CN102998564B - 一种抑制零序直流分量的全功率试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制零序直流分量的全功率试验方法，包括以下步骤：零序直流分量的产生及提取；通过PID控制器对所述零序直流分量进行控制；抑制并消除零序直流分量。本发明提供一种抑制零序直流分量的全功率试验方法，能够抑制直流分量，以保证阀组全功率试验和满负荷通过能力的安全稳定进行，适用于柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压大容量设备。

Description

一种抑制零序直流分量的全功率试验方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种适用于柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压大容量设备的全功率试验方法。

背景技术

电力电子设备在出厂前，都需要进行电气性能检验，以测试设电气性能是否符合相关标准和要求。其中，全功率试验在众多试验方法中，占据着举足轻重的地位，它是检测电力电子设备性能最有效、最直接的方法。如风电机组、光电变换器以及其他变换/频器，要求对样机进行全功率试验。其中根据德国劳埃德船级社《风电机组认证指南》的要求，规定必须对设计后的风电样机进行全功率试验，以验证其是否符合设计指标。可见，在检验电气性能方面，全功率试验占据着极为重要的作用。

目前，全功率试验环境可以分为两大类：分别是基于无源器件构建的能耗型全功率试验环境和基于电力电子器件的有源回馈型（功率回环）全功率试验环境。鉴于前者需要消耗大量电能，不利于产品成本降低和生态环境保护，与当今社会的主题“和谐，绿色”格格不入。近年来，功率回环试验电路得到了国内外学者的广泛重视，对其进行了深入研究。所谓功率回环，即全功率试验的能量通过被测试设备后，经其他并网设备馈入电网，电网电源只承担被测设备的损耗功率，如附图1所示。由此可见，功率回环试验可解决在有限的电源容量条件下，进行大功率换流阀的全负载试验问题，并可验证换流阀的全负荷通过能力，是一种较好的选择方案。

在全功率试验中，功率回环试验无疑是最佳选择。传统意义上的功率回环电路结构，如附图2所示，其中包含六大部分，分别是1）电网；2）PCC连接点；3）工频隔离变压器；4）阀组滤波电抗器；5）VSC阀组；6）直流母线支撑电容。

其主电路为三相三线制结构，主要分为三部分：一是电压控制的PWM整流器，将电网电压整流后得到所需的直流电压，即整流侧；二是功率控制的PWM逆变器，将直流电压逆变得到电网电压，并且输出功率能够跟随给定功率，即并网侧；三是功率回路之间的工频隔离变压器，其具备解耦阀组控制的作用。但是当功率回环推动功率很大时，必须选择相应容量的隔离变压器，而高压大容量变压器的体积十分庞大，造价亦十分高昂，这势必导致回环装置的成本增高和体积变大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种抑制零序直流分量的全功率试验方法，抑制直流分量，以保证阀组全功率试验和满负荷通过能力的安全稳定进行，适用于柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压大容量设备。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种抑制零序直流分量的全功率试验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：零序直流分量的产生及提取；

步骤2：通过PID控制器对所述零序直流分量进行控制；

步骤3：抑制并消除零序直流分量。

所述步骤1中，零序直流分量存在于三相全桥全功率试验系统中，所述三相全桥全功率试验系统包括电网、整流侧模块、直流母线支撑电容器组和并网侧模块，所述整流侧模块通过直流母线支撑电容器组与并网侧模块连接，组成背靠背电路，所述背靠背电路通过PCC连接点与电网连接；所述整流侧模块包括阀组滤波电抗器组Ⅰ和VSC阀组Ⅰ，所述并网侧模块包括阀组滤波电抗器组Ⅱ和VSC阀组Ⅱ。

以A相回路进行分析，所述A相回路包括电网等效电抗L_eg、阀组滤波电抗器组Ⅰ的电抗器L₁、阀组滤波电抗器组Ⅱ的电抗器L₂和A相背靠背电路；所述A相背靠背电路包括整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂，所述整流侧模块阀组A相桥臂包括IGBT1和与所述IGBT1串联的IGBT2，所述并网侧模块阀组A′相桥臂包括IGBT3和与所述IGBT3串联的IGBT4；整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂的中点分别为交流输出点A和交流输出点A′，整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂的起点、终点分别通过正直流母线、负直流母线连接，P和N分别为正直流母线和负直流母线上对应的正电位点和负电位点，正直流母线和负直流母线之间由直流母线支撑电容器组连接。

零序直流分量的产生过程如下：

在A相回路中，交流输出点A和A′开关函数为

则交流输出点A和A′对负电位点N的电压U_AN和U_A′N分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AN}}=S_A\·V_{\mathrm{dc}}\\ U_{A\′N}=S_{A\′}\·V_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，V_dc为正电位点P对负电位点N的电压；

