CN104135176B - 一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域。通过采集三相桥臂的三倍频环流，并将其转换到三倍频同步旋转坐标系的d轴和q轴下，在d轴和q轴下分别引入三倍频环流d轴量和q轴量的反馈，并通过比例积分控制产生三倍频参考电压的d轴分量和q轴分量，然后生产三倍频电压的瞬时值信号，叠加在三相桥臂脉冲宽度调制的参考电压信号上，使三相桥臂产生一个抵消环流作用的三倍频电压，实现三角形连接链式换流器中三倍频环流的抑制，避免三相环流对三相桥臂的电流有效值的影响，并降低换流器的损耗。

Description

一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，尤其是涉及采用三角形连接链式换流器的静止无功发生器(STATCOM)的三倍频环流抑制方法，属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域。

背景技术

基于电压源换流器的静止无功发生器(STATCOM)能够以很快的响应速度输出动态无功电流，提高系统的动态无功支撑能力，从而提高系统电压稳定性。在用户侧也可以通过STATCOM提高功率因数或者补偿不对称负荷，从而提高电能质量。链式换流器是通过全桥单元级联的一种多电平换流器拓扑结构，具有容易实现大电平数目的特点，从而易于实现高压大容量。链式换流器还具有谐波特性好和易于模块化实现等特点。目前链式换流器已经成为中高压STATCOM最为普遍的换流器型式。

链式换流器的每个桥臂由多个全桥单元(链节单元)级联构成的，三个桥臂可以连接成为星形的方式或者三角形的方式，组成三相链式换流器。在同等电网电压等级和装置容量等级的情况下，星形连接方式下各桥臂所承受的电压相对较低，但是桥臂流过的电流较大；三角形连接方式各桥臂所承受的电压相对较高，但是桥臂流过的电流较小。由于目前开关器件的通流能力有限，为了避免开关器件的并联，容量较大的STATCOM装置宜采用三角形连接方式的链式换流器。另外在系统不对称运行的条件下，由于星形连接方式的三相桥臂电流不能完全解耦控制，装置可控性存在较大的风险，不对称工况下的运行范围受到较大限制。三角形连接的链式换流器三相桥臂电流可以分别控制，在不对称工况下的可控性更好，并且具有更大的运行范围。因此目前较大容量的STATCOM装置多采用三角形连接的链式换流器结构。

但是三角形连接链式换流器存在三相桥臂间的三倍频环流问题。由于桥臂电流会通过脉冲宽度调制的开关动作耦合到各链节单元的直流电容中，引起直流电容电压的二倍频波动。链节单元直流电容电压的二倍频波动电压又通过脉冲宽度调制的开关动作耦合到链节单元交流端口上，从而在换流器桥臂上形成三倍频电压波动量。由于三相桥臂的三倍频电压波动量为同相位，因此在三相桥臂间将产生三倍频的环流。正常情况下这个三倍频环流只在三相桥臂间流动，并不会流入到电网中。但是这个三倍频环流会和正常的桥臂基频电流叠加，使桥臂电流有效值增加，并增大开关器件的电流负担，同时带来装置损耗的增加而影响效率。通常这个环流的大小只能通过桥臂电抗器进行限制，因此也制约了桥臂电抗器大小的选择。

发明内容

本发明的目的是提出一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，通过采集三相桥臂的三倍频环流，对其进行处理后产生三倍频电压的瞬时值信号，叠加在三相桥臂脉冲宽度调制的参考电压信号上，使三相桥臂产生一个抵消环流作用的三倍频电压，实现三角形连接链式换流器中三倍频环流的抑制，避免三倍频环流对三相桥臂的电流有效值的影响，并降低换流器的损耗。

本发明提出的三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，包括以下步骤：

(1)分别采集三角形连接链式换流器A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂的电流瞬时值i_a、i_b和i_c，计算三角形连接链式换流器的三倍频环流瞬时值i₃，

(2)采集与三角形连接链式换流器相连的电网电压同步相位角θ；

(3)根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角θ，对i₃cos(3θ)信号进行低通滤波，再乘以2，得到三倍频环流在d轴的反馈值I_3d；根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角θ，对i₃sin(3θ)信号进行低通滤波，再乘以2，得到三倍频环流在q轴的反馈值I_3q；

