CN103715693A - 一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法，本混合系统控制方法包括直流稳压模块控制、电压补偿模块控制以及故障限流模块控制三个部分；所述直流稳压模块控制采用SVPWM控制为直流侧提供有功能量交换通道；电压补偿模块控制采用广域预测变PI控制，对电网电压的波动进行精确跟踪补偿。本发明提出的控制方法能够有效的实现电压实时补偿，能够及时限制短路电流，以提高电网供电可靠性以及安全性。

Description

一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法。 

背景技术

随着社会的不断发展进步，电能质量越来越受到人们的重视。而短路故障的频繁发生，过大的短路电流会将损坏电网设备，同时可能会对用户电气设备造成损坏；电压暂升、暂降和不平衡会对某些敏感用户造成损失，严重情况下会造成巨大的经济损失。虽然已经有许多限流以及电压补偿装置，但是大部分产品还存在许多不足： 

1、传统串联限流电抗长期串联在线路中，在电网正常情况其上的损耗非常大； 

2、电压补偿装置常见的控制方法有PI控制和滞环控制等；采用PI控制时控制精度较差且PI参数较难以调节；滞环控制时环宽的设定对系统影响较大，环宽小时对开关管的频率要求高，环宽过大又不能准确的达到补偿要求； 

3、直流侧稳压装置常使用传统的PI控制，无差拍控制等；当采用这些控制方法时交流侧电压发生波动时，直流稳压值会发生较明显的变化，不能很好地为共用直流侧的电压补偿装置提供能量。 

因此，有必要设计一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法，该电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法能提供稳定的直流侧电压，同时提高电压补偿精度，能够在电网发生短路故障的时候限制短路电流。 

发明的技术解决方案如下： 

一种电压补偿和故障限流混合系统，包括三相变压器、直流稳压模块(1)、电压补偿模块(2)、限流模块(3)、三个单相变压器、控制器和脉冲驱动电路； 

直流稳压模块的输出侧并联有电容器； 

所述的直流稳压模块为由6个IGBT组成的三相桥式整流器； 

所述的电压补偿模块包括相互独立的3个单相逆变器，所述的单相逆变器为由4个IGBT组成的桥式逆变器； 

所述的限流模块包括相互独立的3个限流模块； 

三相电网通过主变压器与三相桥式整流器的交流侧相接； 

三相桥式整流器的直流侧分别通过3个单相逆变器与3个限流模块的输入侧对应相接，3个限流模块的输出侧分别于三个单相变压器的原边对应相接；三个单相变压器的次边分别串接在三相电网为三相非线性负载供电的主电路中； 

所述的限流模块包括2个并联在单相逆变器直流侧(即输出侧)的晶闸管；且2个晶闸管反向设置；还包括串联在所述晶闸管与单相变压器原边之间的供电回路中的限流电抗器以及与单相变压器原边并联的电容； 

所述的控制器与脉冲驱动电路相连；所述的脉冲驱动电路为直流稳压模块(1)、电压补偿模块(2)和限流模块(3)提供触发脉冲。 

【2个电容，以及3个电感L1，L2，L3的参数都是跟设计参量有关的，直流电容跟负载有功容量，允许纹波有关，电感参数与负载容量，变压器变比，限流目标有关，滤波电容与控制频率和LC谐振次数有关，这些设计参量一旦变化，所有参数都是要改变的，没办法给出范围的。--实例中可让电容为15000uF,电感L1=L2=L3为0.5mH】 

一种基于前述的的电压补偿和故障限流混合系统的控制方法，包括直流稳压控制、电压补偿控制和限流控制三部分； 

直流稳压控制为基于SVPWM的控制，电压补偿控制采用采用广域预测变PI控制；限流控制为基于限流电抗和双向可控硅的控制。 

所述的直流稳压控制包括以下步骤： 

1)检测三相电网电压E_a，E_b，E_c、三相电网电流I_a，I_b，I_c，通过PLL锁相三相电网电压得到角度θ【这个角度就是跟随电网电压相角实时变化的角度从0-360°，而后依次循环。举例，A相电压此时相角为30°，θ=30°。θ是个跟随电网电压角度实时变化的参数。】；通过abc-dq变换得到E_d，E_q和I_d，I_q； 

