CN103532155B - 集中控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法。装置中包括多个变流器模块，各变流器模块的直流母线间通过直流母线并联电感器相互并联，具有共同的直流母线电压，各变流器模块的输出端分别串联各自的输出电感器后相互并联，作为装置的补偿电流输出端。各变流器模块共用一个主控单元，对各变流器模块的输出总电流和直流母线电压实行集中统一的控制。该装置具有输出容量大，结构简单，成本低，可靠性高，输出补偿电流的控制精度高，动态响应速度快，补偿效果好等优点。

Description

集中控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法

技术领域

本发明属于配电系统无功功率与电力谐波动态补偿技术领域，尤其涉及一种适用于低压配电系统无功功率与电力谐波动态补偿的集中控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法。

背景技术

静止同步补偿器是一种新型的电力系统无功与谐波高速动态补偿装置，近年来其技术研究和实际应用得到迅速发展。用于低压电力系统中的静止同步补偿器通常采用多模块并联输出结构，以增加其输出容量。公知的多模块并联结构中，各模块都具有相互独立的变流器和独立的输出电流跟踪控制器，系统结构较为复杂。如果能对各变流器模块的输出电流实行集中控制，则可使系统结构得到显著简化，并可改善输出电流的控制精度，提高动态响应速度。但是，要实现对输出电流的集中控制，就需要同时对各变流器模块的直流母线实行统一的功率平衡控制。然而，为降低输出电流中的开关纹波水平，各变流器模块通常采用载波相位交错方式或称多重化方式进行驱动，各变流器模块直流母线的瞬时参考电位互不相同，不能简单地相互并联。相互独立的直流母线难以实施统一的功率平衡控制，因此也难以对多模块的输出电流实施集中控制。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种能够实现对多模块静止同步补偿器的输出电流和直流母线功率平衡实施集中控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法。

为实现此目的，本发明采用如下技术方案：

一种集中控制的多模块静止同步补偿器，它包括；

多个变流器模块，相邻的变流器模块之间均接有一个直流母线并联电感器，所述直流母线并联电感器的两对同极性端分别与相邻的变流器模块的对应的直流母线引出端连接；同时，至少有一个变流器模块的直流母线引出端还与直流电压检测单元的两个输入端连接；

各变流器模块的输出端分别与相应的输出电感器串联，各输出电感器输出端相互并联后作为同步补偿器输出端与被补偿三相电力线路L1、L2和L3连接，同时各变流器模块的驱动信号输入端分别与PWM调制单元的对应驱动信号输出端连接；

PWM调制单元的调制信号输入端则与主控单元的调制信号输出端连接；

直流电压检测单元的输出端与主控单元输入端连接；

主控单元输入端还分别采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流、电压信号以及同步补偿器输出端的电流信号。

本发明的另一种技术方案为：

多个变流器模块，各变流器模块的直流母线引出端均与一个相应的直流母线并联电感器的一对同极性端连接，各直流母线并联电感器的另一对同名端并联；同时，至少有一个变流器模块的直流母线引出端还与直流电压检测单元的两个输入端连接；

各变流器模块的输出端分别与相应的输出电感器串联，各输出电感器输出端并联后作为同步补偿器输出端与被补偿三相电力线路L1、L2和L3连接，同时各变流器模块的驱动信号输入端分别与PWM调制单元的对应驱动信号输出端连接；

PWM调制单元的调制信号输入端则与主控单元的调制信号输出端连接；

直流电压检测单元的输出端与主控单元输入端连接；

主控单元输入端还分别采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流、电压信号以及同步补偿器输出端的电流信号。

所述各个直流母线并联电感器均为双绕组共模电感器。

所述主控单元的输入端与第一电流检测单元输出端连接，第一电流检测单元输入端与第一电流互感器组输出端连接，第一电流互感器组采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流信号。

