CN104410083B - 一种svg直流侧电容中点电位平衡装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置及其控制方法，包括：三相电源的一条支路串联连接三相负载；三相电源的另一条支路依次串联连接交流电抗器、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC以及直流侧并联电容器；在三相电源与交流电抗器之间并联连接测量控制系统；二极管箝位型三电平电压源换流器VSC中每相桥臂均连接两个串联连接的箝位二极管。本发明有益效果：控制原理简单，控制实现简便；主要用于二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位不平衡的研究。其控制效果与系统的调制比及功率因数无关，理论上可以将中点的波动控制在一个比较小的范围之内。

Description

一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气行业，尤其是涉及一种用于对电力网络进行无功功率补偿研究的二极管箝位型三电平静止无功发生器(SVG)直流侧电容中点电位平衡的装置及其控制方法。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，电网中的负荷包括无功负荷持续大量地增加，分布式新能源如太阳能、风能的并网也大大增加了电网的复杂性，尤其是各种电力电子装置引入电网以后，使得电网结构发生了较大的变化，非线性负荷、冲击性负荷等无功性负荷越来越多，给电能质量带来了极大的挑战，因此无功补偿装置的研究具有十分重要的意义。随着无功补偿技术的迅速发展，静止无功发生器(SVG)得到了较高的重视，它具有补偿响应速度快、运行范围广、可滤除部分谐波、占用体积小、性价比高等优点，因此得到了快速的发展。在静止无功发生器(SVG)的多种拓扑结构中，二极管箝位型三电平拓扑结构比两电平拓扑结构补偿电压波形好，相比于更高电平拓扑结构经济性好等优点，因此应用最为广泛。

二极管箝位型拓扑结构利用两个串联的直流电容接在直流侧两端，每个桥臂有四个开关器件，上、下桥臂各有两个串联的开关器件，每个开关都通过二极管续流，箝位二极管将每个桥臂的中间两个开关管进行连接，这样通过箝位二极管将开关器件的电压箝位到连接的直流电容电压上，将直流母线电压分为多个电平。因此，每个桥臂的四个开关器件可以向交流侧输出不同电平的电压信号。通过对每个开关管进行相应的PWM脉宽调制，二极管箝位型三电平SVG将多个电平的输出信号合成为调制信号，从而进行无功补偿。

但是，二极管箝位型三电平静止无功发生器(SVG)直流侧的两个电容在制造工艺上不可能达到完全相同，各个开关管的实际参数和制造工艺也有一定的差别，开关会产生一定程度的延迟；另外，负载电流通过各相桥臂在三电平二极管箱位型SVG中产生了一定的交流电流，此交流电流流入到直流电容中，从而导致直流母线各电容传输功率的不平衡。因此会产生直流侧电容中点电压不均衡的现象，有可能使得输出电压波形发生畸变，使电平发生退化，输出电压中带有低次谐波，开关器件承受的电压不均衡，增大对主管阻断耐压的要求，严重时将使得电子器件因过电压而损坏，直流侧电容上的电压波动也容易使电容的寿命降低。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置及其控制方法，该装置及方法能够解决直流侧电容中点电位不平衡的问题，为SVG向电网进行无功补偿提供更好的技术保障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置，包括：三相电源、三相负载、交流电抗器、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC、直流侧电容器以及测量控制系统；

所述三相电源的一条支路串联连接三相负载；三相电源的另一条支路依次串联连接交流电抗器、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC以及直流侧并联电容器；在三相电源与交流电抗器之间并联连接测量控制系统；

所述二极管箝位型三电平电压源换流器VSC中每相桥臂均连接两个串联连接的箝位二极管，所述三相电源的中点、三相负载的中点、每相桥臂的两个箝位二极管的中点以及直流侧电容器的中点相连接，为零序电流提供流通通路。

所述三相电源为对称三相电源，所述三相电源的每一相均串联连接交流电抗器。

所述二极管箝位型三电平电压源换流器VSC包括a、b、c三相桥臂，所述a、b、c三相桥臂中，每一相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂分别包括两个串联连接的功率开关器件，所述每个功率开关器件的两端均反向并联有续流二极管；