2)检测三相桥式整流器的直流侧电压U_dc，用直流侧参考电压U_ref减去U_dc，经PI控制得到整流器d轴参考输入电流

系统中设置q轴参考电流

为0； 

3)计算电压指令矢量V_d，V_q： 

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=\mathrm{PI}(I_d^{*}-I_d)+\mathrm{\ω}{L}_o{I}_q+E_d\\ V_q=\mathrm{PI}(I_q^{*}-I_q)+\mathrm{\ω}{L}_o{I}_d+E_q\end{array}\right.,$ 其中Lo即三相桥式整流器输出电感； 

4)并将电压指令矢量由旋转矢量dq变换为静止坐标αβ得到U_α，U_β； 

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right];$

5)判断电压矢量V_d，V_q所在扇区(N)： 

由中间量A，B，C判断电压矢量所在扇区，其计算公式为 

$\left\{\begin{array}{c}A=U_{\mathrm{\β}}\\ B=U_{\mathrm{\α}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}-U_{\mathrm{\β}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}\\ C=-U_{\mathrm{\α}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}-U_{\mathrm{\β}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}\end{array}\right.$

扇区计算公式为： 

N=sign(A)+2sign(B)+4sign(C)， 

其中 $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&GreaterEqual;0\\ 0& x<0\end{array}\right.;$

5)计算相邻两电压矢量作用时间T_x，T_y； 

首先计算中间变量X，Y，Z： 

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\&beta;}}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Y=(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Z=(-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$

其中T_s取1，【T_s表示一个控制周期。】U_dc为直流侧实际电压值。T_x，T_y赋值表如下所示： 

扇区号

1

2

3

4

5

6

Tx

-Z

Z

X

-X

-Y

Y

Ty

X

Y

-Y

Z

-Z

-X

还需判断电压矢量的端点是否超出正六边形内切圆从而对T_x，T_y进行修正： 

首先根据上述赋值表格计算出T_x、T_y，接着判断T_x+T_y>T_s是否成立，如果不成立，则T_x、T_y保持不变；如成立，则设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间即修正后的时间分别为T′_x、T′_y，有： 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x^{\&prime;}=\frac{T_x}{(T_x+T_y)T_s}\\ T_y^{\&prime;}=\frac{T_y}{(T_x+T_y)T_s}\end{array}\right.,$ 并将T′_x、T′_y分别赋值给T_x，T_y； 

6)计算三相A，B，C三相对应的开关时间T_cm1，T_cm2，T_cm3： 

首先计算中间变量T_a，T_b，T_c， 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=\frac{(T_s-T_x-T_y)}{4}\\ T_b=T_a+\frac{T_x}{2}\\ T_c=T_b+\frac{T_y}{2}\end{array}\right.$

根据中间变量T_a，T_b，T_c，对A，B，C三相开关作用时间按下表赋值： 

扇区号

1

2

3

4

5

6

Tcm1

Tb

Ta

Ta

Tc

Tc

Tb

Tcm2

Ta

Tc

Tb

Tb

Ta

Tc

Tcm3

Tc

Tb

Tc

Ta

Tb

Ta

7)控制PWM整流器输出电压： 

将T_cm1，T_cm2，T_cm3与载波比较，将指令信号输入IGBT以维持直流侧电压稳定。 

所述的电压补偿控制包括以下步骤： 

1)检测系统三相电压U_sa、U_sb、U_sc，电压补偿模块实际输入到电网中的电压U_dvra、U_dvrb、U_dvrc，系统电压参考值为

则电压补偿模块的补偿电压参考值为系统参考电压值减去系统侧实际电压值，即  $U_{\mathrm{dvra}}^{*},U_{\mathrm{dvrb}}^{*},U_{\mathrm{dvrc}}^{*};$

2)电压补偿模块实际输出电压与参考输出电压之间的误差使用PI调节，经过调制后产生电压补偿模块中IGBT的控制信号【PI参数根据系统的参数的不同而有所不同，所以一般不给出。-PI参数是通过不断调试得出，一个PI参数并不适用于所有应用实例。PI控制的量是补偿实际输出电压与参考输出量之差。】 

