CN102820659A

CN102820659A - 无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法

Info

Publication number: CN102820659A
Application number: CN2012102611570A
Authority: CN
Inventors: 刘骥; 孙长坡; 黄玲; 徐在德; 黄磊; 李秀婧; 刘汉源; 聂辉
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102820659B

Abstract

无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法。一般的配电静止同步补偿器需要检测无功与谐波电流，导致电流互感器较多，检测计算量大，计算累积误差大，延时较大。一种无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，通过直流侧电容电压设定值

与反馈值

的差值

，经过比例积分调节得到系统基波有功分量值

，然后与电网电源侧电流值相减，得到需要补偿的谐波及无功电流值。本发明用于无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制。

Description

无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法

技术领域：

本发明涉及一种无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法。

背景技术：

一般的配电静止同步补偿器需要检测无功与谐波电流，导致电流互感器较多，检测计算量大，计算累积误差大，延时较大。

随着现代工业的迅速发展，配电网中各种电力电子设备不断增多，许多用电负荷较大的企业，负荷呈非线性和冲击性，引发了诸多电能质量问题，如三相不平衡、电压闪变和波动、低功率因数和谐波问题等，其中尤以谐波和无功问题最为严重，因此必须采用滤波与无功补偿装置对上述电能质量问题加以治理。传统的配电网无功补偿采用晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）装置，谐波治理采用无源电力滤波器（Passive Power Filter，PPF）。但在实际应用时，由于无功与非线性负荷幅值可能随时快速变化，因此上述传统补偿装置由于响应速度慢、补偿效果差、易引起谐振等，已经不能满足要求。

近年来一种消除动态谐波和进行无功补偿的理想电力电子装置——配电静止同步补偿器（Distribution Static Synchronous Compensator，DSTATCOM）应运而生，基本原理是检测出补偿对象中的谐波及无功分量，然后将其反相产生补偿指令电流，通过脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）控制电力电子开关绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），产生大小相等、相位相反的补偿量注入配电网，与谐波和无功电流进行叠加，消除谐波电流，补偿无功功率，这一技术有着广阔的发展前景。

配电静止同步补偿器通常由控制器与三相电力电子变流器两部分组成，其核心技术是控制器的设计。一般控制器由指令运算电路和补偿电路两大部分组成。指令运算电路是检测出补偿对象中的谐波及无功分量，然后将其反相产生补偿指令电流；补偿电路是根据指令运算电路得出的补偿指令信号，控制变流器产生补偿电流。

传统的指令运算电路谐波与无功检测方法已经有多种，主要有提取基波分量法、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）法、瞬时无功功率理论算法、自适应检测法。提取基波分量法原理比较简单，就是从补偿对象中提取基波分量，然后从原信号中减去基波量，就是需补偿的量，但由于易受元件参数影响，已很少应用。FFT法其基本原理将采样一个周期的被检测对象中的电流信号用FFT法分解，得出各次谐波的表达式。FFT快速算法能快速计算出被测对象中的各次谐波，但缺点是需一个电源周期的时间来采样，因而有延时。自适应检测法是基于自适应干扰抵消原理，用检测到的负载电流减去基波有功电流分量，得到需补偿的谐波及无功电流指令值。此法的优点是不受电网电压影响，缺点是动态响应速度慢。基于瞬时无功功率理论的算法当只检测无功时，没有延时；但是当检测谐波时，因采用不同的低通滤波器会有延时。

上述检测无功与谐波的检测算法的共同问题在于：需要检测的电流互感器较多；检测计算量较大，计算公式较多，计算累积误差大；算法中存在低通滤波器环节，延时较大；采用模拟电路时电路实现复杂，采用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）计算时需要占用较大的程序量与较长的控制时间。

以往的配电静止同步补偿器的控制方式需要电源或负载侧、补偿侧的六个电流互感器及三个电压互感器，而根据三相系统能量交换原理，瞬时无功功率不会引起直流侧与交流侧间的能量交换。如果不考虑器件的损耗，则直流侧瞬时有功功率全部来自交流侧，从而直流侧与交流侧的能量交换取决于瞬时有功功率的大小。

发明内容：

本发明的目的是提供一种是通过直流侧电容电压设定值与反馈值的差值，经过比例积分（Proportional Integral，比例积分）调节得到系统基波有功分量，然后与电网源侧电流相减，得到需要补偿的谐波及无功电流。此种检测法实时性较好，需要检测的量少，控制器设计大为简化，是一种无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，方法通过直流侧电容电压设定值与反馈值的差值，经过比例积分调节得到系统基波有功分量值，然后与电网电源侧电流值相减，得到需要补偿的谐波及无功电流值。