所述a、b、c三相桥臂的每相桥臂均连接两个反相串联的箝位二极管，所述箝位二极管连接在上桥臂两个功率开关器件的中点和下桥臂两个功率开关器件的中点之间。

所述直流侧电容器包括两个串联连接的电容C1和电容C2；所述直流侧电容器与二极管箝位型三电平电压源换流器VSC的三相桥臂并联连接，电容C1和电容C2串联连接的中点与二极管箝位型三电平电压源换流器VSC连接的两个箝位二极管的中点相连接，所述电容C1和电容C2的中点与两个箝位二极管的中点为等电位点。

所述测量控制系统包括：PLL锁相模块、abc/dq0变换模块、SVG三相输出外环电压控制器、内环电流控制器、dq0/abc变换模块和脉冲宽度调制驱动电路；

所述PLL锁相模块和abc/dq0变换模块的输入端分别连接在每一相电源与交流电抗器之间，PLL锁相模块的输出端连接至dq0/abc变换模块，abc/dq0变换模块的输出端连接在SVG三相输出外环电压控制器和内环电流控制器之间，所述PLL锁相模块还与abc/dq0变换模块连接；

所述SVG三相输出外环电压控制器、内环电流控制器、dq0/abc变换模块和脉冲宽度调制驱动电路依次串联连接，所述脉冲宽度调制驱动电路的输出端连接至二极管箝位型三电平电压源换流器VSC。

一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置的控制方法，包括：

通过对直流侧电容器进行定直流电压控制，并对直流侧电容器上下部分电容电压进行偏差控制，利用SVG输出的三相实际电流进行电流指令值的负反馈控制和内环PI解耦控制，实现脉冲宽度调制驱动电路对二极管箝位型三电平电压源换流器VSC所有开关管开通和关断的控制，进而对直流侧电容器的中点电位进行实时调节，控制直流侧上下部分电容器的电压偏差在允许的范围内，保证SVG输出三相交流电压的波形不发生波形畸变和电平退化。

所述实现脉冲宽度调制驱动电路对二极管箝位型三电平电压源换流器VSC所有开关管开通和关断的控制的具体方法为：

(1)假设直流侧电容C1和电容C2的电压分别为V_C1和V_C2，且两者之间的电压差值为ΔV；分别对SVG交流侧三相输出电流进行测量，得到三相输出电流值i_ca、i_cb和i_cc；经过三相电压锁相同步模块和abc/dq0变换模块分别得到直轴、交轴和零轴的电流分量i_d、i_q和i₀；

(2)通过外环控制器生成直轴电流指令值id*、交轴电流指令值iq*和零轴电流指令值i0*；

(3)通过内环控制器计算直轴电压vd、交轴电压vq和零轴电压v0；

(4)由电流互感器检测出三相负载电流i_La、i_Lb和i_Lc，计算出三相电流各相的零序电流分量，将所得到的零序电流从各相负载电流中剔除，将去除零序分量的三相负载电流进行坐标变换，求出其对应的有功分量和无功分量；有功分量经过低通滤波器得到其对应的直流分量，同时断开无功分量通道，对有功分量的直流分量进行坐标反变换得到去除零序分量后负载电流值的基波正序分量；

(5)从原始三相负载电流减掉上述基波正序分量，得到a、b、c三相负载电流中去除基波正序以外的基波负序、零序以及无功电流的指令电流；利用所述指令电流值对负载进行无功电流计算，得到无功电流的指令值iq*，然后iq*与实际无功电流iq经过外环控制环节和内环控制环节，产生PWM信号控制开关管，即实现脉冲宽度调制驱动电路对开关管开通和关断的控制。因为SVG的原理就是基于瞬时无功功率理论的，所以所得指令电流除了可以检测无功之外，也可以检测部分谐波和负载引起的三相不平衡。