【PI控制器的输出量是我要调制的量。对应的是补偿实际输出与参考量之差，不是具有物理意义的量，只是个差值。】 

【控制目标是实现 $\{U_{\mathrm{dvra}},U_{\mathrm{dvrb}},U_{\mathrm{dvrc}}\}=\{U_{\mathrm{dvra}}^{*},U_{\mathrm{dvrb}}^{*},U_{\mathrm{dvrc}}^{*}\},$ 即系统电压发生跌落时，电压补偿模块能够使得负载侧电压维持在原来的水平即不发生跌落，从而能够保持负载的正常运行；】 

3)参考补偿电压

与电压补偿器实际输入的电压U_dvr之间的误差U_error、PI调节后的信号u(s)的变化量和实际输出U_dvr作为广域预测控制的输入，计算PI控制器的参数的更新值K_p、K_I，实现PI控制器的在线调节； 

广域预测控制的输入为实际输出的补偿电压U_dvr，期望输出电压

输出为Kp,Ki参数，广域预测控制准则的目标函数为： 

$J=\underset{k=N_1}{\overset{N_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[y_r(s+k)-y_n(s+k)]}^2+\underset{k=1}{\overset{N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_k{\left[\mathrm{\&Delta;u}(s+k-1)\right]}^2;$ 【利用这个目标函数的偏导求PI 参数。】 

其中，N₁为最小预测时域长度，N₂为最大预测时域长度，N_u为控制时域长度【只要保证N_u为控制时域长度，1≤N₁≤N₂即可】，y_r(s+k)为(s+k)时刻U_dvr的期望响应即

【期望响应就是我希望输出的电压，即指令电压】，y_n(s+k)为(s+k)时刻电压补偿模块的实际输出即U_dvr，Δu(.)为J的控制变量，Δu(.)=k(s)；k(s)=[k₀ k₁]；λ_k为权值因子【λ_k为0≤λ_k≤1的一个人为定义的权重系数-实例中可令其大小为0.3】；则按照以下进行PI参数的更新计算： 

第一步：利用齐格勒-尼克尔斯整定方法离线整定K_p，K_i； 

第二步：求取期望值与预测值的误差； 

第三步：进行判断，第二步得到的误差为零就保持PI参数不变；如果误差不为零就进行下一步； 

第四步：k(s)=[k₀ k₁]，k₀=K_p+K_i；k₁=-K_p，根据

确定PI参数；【k(s)对应的是Δu(.)】 

第五步：返回第二步。 

所述的限流控制包括以下步骤： 

首先系统检测短路故障是否发生；【检测和故障判定：多次检测线路电流的大小和电流变化率，当电流值多次大于限定值且电流变化率多次大于限定值后认定短路故障发生。】 

若系统未发生短路故障，则可控硅不导通【装置继续工作在电压补偿状态下】； 

若检测到系统发生短路故障，则控制系统触发故障相可控硅导通，将限流电抗串入系统进行限流； 

可控硅动作规则如下：在接地系统中，当某一相或某几相发生短路故障时，故障相的限流装置动作，系统控制可控硅闭合将限流电抗串入系统；在不接地系统中，单相接地故障发生时，限流装置不动作，系统可以带故障继续运行，当发生两相或者三相短路故障时，故障相限流装置动作，限制短路电流增大。 

本发明的工作原理为：所述电压补偿和故障限流混合系统控制方法由直流稳 压模块控制，电压补偿模块控制与故障限流模块控制构成。直流稳压模块控制与电网进行有功交换为电压补偿模块提供能量，电压补偿模块能够补偿系统电压保持负载侧电压不变，限流模块能够在系统发生短路故障时及时串入系统限制短路电流。 

有益效果： 

本发明的电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法，包括直流稳压模块控制、电压补偿模块控制以及故障限流模块控制三个部分；所述直流稳压模块控制采用SVPWM控制为直流侧提供有功能量交换通道；电压补偿模块控制采用广域预测变PI控制，对电网电压的波动进行精确跟踪补偿。本发明提出的控制方法能够有效的实现电压实时补偿，能够及时限制短路电流，以提高电网供电可靠性以及安全性。 

本发明的电压补偿和故障限流混合系统及其控制方法实现了电压补偿和故障限流的双重功能。该混合系统的直流稳压模块采用SVPWM方式控制，直流侧电压稳定度好，带负载能力强；电压补偿模块采用广域预测变PI参数控制，通过广域预测控制实现在线修改PI参数，控制精度大大提升，实现精确补偿；故障限流装置在系统正常运行时不直接串入系统大大减少损耗，当系统发生故障时能够及时的串入系统限制短路电流。 