所述主控单元的输入端通过交流电压检测单元采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电压信号。

所述主控单元的输入端与第二电流检测单元输出端连接，第二电流检测单元输入端与第二电流互感器组输出端连接，第二电流互感器组检测同步补偿器输出端的三相输出总电流。

所述集中控制的多模块静止同步补偿器的控制方法，步骤为：

步骤一，检测被补偿三相电力线路L1、L2和L3中的三相交流电压瞬时值u_j，j＝1，2，3和三相电流瞬时值i_j，j＝1，2，3;

步骤二，检测所述集中控制的多模块静止同步补偿器的三相补偿总电流瞬时值i_cj，j＝1，2，3;

步骤三，检测变流器模块的直流母线电压U_dc;

步骤四，根据u_j和i_j，采用公知方法计算所需的三相补偿电流瞬时值j＝1，２，3;

步骤五，按照下式计算三相PWM调制信号v_j，j＝1，2，3：

$v_j=k_1(i_{\mathrm{cj}}-i_{\mathrm{cj}}^{*})+k_2\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cj}}^{*}}{\mathrm{dt}}+k_3\frac{u_j}{U_{\mathrm{dc}}}+[k_4(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+{\∫}_0^t{k}_s(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}]\·\frac{{\mathrm{du}}_j}{\mathrm{dt}},$

其中，是直流母线电压基准值，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是由电路参数决定的常量。

步骤六，构建载频三角波信号：

$w^i\left(t\right)=w[t-\frac{(i-1)\mathrm{\τ}}{N}],i=\mathrm{1,2},...,N$

其中，w(t)是按照三角波规律以开关调制频率周期变化的三角波信号，τ是该三角波信号的周期。

步骤七，按照以下规律产生送入第i变流器模块的三相PWM驱动信号

当v_j≥wⁱ(t)时，

当v_j＜wⁱ(t)时，

其中，i＝1，2，…，N，j＝1，2，3。

步骤八，按照以下规律控制第i变流器模块中的第j相逆变半桥的上下桥臂

当上桥臂开通，下桥臂关断，逆变半桥输出高电平，

当上桥臂关断，下桥臂开通，逆变半桥输出低电平。

步骤九，各变流器模块分别通过其输出端串联的输出电感器产生所需补偿电流。

采用以上技术方案，各变流器模块的直流母线通过共模电感器相互并联在一起，可以实现相互之间直流能量的传输与平衡，并且具有相同的直流电压，因而可以对直流母线功率平衡实施统一的控制，同时，各模块间的共模电感对高频电压呈现较高阻抗，可有效抑制各变流器模块直流母线间因瞬时参考电位不同而导致的高频环流；各变流器模块的输出端通过各自的输出电感器相互并联在一起，通过控制各输出电感器的参数实现输出电流的均衡分配；通过对各变流器模块实行载波相位相互交错的PWM驱动，可使各变流器模块输出电流中的载频纹波分量相互抵消，获得纹波含量极低的总输出电流，一方面可显著降低对被补偿电力线路的高频干扰，同时也可显著降低对输出电流控制系统的干扰，从而获得更为优良的控制精度和动态响应速度；主控单元对输出总电流的瞬时值实施有效控制，获得所需的补偿电流，同时，通过调节总输出电流中的有功分量，对各变流器模块的直流母线功率平衡实施统一控制，使各变流器模块的直流母线电压保持稳定。主控单元的控制方程为：

$v_j=k_1(i_{\mathrm{cj}}-i_{\mathrm{cj}}^{*})+k_2\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cj}}^{*}}{\mathrm{dt}}+k_3\frac{u_j}{U_{\mathrm{dc}}}+[k_4(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+{\∫}_0^t{k}_s(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}]\·\frac{{\mathrm{du}}_j}{\mathrm{dt}},$

其中，等号右侧第一项为输出电流误差比例调节项，第二项为输出电流跟踪驱动调节项，第三项为交流电压扰动的前馈调节项，第四项为直流母线电压误差比例调节项，第五项为直流母线电压误差积分调节项。

各变流器模块驱动信号的PWM调制三角波电压为：

$w^i\left(t\right)=w[t-\frac{(i-1)\mathrm{\τ}}{N}],i=\mathrm{1,2},...,N$

各三角波电压在时间上依次滞后因而相位相互错开由各三角波电压对相同的调制电压v_j进行PWM调制，即可获得多重交错的PWM驱动信号由此可实现对各变流器模块的多重交错驱动。