(4)设定三倍频环流在d轴的参考值为0，根据上述三倍频环流在d轴的反馈值I_3d，计算d轴电流偏差信号ΔI_3d，ΔI_3d＝-I_3d；设定三倍频环流在q轴的参考值为0，根据上述三倍频环流q轴反馈值I_3q，计算q轴电流偏差信号ΔI_3q，ΔI_3q＝-I_3q；

(5)对上述d轴电流偏差信号ΔI_3d进行比例积分运算后，再乘以-1，得到三倍频电压在q轴的参考值U_3q；对上述q轴电流偏差信号ΔI_3q进行比例积分运算后，得到三倍频电压在d轴的参考值U_3d；

(6)根据上述三倍频电压在d轴的参考值U_3d、三倍频电压在q轴的参考值U_3q和同步相位角θ，计算得到^三倍频电压参考值u₃，u₃＝U_3dcos(3θ)+U_3qsin(3θ)；

(7)将上述三倍频电压参考值u₃叠加到用于对三角形连接链式换流器进行脉冲宽度调制的三相参考电压信号上，使三角形连接链式换流器的三相桥臂输出对应的三倍频电压，实现三倍频环流的抑制。

本发明提出的三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，其特点和优点是，本方法通过采集三相桥臂的三倍频环流，并将其转换到三倍频同步旋转坐标系的d轴和q轴下，在d轴和q轴下分别引入三倍频环流d轴量和q轴量的反馈，并通过比例积分控制产生三倍频参考电压的d轴分量和q轴分量，然后生产三倍频电压的瞬时值信号，叠加在三相桥臂脉冲宽度调制的参考电压信号上，使三相桥臂产生一个抵消环流作用的三倍频电压，实现三角形连接链式换流器中三倍频环流的抑制，避免三倍频环流对三相桥臂的电流有效值的影响，并降低换流器的损耗。本发明方法可以使三角形链式换流器中的三倍频环流被抑制到零，避免因三倍频环流引起桥臂电流有效值的增加而给开关器件带来的额外负担。由于三倍频环流被抑制为零，换流器的损耗也可以相应的减小，带来装置效率的提高。在选择连接电抗器时也不再需要考虑其对三倍频环流的限制作用，因此连接电抗器可以选取较小的电感值，有利于降低装置的制备成本和占地。

附图说明

图1是本发明方法涉及的三角形连接链式换流器的结构示意图。

图2是本发明提出的三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法的原理框图。

图3是采用已有方法的三相桥臂电流波形图。

图4是采用本发明方法的三相桥臂电流波形图。

具体实施方式

本发明提出的三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集链式换流器A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂的电流瞬时值i_a,i_b,i_c，计算链式换流器的三倍频环流瞬时值i₃，

(2)采集电网电压同步相位角度θ；

(3)根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角度θ，将i₃cos(3θ)信号通过一个低通滤波器，再乘以2后得到三倍频环流d轴反馈值I_3d；根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角度θ，将i₃sin(3θ)信号通过一个低通滤波器，再乘以2后得到三倍频环流q轴反馈值I_3q；

(4)设定三倍频环流d轴参考值为0，根据上述三倍频环流d轴反馈值I_3d，计算d轴电流偏差信号ΔI_3d＝-I_3d；设定三倍频环流q轴参考值为0，根据上述三倍频环流q轴反馈值I_3q，计算q轴电流偏差信号ΔI_3q＝-I_3q；

(5)将上述d轴电流偏差信号ΔI_3d通过比例分控制器后，再乘以-1，得到三倍频电压q轴参考值U_3q；将上述q轴电流偏差信号ΔI_3q通过比例分控制器后，得到三倍频电压d轴参考值U_3d；

(6)根据上述三倍频电压d轴参考值U_3d、三倍频电压q轴参考值U_3q和同步相位角度θ，计算得到三倍频电压参考值u₃，u₃＝U_3dcos(3θ)+U_3qsin(3θ)；

(7)将上述三倍频电压参考值u₃叠加到链式换流器脉冲宽度调制的三相参考电压信号上，使链式换流器的三相桥臂输出对应的三倍频电压，实现三倍频环流的消除。

以下结合附图详细说明本发明内容。

图1是本发明方法涉及的三角形连接链式换流器的结构示意图。链式换流器的是由3个桥臂组成，每个桥臂由N个全桥单元(链节单元)顺序级联构成。三相电网电压信号通过锁相环(PLL)可以得到电网电压的同步相位角度θ。