所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，所述的方法采用数字信号处理器芯片控制或通过模拟乘法器与运算放大器电路实现全部控制算法，所述的方法的输出采用滞环电流比较或者直接电流脉宽调制输出方式。

所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，在电压控制环中，为直流侧电容电压的反馈值，为直流侧电容电压的设定值，两者的差值则为电压的控制量，经过比例积分调节之后得到有功分量值是有功电流幅值；有功电流幅值乘以与三相电源电压同步的单位正弦信号得到该相输入电流的设定值；设定信号和实际电流的差值，经过滞环比较器输出六路触发信号；直接控制电源侧电流方式的配电静止同步补偿器，不需要检测谐波及无功电流；如在滤除谐波时，直流侧电容和电网电流存在有功功率的交换；电容电压和电容电流具有下面的动态关系：

式中，为初始时刻的电压，为电容电流；

式中，为电容电压的设定值，为电容电压的实际值；根据能量平衡的原理，直流侧电容充放电过程，都是基波有功电流引起的，由此可知，直流侧电容的有功电流设为，通过比例积分调节后得到有功电流幅值；

一般情况下，假设电网电压为标准的正弦波，谐波和无功补偿的目的就是使电网输入电流波形与电网电压波形为同频，同相的正弦波，可以将电网电流分解为基本有功电流分量和谐波电流分量：

式中，为电网瞬时电流值；配电静止同步补偿器可以等效为一个电流控制电流源，对非基波有功分量反向放大，其中为非有功分量的检测单元，则有：

由上式可得

Figure DEST_PATH_RE-RE-DEST_PATH_IMAGE030

其中，为负载电流的谐波分量，在输入量稳定的前提下，如果放大倍数值足够大，输出的电流中的谐波分量就足够小，输入电流只含有功电流，此种控制方式形成了闭环系统，适当调节比例系数值，功率因数就可以无限趋近于1；

自适应模糊比例积分系统是以常规比例积分控制为前提，采用模糊推理思想，将误差和误差变化率作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对比例积分参数进行实时整定，使比例积分参数最优；模糊控制的基本思想是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量和误差变化率，确保被控对象有良好的动、静态性能；首先根据经验值设定、的值，然后通过模糊推理得到修正值、，由经验值和修正值得到最优和；

上式中、为系统的经典比例积分参数，、为模糊推理得到的调整值；实现了对比例积分参数的优化，根据比例积分的控制算式：

式中，为比例系数；为积分系数；

根据参数，对系统输出特性的影响，可得出在不同和参数的整定原则；

当输入量很大时，不管误差趋势如何变化，都应使控制器按最大或最小输出，从而以最大速度减小误差的绝对值；同时为了使积分不饱和，此时应取较小的，其值甚至可以取零和较大；

当输入量和为中等大小时，为减小系统响应的超调量，和的值都不能太大，应该减小、来确保系统的响应速度；

当输入量较小时，说明误差的绝对值向减小的趋势发展或者已达到平衡状态；此时，和的取值不用变化，可采取保持控制器输出不变。

有益效果：

1.本发明通过直流侧电容电压设定值与反馈值的差值，经过比例积分调节得到系统基波有功分量，然后与电网源侧电流相减，得到需要补偿的谐波及无功电流；此种检测法实时性较好，需要检测的量少。

2.本发明不需要谐波及无功检测算法，控制器设计大为简化，可以通过模拟电路实现全部控制算法，参数调整灵活；本方法的输出能够采用滞环电流比较或者直接电流PWM输出方式。

3.本发明只需要三个电流互感器，这样降低了产品的成本，简化了控制器设计。

4.本发明的方法是控制简单，易于实现的电源侧电流检测控制方法，在三相三线制平衡负载及主回路采用分裂电容结构的三相四线制不平衡负载系统下均适用，可以有效地补偿无功与抑制谐波，在不平衡负载情况下，不仅消除了零序电流，补偿了无功，抑制了谐波，而且实现了三相电流的平衡。

5.本发明提出的用于电容电压稳定控制的模糊比例积分控制器设计方法，首先通过系统仿真初步确定比例积分参数的范围，然后通过模糊控制器的输出微调实现比例积分参数的最优，加快了系统的响应速度，增强了系统的鲁棒性。

6.本发明采用电源侧电流检测控制方法的电力有源滤波器补偿后的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）更小，并且电容电压的波动量更小，只需要三个电流互感器，这样降低了产品的成本，简化了控制器设计。