所述负电位点N对交流电源中性点O的电压U_NO满足：

$U_{\mathrm{NO}}=U_{\mathrm{AN}}+L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+R_1{i}_1=U_{A\′N}+L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+R_2{i}_2---\left(3\right)$

其中，i₁和i₂分别为流过电抗器L₁和电抗器L₂的电流，R₁和R₂分别为电抗器L₁和电抗器L₂的串联等效电阻；所述阀组滤波电抗器组Ⅰ和阀组滤波电抗器组Ⅱ参数配置一致时，即满足L₁=L₂且R₁=R₂，令L₁＝L₂＝L，R₁＝R₂＝R，进行全功率试验时，忽略系统损耗，则近似满足i₁=i₂，令i₁≈-i₂＝i_a，i_a为流过A相回路的电流，则式（3）简化为：

$V_{\mathrm{dc}}(S_A-S_{A^{\′}})\≈2L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+{2\mathrm{Ri}}_a---\left(4\right)$

解式（4）微分方程得：

$i_a=e^{-\frac{R}{L}t}(\∫\frac{V_{\mathrm{dc}}(S_A-S_{A^{\′}})}{2L}{e}^{\frac{R}{L}t}\mathrm{dt}+C)---\left(5\right)$

对S_A和S_A′进行傅里叶分解，则其表达式写成一般通式：

$S_A-S_{A^{\′}}=S_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\sin ({\mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_n)---\left(6\right)$

其中，ω₀为工频基波角速度，S₀为开关信号中的直流成分，S_n为开关信号中相对于工频基波角速度ω₀的n次谐波成分，即是工频基波角速度ω₀的n倍分量，φ_n为对应n次谐波的相位。

将式（6）带入式（5）并求取不定积分，则有：

$i_a=\frac{V_{\mathrm{dc}}{S}_0}{2R}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{\mathrm{dc}}{S}_n}{2R}\frac{1}{1+\frac{L^2{n}^2{\mathrm{\ω}}_0^2}{R^2}}(\sin ({\mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_n)+\frac{{\mathrm{Ln\ω}}_0}{R}\cos \left({\mathrm{n\ω}}_{0}t\right))+{\mathrm{Ce}}^{-\frac{R}{L}t}---\left(7\right)$

亦可写成：

$i_a=\tilde{i}+\tilde{i}={\tilde{i}}_{\mathrm{dc}}+{\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}+\tilde{i}---\left(8\right)$

其中：

稳定直流分量表示为

稳定交流分量表示为 ${\stackrel{\‾}{i}}_{\mathrm{ac}}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{\mathrm{dc}}{S}_N}{2R}\frac{1}{1+\frac{L^2{n}^2{\mathrm{\ω}}_0^2}{R^2}}(\sin ({\mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_n)+\frac{{\mathrm{Ln\ω}}_0}{R}\cos ({\mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_n));$

暂态分量表示为

所述零序直流分量的提取过程如下：

三相全桥全功率试验系统中，由于中线的存在使得三相全桥全功率试验系统输出的三相交流电流在αβγ坐标系下的CLARKE变换公式为：

$C=k\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\\ 1/2& 1/2& 1/2\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中：时，该变换为等幅值变换；时，该变换为等功率变换；

其中，零序电流等于：

$I_o=\frac{k}{2}(i_a+i_b+i_c)---\left(10\right)$

i_b和i_c分别为流过B相和C相回路的电流。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：提取零序直流分量，并对其进行调理，得到零序电流中的直流成分，即得到零序直流反馈量；

步骤2-2：通过PID控制器进行控制，得到抑制零序直流成分的控制量；

步骤2-3：将得到的PID控制量叠加到交流调制信号中，成为调制信号的一部分，从而达到抑制零序直流分量的功效。

所述步骤3中，设开关函数S_A和S_A′的导通时间为δ_An和δ_A′n；其中n∈[1,N]，N为一个工频周期中IGBT1/IGBT2/IGBT3/IGBT4的开关次数，则：

$S_0=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{An}}-{\mathrm{\δ}}_{A\′n}---\left(11\right)$

调制过程中，实际的调制波形分别为：

其中，u_rA和u_rA′分别为实际调制过程中整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂对应的波形；m_A和m_A′分别为实际调制过程中整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂电路对应的调制度；ε_A和ε_A′分别等效为调制信号中的直流成分；和分别为整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂调制波形的相位；

每个开关周期中IGBT1和IGBT3的导通时间分别记为δ_A和δ_A′，其中IGBT2和IGBT4的导通时序与IGBT1和IGBT3互补，根据规则采样法求得：

其中T_c为PWM开关周期，t_D为规则采样法中的采样时间点；

联立式（11）~（13）求得：

$S_0=\frac{N\·T_c}{2}({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_{A^{\′}})---\left(14\right)$