三相桥臂中的电流i_a,i_b,i_c如附图中所示。链式换流器的三倍频环流瞬时值可以通过采集三相桥臂电流i_a,i_b,i_c计算如下：

$i_3=\frac{i_a+i_b+i_c}{3}---\left(1\right)$

为了对换流器的三倍频环流进行抑制，需要对三倍频环流进行反馈控制。为了从瞬时值中提取出三倍频环流的幅值和相位特征信息，采用将三倍频电流信号分解到三倍频同步旋转坐标系的d轴和q轴上，并设三倍频环流瞬时值随同步相位角θ变化的表达式如下：

i₃＝I_3dcos(3θ)+I_3qsin(3θ)(2)

为了通过三倍频环流的瞬时值信号检测出三倍频环流d轴反馈值I_3d，将cos(3θ)乘以三倍频环流瞬时信号i₃，可以计算如下：

$\begin{array}{c}{i}_3\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)=(I_{3d}\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)+I_{3q}\sin \left(3\mathrm{\θ}\right))\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)\\ =\frac{1}{2}{I}_{3d}+\frac{\cos \left(6\mathrm{\θ}\right)}{2}{I}_{3d}+\frac{\sin \left(6\mathrm{\θ}\right)}{2}{I}_{3q}\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中右部第1项为直流分量，第2项和第3项都为6倍频的交流分量。只需采用一个低通滤波器将交流分量滤除，然后再乘以2，就可以得到三倍频环流d轴反馈值I_3d。

为了通过三倍频环流的瞬时值信号检测出q轴幅值I_3q，将sin(3θ)乘以三倍频环流瞬时信号i₃，可以计算如下：

$\begin{array}{c}{i}_3\sin \left(3\mathrm{\θ}\right)=(I_{3d}\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)+I_{3q}\sin \left(3\mathrm{\θ}\right))\sin \left(3\mathrm{\θ}\right)\\ =\frac{1}{2}{I}_{3d}+\frac{\cos \left(6\mathrm{\θ}\right)}{2}{I}_{3d}+\frac{\sin \left(6\mathrm{\θ}\right)}{2}{I}_{3q}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中右部第1项为直流分量，第2项和第3项都为6倍频的交流分量。只需采用一个低通滤波器将交流信号滤除，然后再乘以2，就可以得到三倍频环流q轴幅值I_3q。

本发明所提出三倍频环流抑制方法是根据所检测出的三倍频环流反馈值使三相桥臂中产生一个三倍频的电压，使这个电压所产生的三倍频补偿电流与检测到的三倍频环流抵消。利用三倍频同步旋转坐标系，三倍频参考电压值的表达式如下：

u₃＝U_3dcos(3θ)+U_3qsin(3θ)(5)

根据附图1，可以得到注入三倍频参考电压u₃所对应产生的三倍频补偿电流如下：

$i_{3\_\mathrm{comp}}=\frac{U_{3d}\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)+U_{3q}\sin \left(3\mathrm{\θ}\right)}{{j3\mathrm{\ω}}_1{L}_C}=-\frac{U_{3q}}{{3\mathrm{\ω}}_1{L}_C}\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)+\frac{U_{3d}}{{3\mathrm{\ω}}_1{L}_C}\sin \left(3\mathrm{\θ}\right)---\left(6\right)$

根据式(6)可以得到三倍频补偿电流的控制规律。通过控制三倍频电压q轴参考值U_3q的变化，可以控制链式换流器三倍频环流的d轴分量向反方向变化；通过控制三倍频电压d参考值的变化，可以控制三倍频环流q轴分量向同方向变化。因此可以通过对前述检测到的三倍频环流d轴反馈值I_3d和q轴反馈值I_3q引入反馈控制，得到所需要的三倍频参考电压值。

控制的目标是使换流器的三倍频环流为零，因此先设定三倍频环流d轴参考值为0，根据上述三倍频环流d轴反馈值I_3d，计算出d轴电流偏差信号ΔI_3d＝0-I_3d＝-I_3d。根据式(6)所得到的控制规律，通过控制三倍频电压q轴参考值U_3q，可以控制三倍频环流d轴分量。采用比例积分控制，将上述d轴电流偏差信号ΔI_3d通过比例分控制器得到所需的三倍频电压d轴参考值。考虑到式(6)右侧中第1项存在的负号，经过比例积分控制器后还需要再乘以-1，得到三倍频参考电压q轴幅值U_3q。