7.本发明由于设计方法的简化性，采用无DSP的运算电路实现本发明控制器，控制器非常简单，参数调节方便。

附图说明：

附图1是本产品的无谐波及无功检测环节的配电静止同步补偿器装置原理图。

附图2是本产品的配电静止同步补偿器控制方法的原理图。

附图3是本产品的闭环控制原理图。

附图4是本产品的模糊比例积分D控制方案图。

附图5是本产品的三相三线制系统接线原理图。

附图6是本产品的信号调理电路图。

附图7是本产品的滤波前后的A相电压波形图。

附图8是本产品的直流侧电容电压调节电路图。

附图9是本产品的电流比较计算环节电路图。

附图10是本产品的互补信号输出电路图。

附图11是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果投入前三相电流曲线图。

附图12是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果投入配网静止同步补偿器后的波形，通过对比可知，采用直接控制电源电流方式的DSTATCOM，可以使三相平衡图。

附图13是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果DSTATCOM输出的补偿电流图。

附图14是本产品的电源电流控制的DSTATCOM的过渡过程图。

附图15是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果补偿前A相电压电流图。

附图16是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果补偿后A相电压电流图。

附图17是本产品的电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果负荷切换时直流侧电容电压波动图。

附图18是本产品的的模糊控制规则表。

附图19是本产品的的模糊控制规则表。

附图20是本产品的减法器电路图。

附图21是本产品的死区设置电路图。

具体实施方式：

实施例1：

所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，所述的方法采用DSP芯片控制或通过模拟电路实现全部控制算法，所述的方法的输出采用滞环电流比较或者直接电流PWM输出方式。

实施例2：

实施例1所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，在电压控制环中，为直流侧电容电压的反馈值，为直流侧电容电压的设定值，两者的差值则为电压的控制量，经过比例积分调节之后得到有功分量值是有功电流幅值；有功电流幅值乘以与三相电源电压同步的单位正弦信号得到该相输入电流的设定值；设定信号和实际电流的差值，经过滞环比较器输出六路触发信号；直接控制电源侧电流方式的配电静止同步补偿器，不需要检测谐波及无功电流；如在滤除谐波时，直流侧电容和电网电流存在有功功率的交换；电容电压和电容电流具有下面的动态关系：

式中，为初始时刻的电压，为电容电流；

由上式可得

式中，为比例系数；为积分系数；

实施例3：

实施例1或2所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，一种无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，方法通过直流侧电容电压设定值与反馈值的差值，经过比例积分调节得到系统基波有功分量值，然后与电网电源所侧电流值相减，得到需要补偿的谐波及无功电流值。

所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，所述的方法采用数字信号处理器芯片控制或通过模拟电路实现全部控制算法，所述的方法的输出采用滞环电流比较或者直接电流脉宽调制输出方式。

附图2三相配电静止同步补偿器控制方法的原理，电压控制环中，为直流侧电容电压的瞬时值，为直流侧电容电压的给定值，两者的差值则为电压的控制量，经过比例积分调节之后得到有功电流幅值。有功电流幅值乘以与三相电源电压同步的单位正弦信号得到该相输入电流的设定值。设定信号和实际电流的差值，经过滞环比较器输出六路触发信号。本发明的直接控制电源侧电流方式的配电静止同步补偿器，不需要检测谐波及无功电流。如在滤除谐波时，直流侧电容和电网电流存在有功功率的交换。电容电压和电容电流具有下面的动态关系：

式中，为初始时刻的电压，为电容电流。

式中，为设定值，为电容电压的实际值。根据能量平衡的原理，直流侧电容充放电过程，都是基波有功电流引起的，由此可知，直流侧电容的有功电流设为，通过比例积分调节后得到有功电流幅值。

式中，为电网瞬时电流值。如附图3所示，配电静止同步补偿器可以等效为一个电流控制电流源，对非基波有功分量反向放大，其中为非有功分量的检测单元，则有：

由上式可得

其中，为负载电流的谐波分量，可见在输入量稳定的前提下，如果放大倍数值足够大，输出的电流中的谐波分量就可以足够小，从而使输入电流只含有功电流，此种控制方式形成了闭环系统，适当调节比例系数值，功率因数就可以无限趋近于1。

自适应模糊比例积分系统是以常规比例积分控制为前提，采用模糊推理思想，将误差和误差变化率作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对比例积分参数进行实时整定，从而使比例积分参数最优，自适应模糊比例积分控制结构如附图4所示。

模糊控制的基本思想是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量和误差变化率，确保被控对象有良好的动、静态性能。首先根据经验值设定、的值，然后通过模糊推理得到修正值、，由经验值和修正值得到最优和。

上式中、为系统的经典比例积分参数，、为模糊推理得到的调整值。根据图4实现了对比例积分参数的优化，根据比例积分的控制算式：

式中，为比例系数；为积分系数。

根据参数，对系统输出特性的影响，可得出在不同和参数的整定原则，图18及图19分别给出了、的模糊控制规则。

(1)当输入量很大时，不管误差趋势如何变化，都应使控制器按最大(或最小)输出，从而以最大速度减小误差的绝对值。同时为了使积分不饱和，此时应取较小的，其值甚至可以取零和较大。