显然，直流零序分量的存在与否取决于ε_A-ε_A′，于是，在某一侧的调制信号中叠加直流零序调制信号ε_X，并使之满足：

(ε_A+ε_X)-ε_A′＝0（15）

其中：ε_X为PID控制器的输出控制量；

由（15）和（16）可知，S₀＝0，即可消除零序直流分量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：与传统全功试验系统相比，在拓扑结构上，取消了工频隔离变压器，能够极大的降低硬件成本，减小系统体积，减轻系统重量质量；使得全功试验系统能够在有限场地、有限经济条件下，得以开展进行，很大程度上能够促进新型全功率试验系统的推广。

附图说明

图1是功率回环能量传输路径示意图；

图2是含工频隔离变压器的功率回环电路结构图；

图3是本发明实施例中三相全桥全功率试验系统结构示意图；

图4是本发明实施例中三相全桥全功率试验系统中A相回路结构图；

图5是本发明实施例中零序直流分量抑制流程图；

图6是本发明实施例中三相全桥全功率试验系统中VSC阀组控制流程图；

图7是采用传统控制策略的全功率试验系统回环电流波形图；

图8是采用本发明控制策略的三相全桥全功率试验系统的回环电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

以某1500V换流器全功率试验为例，按照附图3构建三相全桥全功率试验系统，并采用附图3的改进型控制策略（含直流抑制功能）。

1）硬件配置

试验系统的主要参数为：三相电压源380Vac-50Hz、升压变压器100kVA-380V/1500V、滤波电抗器14mH、直流支撑电容1000uF。阀组运行额定有功功率100kW、额定直流母线电压3kV、交流母线电压1500V、交流额定电流39A、开关频率1350Hz。

2）控制方法设计

在控制系统中加入直流抑制环节，共分为三个大步骤、五个小步骤进行，详见图4-图6。流程图含义具体说明如下：

第一步：对采样的电流信号进行dqo分离，提取分离后的零序电流成分；

第二步：对分离出的零序电流成分进行信号调理，提取出零序电流中的直流分量；

第三步：按照设计出的PID参数，并结合反馈的直流分量，进行PID控制调节，得到直流抑制的控制信号；

第四步：在控制输出的正弦调制信号中，叠加直流抑制信号，并作为最终控制调制量；

第五步：最终的调制信号和载波信号比较，得到开关器件（IGBT）的开关信号，完成闭环控制。

另外，附图7的波形为采用无工频隔离变压器回环拓扑，但是控制策略未进行改进；其试验结果与附图8（采用无工频隔离变压器回环拓扑，控制策略中含直流抑制功能）产生显明对比。结果显示，如果控制策略中未加入直流抑制算法，则阀组交流侧电流存在较大直流偏置，从而引起控制保护，试验无法进行。而在控制策略中加入直流抑制算法后，阀组交流侧的直流成分得到抑制，试验得以顺利进行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种抑制零序直流分量的全功率试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：零序直流分量的产生及提取；

步骤2：通过PID控制器对所述零序直流分量进行控制；

步骤3：抑制并消除零序直流分量；

所述步骤1中，零序直流分量存在于三相全桥全功率试验系统中，所述三相全桥全功率试验系统包括电网、整流侧模块、直流母线支撑电容器组和并网侧模块，所述整流侧模块通过直流母线支撑电容器组与并网侧模块连接，组成背靠背电路，所述背靠背电路通过PCC连接点与电网连接；所述整流侧模块包括阀组滤波电抗器组Ⅰ和VSC阀组Ⅰ，所述并网侧模块包括阀组滤波电抗器组Ⅱ和VSC阀组Ⅱ；

以A相回路进行分析，所述A相回路包括电网等效电抗L_eg、阀组滤波电抗器组Ⅰ的电抗器L₁、阀组滤波电抗器组Ⅱ的电抗器L₂和A相背靠背电路；所述A相背靠背电路包括整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂，所述整流侧模块阀组A相桥臂包括IGBT1和与所述IGBT1串联的IGBT2，所述并网侧模块阀组A′相桥臂包括IGBT3和与所述IGBT3串联的IGBT4；整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂的中点分别为交流输出点A和交流输出点A′，整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂的起点、终点分别通过正直流母线、负直流母线连接，P和N分别为正直流母线和负直流母线上对应的正电位点和负电位点，正直流母线和负直流母线之间由直流母线支撑电容器组连接；

零序直流分量的产生过程如下：

在A相回路中，交流输出点A和A′开关函数为

则交流输出点A和A′对负电位点N的电压U_AN和U_A′N分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AN}}=S_A\·V_{\mathrm{dc}}\\ U_{A^{\text{'}}N}=S_{A\′}\·V_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，V_dc为正电位点P对负电位点N的电压；