所述步骤(2)的具体方法为：

直轴电流指令值i_d ^*由直流侧电压指令值u_dc ^*和直流侧电容器电压实测值u_dc经过偏差控制得到；

交轴电流指令值i_q ^*的产生是由三相电压u_a、u_b、u_c和三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc经过负载无功电流计算得到；

零轴电流指令值i₀ ^*的产生是由直流侧上下两个电容电压的差值进行偏差控制得到。

所述步骤(3)的具体方法为：

直轴电压v_d由直轴电流指令值i_d ^*和实际电流值i_d进行偏差控制后的量与u_d、ωLi_q进行电流交叉解耦计算得到；

交轴电压v_q由负载无功电流计算指令值i_q ^*和实际电流值i_q进行偏差控制后的量与u_q、ωLi_d进行电流交叉解耦计算得到；

零轴电压v₀由零轴电流指令值i₀ ^*和实际零序电流极性偏差控制和反向平衡控制器的控制得到。

本发明有益效果：

本发明装置应用于二极管箝位型三电平拓扑静止无功发生器(SVG)中，能够较好地解决直流侧电容中点电位不平衡的问题，使得输出的补偿电压不会因为电容中点电位不平衡而产生波形畸变和电平退化等问题，为静止无功发生器(SVG)向电力网络进行无功补偿提供更好的技术保障。

本发明控制原理简单，控制实现简便；主要用于二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位不平衡的研究。其控制效果与系统的调制比及功率因数无关，理论上可以将中点的波动控制在一个比较小的范围之内。

附图说明

图1为本发明二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位平衡装置的总体结构图；

图2为二极管箝位型三电平电压源换流器(VSC)主电路拓扑结构图；

图3(a)-(c)为测量控制系统外环控制器控制结构图；

图4(a)-(c)为测量控制系统内环控制器控制结构图。

其中，1为三相电源，2为三相负载，7为交流侧串联连接电抗器，8为PLL锁相环节，9为abc/dq0变换环节，10为外环控制器，11为内环控制器，12为dq0/abc变换环节，13为PWM生成环节，14为三相二极管箝位型VSC电路，15为直流侧上臂电容C1，16为直流侧下臂电容C2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供了一种二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位平衡的装置，包括静止无功发生器(SVG)主电路，测量控制系统，二极管箝位型三电平电压源换流器(VSC)电路14和直流侧并联电容器。SVG主电路适用于低压供电网络。

静止无功发生器(SVG)主电路包括三相电源1、三相负载2、交流电抗器7；三相电源1为对称三相电源，三相负载2为三相不平衡负载。

三相电源1的一条支路串联连接三相负载2；三相电源1的另一条支路依次串联连接交流电抗器7、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC14以及直流侧并联电容器；在三相电源1与交流电抗器7之间并联连接测量控制系统；

二极管箝位型三电平电压源换流器VSC14中每相桥臂均连接两个串联连接的箝位二极管，三相电源的中点、三相负载的中点、每相桥臂的两个箝位二极管的中点以及直流侧电容器的中点相连接，为零序电流提供流通通路。

图3(a)-(c)和图4(a)-(c)所示，测量控制系统包括PLL锁相模块8、abc/dq0变换模块9、SVG三相输出外环电压控制器10、内环电流控制器11、dq0/abc变换模块12和脉冲宽度调制驱动电路13。

外环控制器10包括直轴、交轴和零轴指令电流值的形成。直轴电流值由直流电容器侧直流电压指令值算法计算得到。交轴电流值由瞬时无功功率理论计算得到。零轴电流值由平衡控制算法得到。内环电流控制器11包括指令值和实际值的交叉解耦算法和平衡控制算法。脉冲宽度调制驱动电路13采用正弦脉宽调制方法进行控制。