附图说明

图1为电压补偿和故障限流混合系统的总体结构示意图； 

图2为直流稳压模块控制原理图 

图3为电压补偿模块控制原理图； 

图4为PI参数更新流程图。 

标号说明：1-直流稳压模块，2-电压补偿模块，3-限流模块。 

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明： 

实施例1： 

如图1-图4所示，本发明电压补偿和故障限流混合系统控制方法包括直流稳 压模块控制、电压补偿模块控制和故障限流模块控制。图1中虚框1内表示的直流稳压模块，虚框2内表示的是电压补偿模块，虚框3内表示的是限流模块。直流稳压模块通过与电网并联取得能量，再经过整流桥得到直流电压为电压补偿模块提供有功；电压补偿模块通过从直流稳压模块取能，在电网电压发生跌落时，实时的补偿负载侧电压使得负载侧电压保持不变；当系统发生短路故障时，控制系统迅速封锁电压补偿模块中的IGBT并迅速短路限流模块中的限流电感，将限流电感串入系统以限制短路电流。所述电压补偿和故障限流混合系统控制方法中直流稳压模块采用SVPWM控制方法；电压补偿模块控制采用可在线修改参数的PI控制器进行调节，经三角波调制后形成IGBT控制信号，通过广域预测控制进行PI参数的在线修正，实现精确控制。当系统发生故障时，故障限流模块控制系统会迅速封锁故障相H桥IGBT，触发可控硅开通，以短路的方式将限流电抗串入系统限流。 

所述电压补偿和故障限流混合系统控制方法中的直流稳压模块控制方法包括以下步骤： 

1)检测三相电网电压E_a，E_b，E_c、三相电网电流I_a，I_b，I_c，通过PLL锁相三相电网电压得到角度θ；通过abc-dq变换得到E_d，E_q和I_d，I_q； 

检测检测稳压模块的直流侧电压U_dc【因为系统中只有一个直流电压即稳压模块后电容两端电压，稳压模块和电压补偿模块的直流侧是共用的。】，用直流侧参考电压U_ref【参考电压的取值依据并联变压器的变比，串联变压器的变比，想要补偿的电压范围和器件的耐压给出，例如你想让直流电压稳到800V，则可以设置U_ref=800V。参考电压的取值根据系统的不同而不同，一般合理即可。】减去U_dc，经PI控制得到整流器d轴参考输入电流

系统中设置q轴参考电流

为0；【pi参数的整定为现有技术】【另外，图2中有3个pi控制器，实例中直流侧相减的PI参数为P参数为0.02，I参数为0.0001，另外两个PI参数相同，实例中可令P参数为0.01，I参数为0.001】 

2)计算电压指令矢量V_d，V_q： 

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=\mathrm{PI}(I_d^{*}-I_d)+\mathrm{\&omega;}{L}_o{I}_q+E_d\\ V_q=\mathrm{PI}(I_q^{*}-I_q)+\mathrm{\&omega;}{L}_o{I}_d+E_q\end{array}\right.;$ 【电感的取值根据稳压值和系统的不同而有所改变，实例中可让电感值为0.8mH】 

3)将电压指令矢量由旋转矢量dq变换为静止坐标αβ： 

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ U_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]$

得到U_α，U_β； 

4)判断电压矢量V_d，V_q所在扇区(N)： 

由中间量A，B，C判断电压矢量所在扇区，其计算公式为 

$\left\{\begin{array}{c}A=U_{\mathrm{\&beta;}}\\ B=U_{\mathrm{\&alpha;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{3}-U_{\mathrm{\&beta;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{6}\\ C=-U_{\mathrm{\&alpha;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{3}-U_{\mathrm{\&beta;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{6}\end{array}\right.$

扇区计算公式为： 

N=sign(A)+2sign(B)+4sign(C)， 

其中 $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&GreaterEqual;0\\ 0& x<0\end{array}\right.;$

5)计算相邻两电压矢量作用时间T_x，T_y： 

首先计算中间变量X，Y，Z： 

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\&beta;}}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Y=(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Z=(-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$

