压控制器，每一个单元直压控制器的输入为链式结构换流器对应相12个链节中对应链接的直流电压、对应相所有链接的直流电压平均值、其它两相电流跟踪控制器的输出，经过对输入信号的PI控制，输出做为对应相每一链节的调制波生成器的另外一部分输入信号；

所述控制系统每一相包括12个调制波生成器，对应相每一链节的调制波生成器将输入的对应相电流跟踪控制器的输出以及对应相单元直压控制器的输出求和处理后，生成对应于每相12个链节的调制波，输出至该链节的各脉冲发生器的输入端；

每一相的载波发生器根据输入的控制频率输出周期性三角波，对应相各链接的调制波生成器的输出与对应相载波发生器的输出作为对应相脉冲发生器的输入，该相脉冲发生器输出控制信号至对应链式结构换流器对应相各链节的每个开关器件IGBT的栅极，从而控制链式结构换流器产生低频电流，即每一相脉冲发生器将对应相调制波生成器的输出与对应相载波发生器的输出进行比较；当调制波输出大于载波输出时，链式结构换流器该相上桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断，下桥臂的上开关器件导通，下开关器件关断。

2.根据权利要求1所述的链式结构换流器发生低频电流的控制系统，其特征在于：

所述每一相总直压控制器包括第一减法器、第一PI调节器、第一乘法器；对应相第一减法器的输入是对应相总直压给定值以及对应相总直压滤波器的输出，所述总直压给定值是链式结构换流器对应相总直流电压期望值，对应相总直压滤波器对链式结构换流器对应相总直压进行滤波，将第一减法器输出的总直压的偏差量，经过对应相第一PI调节器进行PI控制；链式结构换流器交流侧对应相的交流电压采样值经交流电压采样器输出后与对应相第一PI调节器的输出一起作为对应相的第一乘法器的输入，所述对应相的第一乘法器的输出作为对应相总直压控制器的输出连接至对应相电流跟踪器中的第一加法器的输入端。

3.根据权利要求2所述的链式结构换流器发生低频电流的控制系统，其特征在于：每一相电流跟踪控制器包括第一加法器、无差拍控制器；第一加法器的输入为对应相低频电流给定值、对应相总直压控制器的输出，经过第一加法器将两输入相加后，输出至该相无差拍控制器，无差拍控制器对输入信号进行无差拍控制后，其输出连接至调制波生成器的输入端和其它两相单元直压控制器的输入端。

4.根据权利要求1所述的链式结构换流器发生低频电流的控制系统，其特征在于：每一相单元直压控制器包括第一除法器、12个第二减法器、一个第三减法器、12个第二PI调节器以及12个第二乘法器；每一相直流电压综合器输入为每相各链节直流电压值，输出为各链节直流电压之和；将链式结构换流器相应相的总直流电压值与每相的链接个数经除法器后得到链式结构换流器该相各链接直流电压的平均值，将所述平均值输入至所述12个第二减法器中的每一个的输入端；通过直流电压采样器检测链式结构换流器每相各个链节的直流电压值，将所述每个链接上的直流电压值与所述每一链接直流电压的平均值作为减法器的输入信号分别输入至对应的12个第二减法器的两输入端；将所述12个第二减法器的输出分别经过对应的12个第二PI调节器的PI控制后输出至对应的12个第二乘法器；

该相第三减法器的输入为另外两相电流跟踪控制器的输出，所述第三减法器的输出连接至所述12个第二乘法器的输入端，得到的12个乘积分别为12个第二乘法器的输出，12个乘法器的输出连接至该相12个调制波生成器的输入端。

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