如图2所示，二极管箝位型三电平电压源换流器(VSC)电路14包括三相桥臂a、b、c三个交流串联电抗器7，每相均包括上下两个桥臂，上桥臂和下桥臂各有两个串联连接的功率开关器件。每个功率开关器件S_ax、S_bx、S_cx(x为1、2、3、4)的两端均反并联有续流二极管D_ax、D_bx、D_cx(x＝1、2、3、4)。每相桥臂包括两个串联连接的箝位二极管D_Ax、D_Bx、D_Cx(x＝1、2)。箝位二极管D_Ax、D_Bx、D_Cx(x＝1、2)连接在上桥臂两个功率开关器件的中点和下桥臂两个功率开关器件的中点之间。

直流侧并联电容器包括上下两部分串联连接的电容器，与二极管箝位型三电平电压源换流器(VSC)电路14三相桥臂并联连接，直流侧电容器的串联连接中点与二极管箝位型三电平电压源换流器(VSC)电路14三相桥臂的箝位二极管的串联连接中点O相连接，两电容器的中点和箝位二极管的中点为等电位点。

三相电源1的中点N和三相负载2的中点N’、VSC主电路、每相桥臂箝位二极管的中点、直流侧电容器中点相连接，为零序电流提供流通通路。

半导体开关器件S_ax、S_bx、S_cx(x为1、2、3、4)采用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)可关断电力电子器件。

直流侧串联电容C115和电容C216采用薄膜电容器或者电解电容器，其中薄膜电容器具有更高的性能和更好的使用寿命。

使用本例的二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位平衡装置的原理是：通过对直流侧电容器进行定直流电压控制、对负载无功电流进行提取和对直流侧电容器上下部分电容电压进行偏差控制等方式，用SVG输出三相实际电流进行电流指令值的负反馈控制和内环PI解耦控制，来实现脉宽调制技术对二极管箝位桥所有开关管的开通关断控制，进而对直流侧电容器的中点电位进行实时调节，控制直流侧上下部分电容器的电压偏差在允许范围的合理内，保证SVG输出三相交流电压的波形不至于发生波形畸变和电平退化。

图1中，3为零序流通电流，4为系统提供电流，5为负载电流，6为SVG提供电流，17为交流侧电压uca，18为交流侧电压ucb，19为交流侧电压ucc，20为交流侧电流ica，21为交流侧电流icb，22为交流侧电流icc，23为经abc/dq0变换后的icd，24为经abc/dq0变换后的icq，25为经abc/dq0变换后的ic0，26为外环控制器输出的指令电流值id*，27为外环控制器输出的指令电流值iq*，28为外环控制器输出的指令电流值i0*，29为内环控制器输出的电压vd，30为内环控制器输出的电压vq，31为内环控制器输出的电压v0，32为经dq0/abc变换后的va，33为经dq0/abc变换后的vb，34为经dq0/abc变换后的vc，35为直流侧电容电压指令值，36为直流侧电容电压，37为负载三相电流，38为三相电压，39为直流侧上下电容电压值之差，40为PI控制环节，41为负载无功电流计算环节，42为三相电压经abc/dq0变换后的直轴电压vd，43为内环电流解耦项ωLiq，44为三相电压经abc/dq0变换后的直轴电压vq，45为内环电流解耦项ωLid，46为内环电流解耦反向环节，47为指令电流值id*与实际电流值icd之差，48为指令电流值iq*与实际电流值icq之差，49为指令电流值i0*与实际电流值ic0之差。

本实施例的具体工作原理是：

根据直流侧电容中点电位偏移量，对两个直流电容器进行偏差控制和平衡控制，通过PWM调制技术进而对电容器的中点电位进行调节。如图1所示为本发明二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位平衡装置的总体结构图。假设两个直流侧电容分别为C₁和C₂，电容器电压分别为V_C1和V_C2，两个电容电压通过测量装置进行测量得到两者之间的差值为ΔV。通过对SVG交流侧三相输出电流进行测量，分别得到i_ca、i_cb和i_cc。经过三相电压锁相同步环节和abc/dq0变换环节分别得到直轴、交轴和零轴的电流分量i_d、i_q和i₀，此三个电流值作为已知实测电流值。