其中T_s取1，U_dc为直流侧实际电压值。计算T_x，T_y赋值表如下所示： 

扇区号

1

2

3

4

5

6

Tx

-Z

Z

X

-X

-Y

Y

Ty

X

Y

-Y

Z

-Z

-X

如上表所示，当电压矢量位于第一扇区即N=1时，相邻电压矢量的作用时间分别为T_x=-Z与T_y=X。 

还需判断电压矢量的端点是否超出正六边形内切圆：【T_x+T_y>T_s成立时就代表超出了，下面的第一步已经写了，超出之后拉回内切圆的计算也在第一步写了，就是计算T′_x、T′_y】 

首先按照常规的方法计算出T_x、T_y，接着判断T_x+T_y>T_s是否成立，如果不成立，则T_x、T_y保持不变；如成立，则设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间分别为T′_x、T′_y，则有比例关系： 

$\frac{T_x^{\&prime;}}{T_x}=\frac{T_y^{\&prime;}}{T_y}$

因此可用下式求得T′_x，T′_y，T′₀： 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x^{\&prime;}=\frac{T_x}{(T_x+T_y)T_s}\\ T_y^{\&prime;}=\frac{T_y}{(T_x+T_y)T_s}\\ T_0=0\end{array}\right.$

然后可由此左右相邻两电压空间矢量和零矢量的持续时间。 

6)计算三相A，B，C三相对应的开关时间T_cm1，T_cm2，T_cm3： 

首先计算中间变量T_a，T_b，T_c， 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=\frac{(T_s-T_x-T_y)}{4}\\ T_b=T_a+\frac{T_x}{2}\\ T_c=T_b+\frac{T_y}{2}\end{array}\right.$

根据中间变量T_a，T_b，T_c，对A，B，C三相开关作用时间赋值： 

扇区号

1

2

3

4

5

6

Tcm1

Tb

Ta

Ta

Tc

Tc

Tb

Tcm2

Ta

Tc

Tb

Tb

Ta

Tc

Tcm3

Tc

Tb

Tc

Ta

Tb

Ta

7)控制PWM整流器输出电压： 

将T_cm1，T_cm2，T_cm3与载波比较，将指令信号输入IGBT从而使得整流器输出电压，维持直流侧电压稳定。 

所述电压补偿和故障限流混合系统控制方法中电压补偿模块控制方法包括以下步骤： 

3)检测电源电压U_sa、U_sb、U_sc，电压补偿模块实际输入到电网中的电压U_dvra、U_dvrb、U_dvrc，系统电压参考值为

则电压补偿模块的补偿电压参考值为系统参考电压值减去系统侧实际电压值，即

4)控制目标是实现 $U_{\mathrm{dvra}},U_{\mathrm{dvrb}},U_{\mathrm{dvrc}}{=U}_{\mathrm{dvra}}^{*},U_{\mathrm{dvrb}}^{*},U_{\mathrm{dvrc}}^{*},$ 即系统电压发生跌落时，电压补偿模块能够使得负载侧电压维持在原来的水平即不发生跌落，从而能够保持负载的正常运行； 

5)电压补偿模块实际输出电压与参考输出电压之间的误差使用PI调节，经过调制后产生电压补偿模块中IGBT的控制信号。【PI参数的整定为现有技术】 

6)参考补偿电压与电压补偿器实际输入的电压U_dvr之间的误差U_error、PI调节后的信号u(s)的变化量和实际输出U_dvr作为广域预测控制的输 入，计算PI控制器的参数的更新值K_p、K_I，实现PI控制器的在线调节。 

7)广域预测控制准则的目标函数为： 

$J=\underset{k=N_1}{\overset{N_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[y_r(s+k)-y_n(s+k)]}^2+\underset{k=1}{\overset{N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_k{\left[\mathrm{\&Delta;u}(s+k-1)\right]}^2;$

其中，N₁为最小预测时域长度，N₂为最大预测时域长度，N_u为控制时域长度，y_r(s+k)为(s+k)时刻U_dvr的期望响应即y_n(s+k)为(s+k)时刻电压补偿模块的实际输出即U_dvr，Δu(.)为J的控制变量，λ_k为权值因子。 