所述负电位点N对交流电源中性点O的电压U_NO满足：

$U_{\mathrm{NO}}=U_{\mathrm{AN}}+L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+R_1{i}_1=U_{A^{\′}N}+L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+R_2{i}_2---\left(3\right)$

其中，i₁和i₂分别为流过电抗器L₁和电抗器L₂的电流，R₁和R₂分别为电抗器L₁和电抗器L₂的串联等效电阻；所述阀组滤波电抗器组Ⅰ和阀组滤波电抗器组Ⅱ参数配置一致时，即满足L₁＝L₂且R₁＝R₂，令L₁＝L₂＝L，R₁＝R₂＝R，进行全功率试验时，忽略系统损耗，则近似满足|i₁|≈|i₂|，令i₁≈-i₂＝i_a，i_a为流过A相回路的电流，则式(3)简化为：

$V_{\mathrm{dc}}(S_A-S_{A\′})\≈2L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+2{\mathrm{Ri}}_a---\left(4\right)$

解式(4)微分方程得：

$i_a=e^{-\frac{R}{L}t}(\∫\frac{V_{\mathrm{dc}}(S_A-S_{A\′})}{2L}{e}^{\frac{R}{L}t}\mathrm{dt}+C)---\left(5\right)$

对S_A和S_A′进行傅里叶分解，则其表达式写成一般通式：

$S_A-S_{A\′}=S_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\sin (n{\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_n)---\left(6\right)$

其中，ω₀为工频基波角速度，S₀为开关信号中的直流成分，S_n为开关信号中相对于工频基波角速度ω₀的n次谐波成分，即是工频基波角速度ω₀的n倍分量，φ_n为对应n次谐波的相位；

将式(6)带入式(5)并求取不定积分，则有：

亦可写成：

$i_a=\stackrel{\‾}{i}+\tilde{i}={\stackrel{\‾}{i}}_{\mathrm{dc}}+{\stackrel{\‾}{i}}_{\mathrm{ac}}+\tilde{i}---\left(8\right)$

其中：

稳定直流分量表示为

稳定交流分量表示为

暂态分量表示为

2.根据权利要求1所述的抑制零序直流分量的全功率试验方法，其特征在于：所述零序直流分量的提取过程如下：

三相全桥全功率试验系统中，由于中线的存在使得三相全桥全功率试验系统输出的三相交流电流在αβγ坐标系下的CLARKE变换公式为：

$C^{\′}=k\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\\ 1/2& 1/2& 1/2\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中：时，该变换为等幅值变换；时，该变换为等功率变换；

其中，零序电流等于：

$I_o=\frac{k}{2}(i_a+i_b+i_c)---\left(10\right)$

i_b和i_c分别为流过B相和C相回路的电流。

3.根据权利要求1所述的抑制零序直流分量的全功率试验方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2‐1：提取零序直流分量，并对其进行调理，得到零序电流中的直流成分，即得到零序直流反馈量；

步骤2‐2：通过PID控制器进行控制，得到抑制零序直流成分的控制量；

步骤2‐3：将得到的PID控制量叠加到交流调制信号中，成为调制信号的一部分，从而达到抑制零序直流分量的功效。

4.根据权利要求1所述的抑制零序直流分量的全功率试验方法，其特征在于：所述步骤3中，设开关函数S_A和S_A′的导通时间为δ_Am和δ_A′m；其中m∈[1,M]，M为一个工频周期中IGBT1/IGBT2/IGBT3/IGBT4的开关次数，则：

$S_0=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Am}}-{\mathrm{\δ}}_{A\′m}---\left(11\right)$

调制过程中，实际的调制波形分别为：

其中，u_rA和u_rA′分别为实际调制过程中整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂对应的波形；m_A和m_A′分别为实际调制过程中整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂电路对应的调制度；ε_A和ε_A′分别等效为调制信号中的直流成分；和分别为整流侧模块阀组A相桥臂和并网侧模块阀组A′相桥臂调制波形的相位；

每个开关周期中IGBT1和IGBT3的导通时间分别记为δ_A和δ_A′，其中IGBT2和IGBT4的导通时序与IGBT1和IGBT3互补，根据规则采样法求得：

其中T_c为PWM开关周期，t_D为规则采样法中的采样时间点；

联立式(11)～(13)求得：

$S_0=\frac{M\·T_c}{2}({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_{A\′})---\left(14\right)$

显然，直流零序分量的存在与否取决于ε_A-ε_A′，于是，在某一侧的调制信号中叠加直流零序调制信号ε_X，并使之满足：

(ε_A+ε_X)-ε_A′＝0     (15)

其中：ε_X为PID控制器的输出控制量；

由式(14)和(15)可知，S₀＝0，即可消除零序直流分量。