各变流器模块采用集中统一控制后，简化了系统结构，可提高系统可靠性，降低成本。

综上所述，本发明的有益实施效果为：

1）提供了一种能够实现对多模块静止同步补偿器的输出电流和直流母线功率平衡实施集中统一控制的多模块静止同步补偿器及其控制方法；

2）能够提高输出补偿电流的控制精度和动态响应速度，从而提高多模块静止同步补偿器的补偿效果；

3）与公知的独立控制多模块静止同步补偿器相比，简化了装置结构，能够提高系统可靠性，降低成本。

4）结构简单，容易实施。

附图说明

图1为本发明第一实施例结构示意图；

图2为本发明第二实施例结构示意图；

其中：1第一直流母线并联电感器、2第二直流母线并联电感器、3第N-1直流母线并联电感器、4第一变流器模块、5第二变流器模块、6第N-1变流器模块、7第N变流器模块、8第一输出电感器、9第二输出电感器、10第N-1输出电感器、11第N输出电感器、12直流电压检测单元、13PWM调制单元、14第二电流互感器组、15第二电流检测单元、16交流电压检测单元、17主控单元、18第一电流检测单元、19第一电流互感器组。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种集中控制的多模块静止同步补偿器，如图1所示，它包括第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6和第N变流器模块7等N个变流器模块，第一输出电感器8、第二输出电感器9、第N-1输出电感器10和第N输出电感器11等N个输出电感器，第一直流母线并联电感器1、第二直流母线并联电感器2、第N-1直流母线并联电感器3等N-1个直流母线并联电感器，PWM调制单元13，主控单元17，其中：

第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6和第N变流器模块7的输出端分别串联第一输出电感器8、第二输出电感器9、第N-1输出电感器10和第N输出电感器11，然后作为所述集中控制的多模块静止同步补偿器输出端，与被补偿三相电力线路L1、L2和L3连接；

第一变流器模块4的两个直流母线引出端分别与第一直流母线并联电感器1的一对同极性端连接，第一直流母线并联电感器1的另外一对同极性端分别与第二变流器模块5的两个直流母线引出端连接，第N-1变流器模块6的两个直流母线引出端分别与第N-1直流母线并联电感器3的一对同极性端连接，第N-1直流母线并联电感器3的另外一对同极性端分别与第N变流器模块7的两个直流母线引出端连接；

第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6和第N变流器模块7等各变流器模块的驱动信号输入端分别与PWM调制单元13的对应驱动信号输出端连接，PWM调制单元13的调制信号输入端则与主控单元17的调制信号输出端连接。

第一直流母线并联电感器1、第二直流母线并联电感器2、第N-1直流母线并联电感器3等各个直流母线并联电感器均为双绕组共模电感器。

直流电压检测单元12的两个输入端分别与其中第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6和第N变流器模块7等N个变流器模块中的任一变流器模块的两个直流母线引出端连接，直流电压检测单元12的检测结果送入主控单元17。

第一电流检测单元18通过第一电流互感器组19检测被补偿三相电力线路L1、L2和L3中的电流，其检测结果送入主控单元17；

第二电流检测单元15通过第二电流互感器组14检测所述集中控制的多模块静止同步补偿器的三相输出总电流，其检测结果送入主控单元17；

交流电压检测单元16的三个输入端分别接被补偿三相电力线路L1、L2和L3，其电压检测结果送入主控单元17。

所述集中控制的多模块静止同步补偿器的控制方法，步骤为：

步骤一，由交流电压检测单元16检测被补偿三相电力线路L1、L2和L3中的三相交流电压瞬时值u_j，j＝1，2，3，由第一电流检测单元18通过第一电流互感器组19检测其中的三相电流瞬时值i_j，j＝1，2，3，检测结果送入主控单元17;