参见图4，广域预测PI参数更新流程阐述如下： 

第一步：利用齐格勒-尼克尔斯整定方法离线整定K_p，K_i。 

第二步：求取期望值与预测值的误差。 

第三步：进行判断，第二步得到的误差为零就保持PI参数不变；误差不为零的话就进行下一步。 

第四步：k(s)=[k₀ k₁]，k₀=K_p+K_i；k₁=-K_p，根据

确定PI参数。 

第五步：返回第二步。 

所述电压补偿和故障限流混合系统控制方法中故障限流模块控制方法包括以下步骤： 

1)系统检测短路故障是否发生； 

2)若系统未发生短路故障，则可控硅不导通，装置继续工作在电压补偿状态下； 

3)若检测到系统发生短路故障，则控制系统触发故障相可控硅导通，将限流电抗串入系统进行限流。 

4)可控硅动作规则如下：在接地系统中，当某一相或某几相发生短路故障时，故障相的限流装置动作，系统控制可控硅闭合将限流电抗串入系统；在不接地系统中，单相接地故障发生时，限流装置不动作，系统可以带故障继续运行，当发生两相或者三相短路故障时，故障相限流装置动作，限制短路电流增大。 

Claims (5)

1.一种电压补偿和故障限流混合系统，其特征在于，包括三相变压器、直流稳压模块(1)、电压补偿模块(2)、限流模块(3)、三个单相变压器、控制器和脉冲驱动电路；

直流稳压模块的输出侧并联有电容器；

所述的直流稳压模块为由6个IGBT组成的三相桥式整流器；

所述的电压补偿模块包括相互独立的3个单相逆变器，所述的单相逆变器为由4个IGBT组成的桥式逆变器；

所述的限流模块包括相互独立的3个限流模块；

三相电网通过主变压器与三相桥式整流器的交流侧相接；

三相桥式整流器的直流侧分别通过3个单相逆变器与3个限流模块的输入侧对应相接，3个限流模块的输出侧分别于三个单相变压器的原边对应相接；三个单相变压器的次边分别串接在三相电网为三相非线性负载供电的主电路中；

所述的限流模块包括2个并联在单相逆变器直流侧(即输出侧)的晶闸管；且2个晶闸管反向设置；还包括串联在所述晶闸管与单相变压器原边之间的供电回路中的限流电抗器以及与单相变压器原边并联的电容；

所述的控制器与脉冲驱动电路相连；所述的脉冲驱动电路为直流稳压模块(1)、电压补偿模块(2)和限流模块(3)提供触发脉冲。

2.一种基于权利要求1所述的电压补偿和故障限流混合系统的控制方法，其特征在于，

包括直流稳压控制、电压补偿控制和限流控制三部分；

直流稳压控制为基于SVPWM的控制，电压补偿控制采用采用广域预测变PI控制；限流控制为基于限流电抗和双向可控硅的控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的直流稳压控制包括以下步骤：

1)检测三相电网电压E_a，E_b，E_c、三相电网电流I_a，I_b，I_c，通过PLL锁相三相电网电压得到角度θ；通过abc-dq变换得到E_d，E_q和I_d，I_q；

2)检测三相桥式整流器的直流侧电压U_dc，用直流侧参考电压U_ref减去U_dc，经PI控制得到整流器d轴参考输入电流

系统中设置q轴参考电流

为0；

3)计算电压指令矢量V_d，V_q：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=\mathrm{PI}(I_d^{*}-I_d)+\mathrm{\&omega;}{L}_o{I}_q+E_d\\ V_q=\mathrm{PI}(I_q^{*}-I_q)+\mathrm{\&omega;}{L}_o{I}_d+E_q\end{array}\right.,$ 其中Lo即三相桥式整流器输出电感；

4)并将电压指令矢量由旋转矢量dq变换为静止坐标αβ得到U_α，U_β；

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ U_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right];$

5)判断电压矢量V_d，V_q所在扇区(N)：

由中间量A,B,C判断电压矢量所在扇区，其计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}A=U_{\mathrm{\&beta;}}\\ B=U_{\mathrm{\&alpha;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{3}-U_{\mathrm{\&beta;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{6}\\ C=-U_{\mathrm{\&alpha;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{3}-U_{\mathrm{\&beta;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{6}\end{array}\right.$

扇区计算公式为：

N=sign(A)+2sign(B)+4sign(C)，

其中 $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&GreaterEqual;0\\ 0& x<0\end{array}\right.;$

6)计算相邻两电压矢量作用时间T_x，T_y；

首先计算中间变量X，Y，Z：

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\&beta;}}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Y=(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Z=(-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\&beta;}})\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$

