CN104300824A

CN104300824A - 中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法

Info

Publication number: CN104300824A
Application number: CN201410583780.7A
Authority: CN
Inventors: 谭东旭
Original assignee: Noble Energy Technology Zhuhai Co Ltd
Current assignee: Noble Energy Technology Zhuhai Co Ltd
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2015-01-21

Abstract

本发明的中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，包括如下步骤：S1:检测各相负载电流，各相负载电压；S2:根据各相负载电压生成标准的正弦信号2sin(ωt-2mπ/3)、2sinωt，余弦信号2cos(ωt-2mπ/3)、2cosωt；S3:将步骤S1中的电流分别与步骤S2中的标准正、余信号相乘后经过截至频率高于2倍基波频率的低通滤波器滤波，得到各相负载电流的直流分量；S4:根据计算矩阵和步骤S3中各相负载电流的直流分量计算各相负载电流的补偿电流对象的幅值；S5:将补偿电流对象的幅值乘以各相负载电流的相位，得到各相理想电流iA,iB,iC；S6:将各相理想电流iA,iB,iC分别减去各相负载电流，得到各相补偿电流指令信号ia,ib,ic。

Description

中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法

【技术领域】

本专利涉及电力技术领域，具体涉及输配电领域中，用中点钳位三电平拓扑结构构成的逆变器来补偿谐波电流，对基波中的负序，零序，无功分量进行补偿的控制方法。

【背景技术】

电力电子技术带来方便，高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给公用电网的供电质量造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。

电能质量问题会产生诸多危害，诸如导致设备工作异常、产生废品、计算机复位，数据丢失，设备能效降低，寿命缩短、过热，烧毁，电容器击穿损坏、功率因数下降、设备容量下降，电力损耗增加，付出更多电费等。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种基于中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法。

本发明采用如下技术方案，提供一种中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，包括如下步骤：

S1:检测各相负载电流iLA,iLB,iLC，各相负载电压ULA,ULB,ULC；

S2:根据各相负载电压ULA,ULB,ULC用软锁相环生成标准的正弦信号2sin(ωt-2mπ/3)、2sinωt，余弦信号2cos(ωt-2mπ/3)、2cosωt；

S3:将步骤S1中的各相负载电流分别与步骤S2中的标准正、余信号相乘后经过一组截至频率高于2倍负载电流基波频率的低通滤波器滤波，得到各相负载电流的直流分量；

S4:根据计算矩阵和步骤S3中各相负载电流的直流分量计算各相负载电流的谐波电流，负序电流，零序电流，正序无功电流的幅值；

S5:将谐波电流，负序电流，零序电流，正序无功电流的幅值乘以各相负载电流的相位，得到各相理想电流iA,iB,iC；

S6:将各相理想电流iA,iB,iC分别减去各相负载电流iLA,iLB,iLC，得到各相补偿电流指令信号ia,ib,ic；输出补偿电流指令产生PWM驱动信号控制中点钳位三电平拓扑模块的开关。

优选的，所述计算矩阵为：

优选的，补偿谐波和负序、零序电流的同时也补偿基波正序无功电流时，将检测到的三相负载电流iLA,iLB,iLC求和取反后可得到中线不对称电流补偿指令。

优选的，将各相补偿电流指令信号ia,ib,ic相加取反后可得到中线不对称电流补偿指令。

本发明的有益技术效果是：

1.该补偿方法能同时对谐波，负序电流，零序电流，正序无功电流，中线不对称电流进行补偿。减少能源的附加损耗，提高了电能质量，避免了，消除了零序谐波在中线上的电流迭加，改善了电气设备的安全性能。

2.该补偿方法采用主动式无级补偿，不会产生过电压和过电流，使设备的使用寿命延长，效率提高。

3.补偿无需电力电容器，不需增大供电设备的容量。

【附图说明】

图1补偿工作原理图；

图2实施例一中的中点钳位三电平拓扑结构逆变器的电路结构框图；

图3实施例一中的中点钳位三电平拓扑结构逆变器电流补偿控制方法补偿指令运算框图。

【具体实施方式】

先概述谐波补偿原理：将电流互感器检测到负载电流进行计算，计算出负载电流基波分量，谐波、无功、不平衡分量，然后产生一个幅值和谐波、无功、不平衡分量相同，相位和谐波、无功、不平衡分量相反的电流，该电流和谐波、无功、不平衡分量相抵消，从而得到只剩下基波分量的纯净电流。其工作原理如图1所示,其中：

is＝iL+iC,其中iL为负载电流，iC未补偿电流； -----------(1)

iL＝iLf+iLh,其中iLf为负载电流的基波分量，iLh为负载电流中的谐波，无功，不平衡电流分量； -----------(2)

iC＝-iLh； -----------(3)