(2)当输入量和为中等大小时，为减小系统响应的超调量，和的值都不能太大，应该减小、来确保系统的响应速度。

(3)当输入量较小时，说明误差的绝对值向减小的趋势发展，或者已达到平衡状态。此时，和的取值不用变化，可采取保持控制器输出不变。

实施例4：

实施例1或2所述的无谐波及无功检测的配电静止同步补偿控制方法，方法通过直流侧电容电压设定值与反馈值的差值，经过比例积分调节得到系统基波有功分量值，然后与电网电源所侧电流值相减，得到需要补偿的谐波及无功电流值。

如附图5所示，在三相三线制系统中，电源经隔离开关Q1与装置相连接，熔断器FU1-FU3起到过流保护作用，过压抑制器FA1-FA3防止电源侧过电压对装置电力电子模块击穿影响，C1-C3、R1-R3、41-C6、R4-R6为装置输出滤波器，用来滤除装置输出补偿电流的高频毛刺，热过载继电器JR1可以用来当装置输出波形谐波超限时，及时切除装置，保护电网不受影响。接触器MC与充电电阻R7-R9可以实现装置软启动，即装置启动时，首先经电阻R7-R9给直流电容充电，达到工作电压后接触器MC闭合，装置开始工作。TA4-TA6为输出电流测量互感器，用来监测装置输出电流，该采样电流并不参与控制算法运算。电抗器L1-L3为变流器输出电感，用来将变流器PWM电压转化为平滑的正弦或待补偿谐波电流。IGBT模块S1-S3为大功率电力电子器件，在控制器发出的控制指令作用下，产生补偿波形。无感电容C10-C12的作用是吸收IGBT模块的开关尖峰，保护模块与净化波形。直流电容C13为电解电容，由2个450V电容串联满足耐压900V的要求，同时由多个电容支路并联满足电容值的要求。电阻R16为放电电阻，确保装置停机或检修时在短时间内将直流电容上的参与电荷放到安全电压以下。

实施例5：

附图6为信号调理电路，包括：以芯片U2运算放大器OP07及其周围辅助元件构成的滤波电路，以运放LM339为核心的比例放大电路。滤波前后的波形对比如附图7示波器波形所示。

实施例6：

附图8所示为直流侧电容电压调节电路，直流电压采样后Vdc经U1射极跟随器后与U2输出的直流电压设定值二者相减，然后连到比例积分调节器上，比例积分调节器采用的是由，以及组成，，来设置电容电压的参考值，比例积分调节器输出即为有功基波电流的有效值。

实施例7：

附图9为电流比较计算环节电路，将附图8中输出的A相有功基波电流的有效值与A相标准参考电压在乘法器AD633中相乘构成瞬时A相有功基波电流，然后与电源侧检测电流在U6运放AD082中进行相减运算形成误差量，在芯片U7B中通过滞环比较，形成IGBT开关信号。

实施例8：

附图10为死区设置与互补信号输出电路，由CD4069反相器，CD4073与门，CD4041四同相/反相缓冲器以及电阻、电容构成，通过调节外接R70、R72的阻值，从而改变C45、C46上的充放电电流，来设置死区时间。在RC电路中，电压充电的快慢是取决于指数的大小，根据IGBT模块的死区时间要求，按照要求设置死区时间大概在2.7us，最后计算出衰减常数

=1.3s，根据求得

13kΩ，电容

0.1nF。最终信号输出，由于两路输出之间相差一个反相器，因此输出A0、A1之间形成具有死区时间的互补输出开关信号。

实施例9：

附图11是电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果投入前三相电压电流曲线图，由附图11可以明显看出，三相存在严重的不平衡现象并且含有大量的谐波，附图12是电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果投入配网静止同步补偿器后的波形，通过对比可知，采用直接控制电源电流方式的DSTATCOM，可以使三相平衡，并且可以补偿无功，滤除谐波。附图13是电源侧电流控制的DSTATCOM 三相补偿效果DSTATCOM输出的补偿电流。

实施例10：

附图14为电源电流控制的DSTATCOM的过渡过程，由图可以明显的看出，投入前系统三相电流存在严重的不平衡现象，投入配网静止同步补偿器补偿之后的电流波形，通过对比可知，采用直接控制电源电流方式的DSTATCOM，可以使三相系统电流实现平衡。

实施例11：

附图15为电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果补偿前A相电压电流，存在较大的无功；附图16为电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果补偿后A相电压电流，波形基本上重合，无功得到较大补偿；附图17为电源侧电流控制的DSTATCOM的A相补偿结果负荷切换时直流侧电容电压波动，可见波动中直流电压基本上保持稳定，直流电压控制比较平稳，没有大的过冲现象。