其中T_s取1，U_dc为直流侧实际电压值。T_x，T_y赋值表如下所示：

扇区号 1 2 3 4 5 6 T_x -Z Z X -X -Y Y T_y X Y -Y Z -Z -X

还需判断电压矢量的端点是否超出正六边形内切圆从而对T_x，T_y进行修正：

首先根据上述赋值表格计算出T_x、T_y，接着判断T_x+T_y>T_s是否成立，如果不成立，则T_x、T_y保持不变；如成立，则设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间即修正后的时间分别为T′_x、T′_y，有：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x^{\&prime;}=\frac{T_x}{(T_x+T_y)T_s}\\ T_y^{\&prime;}=\frac{T_y}{(T_x+T_y)T_s}\end{array}\right.,$ 并将T′_x、T′_y分别赋值给T_x，T_y；

7)计算三相A，B，C三相对应的开关时间T_cm1，T_cm2，T_cm3：

首先计算中间变量T_a，T_b，T_c，

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=\frac{(T_s-T_x-T_y)}{4}\\ T_b=T_a+\frac{T_x}{2}\\ T_c=T_b+\frac{T_y}{2}\end{array}\right.$

根据中间变量T_a，T_b，T_c，对A，B，C三相开关作用时间按下表赋值：

扇区号 1 2 3 4 5 6 T_cm1 T_b T_a T_a T_c T_c T_b T_cm2 T_a T_c T_b T_b T_a T_c T_cm3 T_c T_b T_c T_a T_b T_a

8)控制PWM整流器输出电压：

将T_cm1，T_cm2，T_cm3与载波比较，将指令信号输入IGBT以维持直流侧电压稳定。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的电压补偿控制包括以下步骤：

1)检测系统三相电压U_sa、U_sb、U_sc，电压补偿模块实际输入到电网中的电压U_dvra、U_dvrb、U_dvrc，系统电压参考值为

则电压补偿模块的补偿电压参考值为系统参考电压值减去系统侧实际电压值，即

2)电压补偿模块实际输出电压与参考输出电压之间的误差使用PI调节，经过调制后产生电压补偿模块中IGBT的控制信号；

3)参考补偿电压

与电压补偿器实际输入的电压U_dvr之间的误差U_error、PI调节后的信号u(s)的变化量和实际输出U_dvr作为广域预测控制的输入，计算PI控制器的参数的更新值K_p、K_I，实现PI控制器的在线调节；

广域预测控制的输入为实际输出的补偿电压U_dvr，期望输出电压输出为Kp,Ki参数，广域预测控制准则的目标函数为：

$J=\underset{k=N_1}{\overset{N_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[y_r(s+k)-y_n(s+k)]}^2+\underset{k=1}{\overset{N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_k{\left[\mathrm{\&Delta;u}(s+k-1)\right]}^2;$

其中，N₁为最小预测时域长度，N₂为最大预测时域长度，N_u为控制时域长度，y_r(s+k)为(s+k)时刻U_dvr的期望响应即

y_n(s+k)为(s+k)时刻电压补偿模块的实际输出即U_dvr，Δu(.)为J的控制变量，Δu(.)=k(s)；k(s)=[k₀ k₁]；λ_k为权值因子；则按照以下进行PI参数的更新计算：

第一步：利用齐格勒-尼克尔斯整定方法离线整定K_p，K_i；

第二步：求取期望值与预测值的误差；

第三步：进行判断，第二步得到的误差为零就保持PI参数不变；如果误差不为零就进行下一步；

第四步：k(s)=[k₀ k₁]，k₀=K_p+K_i；k₁=-K_p，根据

确定PI参数；

第五步：返回第二步。

5.根据权利要求2-4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述的限流控制包括以下

步骤：

首先系统检测短路故障是否发生；

若系统未发生短路故障，则可控硅不导通；

若检测到系统发生短路故障，则控制系统触发故障相可控硅导通，将限流电抗串入系统进行限流；

可控硅动作规则如下：在接地系统中，当某一相或某几相发生短路故障时，故障相的限流装置动作，系统控制可控硅闭合将限流电抗串入系统；在不接地系统中，单相接地故障发生时，限流装置不动作，系统可以带故障继续运行，当发生两相或者三相短路故障时，故障相限流装置动作，限制短路电流增大。

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