步骤二，由第二电流检测单元15通过第二电流互感器组14检测所述集中控制的多模块静止同步补偿器的三相补偿总电流瞬时值i_cj，j＝1，2，3，检测结果送入主控单元17;

步骤三，由直流电压检测单元12检测变流器模块的直流母线电压U_dc，检测结果送入主控单元17；

步骤四，由主控单元17根据u_j和i_j，采用公知方法计算所需的三相补偿电流瞬时值j＝1，2，3;

步骤五，由主控单元17按照下式计算三相PWM调制信号v_j，j＝1，2，3：

$v_j=k_1(i_{\mathrm{cj}}-i_{\mathrm{cj}}^{*})+k_2\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cj}}^{*}}{\mathrm{dt}}+k_3\frac{u_j}{U_{\mathrm{dc}}}+[k_4(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+{\∫}_0^t{k}_s(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}]\·\frac{{\mathrm{du}}_j}{\mathrm{dt}},$

其中，是直流母线电压基准值，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是由电路参数决定的常量。

步骤六，由PWM调制单元13构建载频三角波信号：

$w^i\left(t\right)=w[t-\frac{(i-1)\mathrm{\τ}}{N}],i=\mathrm{1,2},...,N$

其中，w(t)是按照三角波规律以开关调制频率周期变化的三角波信号，τ是该三角波信号的周期。

步骤七，由PWM调制单元13按照以下规律产生送入第i变流器模块的三相PWM驱动信号

当v_j≥wⁱ(t)时，

当v_j＜wⁱ(t)时，

其中，i＝1，2，…，N，j＝1，2，3

步骤八，由第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6、第N变流器模块7等各变流器模块按照以下规律控制第i变流器模块中的第j相逆变半桥的上下桥臂

当上桥臂开通，下桥臂关断，逆变半桥输出高电平，

当上桥臂关断，下桥臂开通，逆变半桥输出低电平。

步骤九，第一变流器模块4、第二变流器模块5、第N-1变流器模块6、第N变流器模块7等各变流器模块分别通过对应的第一输出电感器8、第二输出电感器9、第N-1输出电感器10、第N输出电感器11产生所需补偿电流。

图2是本发明第二实施例结构示意图。在第二实施例中，直流母线并联电感器采用了一种等效的连接方式，其他均与第一实施例完全相同，实施效果也完全相同。

本发明中的直流母线并联电感器、变流器模块、输出电感器、直流电压检测单元、PWM调制单元、电流互感器组、电流检测单元、交流电压检测单元、主控单元等均可采用公知技术实现。例如，直流母线并联电感器为常规的双绕组共模电感器，变流器模块可采用公知的电压型三相全桥逆变器，输出电感器可采用常规三相电感器，直流电压检测单元可采用市售霍尔电压传感器，PWM调制单元可采用公知的三角波发生器电路和电压比较器电路实现，电流互感器可采用常规产品，电流检测单元可由采样电阻和运算放大器按公知技术构成，交流电压检测单元可由采样变压器实现，主控单元可采用TMS320F2812等数字信号处理器构成数字化控制器，经数字化运算方式实现。

Claims (6)

1.一种集中控制的多模块静止同步补偿器，其特征是，它包括；

多个变流器模块，相邻的变流器模块之间均接有一个直流母线并联电感器，所述直流母线并联电感器的两对同极性端分别与相邻的变流器模块的对应的直流母线引出端连接；同时，至少有一个变流器模块的直流母线引出端还与直流电压检测单元(12)的两个输入端连接；

各变流器模块的输出端分别与相应的输出电感器串联，各输出电感器输出端并联后作为同步补偿器输出端与被补偿三相电力线路L1、L2和L3连接，同时各变流器模块的驱动信号输入端分别与PWM调制单元(13)的对应驱动信号输出端连接；

PWM调制单元(13)的调制信号输入端则与主控单元(17)的调制信号输出端连接；

直流电压检测单元(12)的输出端与主控单元(17)输入端连接；

主控单元(17)输入端还分别采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流、电压信号以及同步补偿器输出端的电流信号；