由公式(1)，(2)，(3)得出：

is＝iLf+iLh+iC＝iLf+iLh+(-iLh)＝iLf

为了使本专利的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式进行详细描述。

实施例一：

如图2，本实施例中的中点钳位三电平拓扑结构逆变器，包括主控模块，中点钳位三电平拓扑模块；主控模块根据检测到的负载电压和负载电流计算出补偿电流指令，产生PWM驱动信号控制中点钳位三电平拓扑模块的开关。中点钳位三电平拓扑模块将根据主控模块的控制输出与谐波电流，负序电流，零序电流，正序无功电流的幅值相同，但相位相反的补偿电流。

根据对称分量法，可以将负载电流分解为：

式中：下标0、1、2——零序分量、正序分量、负序分量；

n——谐波次数；——初相角；m——0(A相)、1(B相)、2(C相)。

通常，对于某次谐波来说，要么进行补偿，要么不进行补偿，不会选择对其中负序、零序分量进行单独补偿；而对于基波来说，往往需要选择对其中的负序、零序、无功分量进行单独补偿，因此对于基波需要做进一步的分解，而对于谐波则不需要进一步分解。所以瞬时负载电流的基波成分可以进一步分解成：

式(4-2)中，第一项代表基波正序有功电流，三相幅值相等，相位依次相差2π/3；第二项基波正序无功电流，同样是三相幅值相等，相位依次相差2π/3；第三项代表基波负序有功电流，虽然三相的相位仍然依次相差2π/3，但幅值却不相等；第四项代表基波负序无功电流(与基波电压正交)，与第三项一样虽然三相的相位仍然依次相差2π/3，但幅值也不再相等；第五项代表基波零序有功电流，虽然三相的相位仍然依次相差2π/3，但幅值却不相等；第六项代表基波零序无功电流，虽然三相的相位仍然依次相差2π/3，但幅值也不再相等。

同时，三相电网电压可以写为(假设电网电压没有畸变)，则基波瞬时功率可以写作：

由式(4-3)可以得出：

1.第一项是由基波电流的正序有功分量引起的，该部分由一个直流分量和一个二次谐波分量组成。其中直流分量部分三相相同，即从电源传输到负载的有功功率。三相的二次谐波分量幅值相同，相位依次相差4π/3，三相之和为零，表示这部分能量在三相之间流动。

2.第二项是由基波电流的正序无功分量引起的，每一相的幅值相同，且三相之和为零，表示能量是在三相之间流动，装置对这部分进行补偿时，这部分能量不会流过直流侧储能元件。

3.第三项是由基波电流的负序有功分量引起的，这部分也是由一个直流分量和一个交流分量组成。三相的直流分量部分并不相同，但三相之和为零，表明这部分能量从某相流出而流入其它两相，或者从某两相流出而流入某一相。交流分量在一个周期内的积分为零，表示电源与负载之间有能量交换但不反映负载消耗能量，该交流分量幅值不同，三相之和也不为零，对这部分进行补偿时需要储能元件。

4.第四项是由基波电流的负序无功分量引起的，在一个周期内积分为零，说明这部分对负载消耗的有功也没有贡献。

5.第五项是由基波电流的零序有功分量引起的，这部分也是由一个直流分量和一个交流分量组成。三相的直流分量部分并不相同，但三相之和为零，表明这部分能量从某相流出而流入其它两相，或者从某两相流出而流入某一相。交流分量在一个周期内的积分为零，表示电源与负载之间有能量交换但不反映负载消耗能量，该交流分量幅值不同，三相之和也不为零，对这部分进行补偿时需要储能元件。

6.第六项是由基波电流的零序无功分量引起，在一个周期内积分为零，说明这部分对负载消耗的有功也没有贡献。

第三项与第四项之和代表了基波负序的瞬时功率，两部分之和等于三相基波负序的瞬时功率之和等于对这部分进行补偿时需要储能元件。第五项与第六项之和代表了基波零序的瞬时功率，从中可以推出这两部分之和等于三相基波零序的瞬时功率之和等于0，对这部分进行补偿时不需要储能元件。