同样设定三倍频环流q轴参考值为0，根据上述三倍频环流q轴反馈值I_3q，计算出q轴电流偏差信号ΔI_3q＝0-I_3q＝-I_3q。根据式(6)所得到的控制规律，通过控制三倍频电压d轴参考值U_3d，可以控制三倍频环流q轴分量。采用比例积分控制，将上述q轴电流偏差信号ΔI_3q通过比例分控制器得到所需的三倍频电压d轴参考U_3d。

根据所得到的三倍频电压d轴参考值U_3d和q轴参考值U_3q，通过式(5)的方式计算可以得到三倍频参考电压瞬时值u₃。链式换流器的正常电流控制环节会产生三相参考电压u_refa1，u_refb1，u_refc1。将三倍频参考电压瞬时值u₃分别与三相参考电压u_refa1，u_refb1，u_refc1相加，得到最终的三相参考电压如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{refa}}=u_{\mathrm{fefal}}+u_3\\ u_{\mathrm{refb}}=u_{\mathrm{refb}1}+u_3\\ u_{\mathrm{refc}}=u_{\mathrm{refc}1}+u_3\end{array}\right.---\left(7\right)$

将式(7)所示的三相参考电压输入到脉冲宽度调制环节，得到链式换流器的触发脉冲信号。

图2给出了上述方法的详细控制框图。

图3是采用已有方法时三角形连接链式换流器的三相桥臂电流波形，可以看出三相桥臂间存在较大的三倍频环流分量。

图4是采用本发明提出方法时三角形连接链式换流器的三相桥臂电流波形，可以看出三相桥臂间的三倍频环流分量得到有效抑制，各三相桥臂电流为基频正弦波形。

通过本发明所提方法可以使三角形链式换流器中的三倍频环流被控制到零，避免因三倍频环流引起桥臂电流有效值的增加而给开关器件带来的额外负担。由于三倍频环流被抑制为零，换流器的损耗也可以相应的减小，带来装置效率的提高。在选择连接电抗器时也不再需要考虑其对三倍频环流的限制作用，因此连接电抗器可以选取较小的电感值，有利于装置降低成本和占地。

Claims (1)

1.一种三角形连接链式换流器的三倍频环流抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)分别采集三角形连接链式换流器A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂的电流瞬时值i_a、i_b和i_c，计算三角形连接链式换流器的三倍频环流瞬时值i₃，

(2)采集与三角形连接链式换流器相连的电网电压同步相位角θ；

(3)根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角θ，对i₃cos(3θ)信号进行低通滤波，再乘以2，得到三倍频环流在d轴的反馈值I_3d；根据上述三倍频环流瞬时值i₃和同步相位角θ，对i₃sin(3θ)信号进行低通滤波，再乘以2，得到三倍频环流在q轴的反馈值I_3q；

(4)设定三倍频环流在d轴的参考值为0，根据上述三倍频环流在d轴的反馈值I_3d，计算d轴电流偏差信号ΔI_3d，ΔI_3d＝-I_3d；设定三倍频环流在q轴的参考值为0，根据上述三倍频环流q轴反馈值I_3q，计算q轴电流偏差信号ΔI_3q，ΔI_3q＝-I_3q；

(5)对上述d轴电流偏差信号ΔI_3d进行比例积分运算后，再乘以-1，得到三倍频电压在q轴的参考值U_3q；对上述q轴电流偏差信号ΔI_3q进行比例积分运算后，得到三倍频电压在d轴的参考值U_3d；

(6)根据上述三倍频电压在d轴的参考值U_3d、三倍频电压在q轴的参考值U_3q和同步相位角θ，计算得到三倍频电压参考值u₃，u₃＝U_3dcos(3θ)+U_3qsin(3θ)；

(7)将上述三倍频电压参考值u₃叠加到用于对三角形连接链式换流器进行脉冲宽度调制的三相参考电压信号上，使三角形连接链式换流器的三相桥臂输出对应的三倍频电压，实现三倍频环流的抑制。