各个所述直流母线并联电感器均为双绕组共模电感器。

2.一种集中控制的多模块静止同步补偿器，其特征是，它包括；

多个变流器模块，各变流器模块的直流母线引出端均与一个相应的直流母线并联电感器的一对同极性端连接，各直流母线并联电感器的另一对同名端并联；同时，至少有一个变流器模块的直流母线引出端还与直流电压检测单元(12)的两个输入端连接；

各变流器模块的输出端分别与相应的输出电感器串联，各输出电感器输出端并联后作为同步补偿器输出端与被补偿三相电力线路L1、L2和L3连接，同时各变流器模块的驱动信号输入端分别与PWM调制单元(13)的对应驱动信号输出端连接；

PWM调制单元(13)的调制信号输入端则与主控单元(17)的调制信号输出端连接；

直流电压检测单元(12)的输出端与主控单元(17)输入端连接；

主控单元(17)输入端还分别采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流、电压信号以及同步补偿器输出端的电流信号；

各个所述直流母线并联电感器均为双绕组共模电感器。

3.如权利要求1或2所述集中控制的多模块静止同步补偿器，其特征是，所述主控单元(17)的输入端与第一电流检测单元(18)输出端连接，第一电流检测单元(18)输入端与第一电流互感器组(19)输出端连接，第一电流互感器组(19)采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电流信号。

4.如权利要求1或2所述集中控制的多模块静止同步补偿器，其特征是，所述主控单元(17)的输入端通过交流电压检测单元(16)采集被补偿三相电力线路L1、L2和L3的电压信号。

5.如权利要求1或2所述集中控制的多模块静止同步补偿器，其特征是，所述主控单元(17)的输入端与第二电流检测单元(15)输出端连接，第二电流检测单元(15)输入端与第二电流互感器组(14)输出端连接，第二电流互感器组(14)检测同步补偿器输出端的三相输出总电流。

6.一种权利要求1-5任一所述的集中控制的多模块静止同步补偿器的控制方法，其特征是，步骤为：

步骤一，检测被补偿三相电力线路L1、L2和L3中的三相交流电压瞬时值u_j，j＝1，2，3和三相电流瞬时值i_j，j＝1，2，3；

步骤二，检测同步补偿器输出端的三相补偿总电流瞬时值i_cj，j＝1，2，3；

步骤三，检测各变流器模块的直流母线电压U_dc；

步骤四，根据u_j和i_j，采用公知方法计算所需的三相补偿电流瞬时值i^* _cj，j＝1，2，3；

步骤五，按照下式计算三相PWM调制信号v_j，j＝1，2，3；

$v_j=k_1(i_{cj}-i_{cj}^{*})+k_2\frac{{\mathrm{di}}_{cj}^{*}}{dt}+k_3\frac{u_j}{U_{dc}}+\[k_4(U_{dc}-U_{dc}^{*})+{\∫}_o^t{k}_5(v_{dc}-U_{dc}^{*})dt\]\·\frac{{\mathrm{du}}_j}{dt},$

其中，U^* _dc是直流母线电压基准值，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是由电路参数决定的常量；

步骤六，构建载频三角波信号：

$w^i\left(t\right)=w\[t-\frac{(i-1)\mathrm{\τ}}{N}\],1=1,2,...,N$

其中，w(t)是按照三角波规律以开关调制频率周期变化的三角波信号，τ是该三角波信号的周期；

步骤七，按照以下规律产生送入第变流器模块的三相PWM驱动信号Dⁱ _j：

当v_j≥wⁱ(t)时，Dⁱ _j＝1

当v_j＜wⁱ(t)时，Dⁱ _j＝0

其中，i＝1，2，…，N，j＝1，2，3；

步骤八，按照以下规律控制第i变流器模块中的第j相逆变半桥的上下桥臂：

当Dⁱ _j＝1，上桥臂开通，下桥臂关断，逆变半桥输出高电平，

当Dⁱ _j＝0，上桥臂关断，下桥臂开通，逆变半桥输出低电平，

步骤九，各变流器模块分别通过其输出端串联的输出电感器产生所需补偿电流。