同理，可得谐波的瞬时功率为(同样不考虑电网电压的谐波畸变)：

由式(4-4)可以看出不论是谐波的负序分量的瞬时功率，还是正序分量的瞬时功率都是交流，且三相之和都不为零，对这部分进行补偿时需要储能元件。

将式(4-1)乘以sin(ωt-2mπ/3)可以得到：

所以将式(4-1)分别乘以2sin(ωt-2mπ/3)、2cos(ωt-2mπ/3)、2sinωt、2cosωt然后分别经过低通滤波器(截止频率小于二倍基波频率)得到各自的直流分量B₁、A₁、B′₁、A′₁，如式(4-6)所示：

然后，令：

定义：

i₁₁＝A₁₁cos(ωt-2mπ/3)+B₁₁sin(ωt-2mπ/3) (4-8)

i₂₁＝A₂₁cos(ωt+2mπ/3)+B₂₁sin(ωt+2mπ/3) (4-9)

i₁＝A₁cos(ωt-2mπ/3)+B₁sin(ωt-2mπ/3) (4-10)

i_n＝A_ncos[n(ωt-2mπ/3)]+B_n sin[n(ωt-2mπ/3)] (4-11)

i₀₁＝A₀₁cosωt+B₀₁sinωt (4-12)

如果是单独补偿无功电流，则只需令(4-10)式中的B₁＝0，然后直接利用(4-10)式即可得到各相的补偿电流指令。

如果在补偿谐波和负序、零序电流的同时也补偿基波正序无功电流(全部补偿)，则可先令式(4-8)中的A₁₁＝0(得到各相的基波正序有功电流)，再与检测得到的负载电流相减，即得到三相指令电流，中线不对称电流的补偿指令通过将检测到的三相负载电流求和取反得到(即控制电网中线电流为0)；

如果是在补偿无功电流的同时，补偿全部谐波电流(不补偿不平衡电流)，则先令式(4-10)中的A₁＝0，然后将式(4-10)与检测到的负载电流信号相减，即得到三相电流的补偿指令，而此时的中线不对称电流的补偿指令不能通过检测到的三相负载电流信号直接相加取反，而必须通过将此时的三相补偿指令信号相加取反获得。

如果只是补偿谐波和不对称电流而不用补偿基波正序无功电流时，先按照式(4-7)计算出A₁₁、B₁₁，然后利用式(4-8)与检测到的负载电流相减即可得到三相指令电流，中线不对称电流的补偿和进行全部补偿时相同；

如果是仅补偿某几次谐波电流，则按照式(4-11)分别计算所需要补偿的谐波电流(其中谐波次数按照n的指定来计算)，然后在将这几次谐波指令电流相加即得到电网中所需要补偿的谐波电流指令，此时的中线不对称电流的补偿和进行全部补偿时相同；

如果只补偿全部谐波电流，则可按式(4-10)计算得到基波信号，然后与所检测到的信号相减即可得到指令信号。此时的中线不对称电流的补偿和进行全部补偿时相同；

具体的指令运算框图如图3所示：同步信号生成部分是利用PLL(Phase Lock Loop)进行软锁相生成标准的正、余弦信号。而指令生成电路是先利用软锁相得到的正、余弦信号与检测到的各相负载电流信号iLA,iLB,iLC相乘，然后经过一组截至频率须高于负载电流基波频率的2倍的低通滤波器滤波后得到各相负载电流的直流分量，再经过计算矩阵(4-7)求出各相负载电流的谐波电流，负序电流，零序电流，正序无功电流的幅值，再乘以各相负载电流的正、余弦相位，即可得到各相理想电流iA,iB,iC，最后将各相理想电流iA,iB,iC分别减去各相负载电流iLA,iLB,iLC，得到各相补偿电流指令信号ia,ib,ic；输出补偿电流指令产生PWM驱动信号控制中点钳位三电平拓扑模块的开关。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims

1.中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，包括如下步骤：

S1:检测各相负载电流iLA,iLB,iLC，各相负载电压ULA,ULB,ULC；

S3:将步骤S1中的电流分别与步骤S2中的标准正、余信号相乘后经过一组截至频率高于2倍负载电流基波频率的低通滤波器滤波，得到各相负载电流的直流分量；

2.如权利要求1所述的中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，其特征在于：所述计算矩阵为：。

3.如权利要求1所述的中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，其特征在于：补偿谐波和负序、零序电流的同时也补偿基波正序无功电流时，将检测到的三相负载电流iLA,iLB,iLC求和取反后可得到中线不对称电流补偿指令。

4.如权利要求1所述的中点钳位三电平拓扑结构的逆变器电流补偿控制方法，其特征在于：将各相补偿电流指令信号ia,ib,ic相加取反后可得到中线不对称电流补偿指令。