外环控制器包括直轴电流指令值i_d ^*、交轴电流指令值i_q ^*和零轴电流指令值i₀ ^*的生成三部分。其中，直轴电流指令值i_d ^*的产生是由直流侧电压指令值u_dc ^*和直流侧电容器电压实测值u_dc经过偏差控制得到；交轴电流指令值i_q ^*的产生是由三相电压u_a、u_b、u_c和三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc经过负载无功电流计算得到；零轴电流指令值i₀ ^*的产生是由直流侧上下两个电容电压的差值进行偏差控制得到。

内环控制器主要是PI解耦计算环节，主要包括直轴电压v_d、交轴电压v_q和零轴电压v₀的计算三部分。直轴电压v_d的计算是由直轴电流指令值i_d ^*和实际电流值i_d进行偏差控制后的量与u_d、ωLi_q进行电流交叉解耦计算得到；交轴电压v_q的计算是由负载无功电流计算指令值i_q ^*和实际电流值i_q进行偏差控制后的量与u_q、ωLi_d进行电流交叉解耦计算得到；零轴电压v₀的计算主要是由零轴电流指令值i₀ ^*和实际零序电流极性偏差控制和反向平衡控制器的控制得到。

负载无功电流计算环节的电网电压相位信号由锁相环节(PLL)与正、余弦发生电路得到。首先由电流互感器检测出三相负载电流i_La、i_Lb和i_Lc，计算出三相电流各相的零序分量，再把所得到的零序电流从各相负载电流中剔除，这样得到的三个新的电流便可基于瞬时无功功率理论等效为三相三线制的情况来计算并得到各相的负载无功电流，即将去除零序分量的三相负载电流进行坐标变换，求出其对应的有功分量和无功分量，有功分量经过低通滤波器得到其对应的直流分量，同时断开无功分量通道，对有功分量的直流分量进行坐标反变换即可得到上述去除零序分量后负载电流值的基波正序分量。

从原始三相负载电流减掉基波正序分量，即可得到a、b、c三相负载电流中去除基波正序以外的基波负序、零序以及无功电流的指令电流。利用上述指令电流值对负载进行无功电流计算，得到无功电流的指令值iq*，然后iq*与实际无功电流iq经过外环控制环节和内环控制环节，产生PWM信号控制开关管，即实现脉冲宽度调制驱动电路对开关管开通和关断的控制。因为SVG的原理就是基于瞬时无功功率理论的，所以所得指令电流除了可以检测无功之外，也可以检测部分谐波和负载引起的三相不平衡。

这样，通过SVG测量环节、无功电流计算环节、内环电流控制环节、外环电压控制环节、锁相同步环节、平衡控制环节的和触发脉冲生成环节等各环节的配合和参数选择，通过脉宽调制技术对二极管箝位桥的各个开关管进行有序的开通关断，从而平衡直流侧电容器上下部分的电压，使得静止无功功率发生器SVG输出波形更趋合理，对无功功率进行适当的补偿。

本发明所提供的一种二极管箝位型三电平静止无功发生器直流侧电容中点电位平衡的装置应用于二极管箝位型三电平拓扑静止无功发生器(SVG)中，能够较好地解决直流侧电容中点电位不平衡的问题，使得输出的补偿电压不会因为电容中点电位不平衡而产生波形畸变和电平退化等问题，为静止无功发生器(SVG)向电网进行无功补偿提供更好的技术保障。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置的控制方法，其特征是，

所述的一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置，包括：三相电源、三相负载、交流电抗器、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC、直流侧电容器以及测量控制系统；

所述三相电源的一条支路串联连接三相负载；三相电源的另一条支路依次串联连接交流电抗器、二极管箝位型三电平电压源换流器VSC以及直流侧并联电容器；在三相电源与交流电抗器之间并联连接测量控制系统；

所述二极管箝位型三电平电压源换流器VSC中每相桥臂均连接两个串联连接的箝位二极管，所述三相电源的中点、三相负载的中点、每相桥臂的两个箝位二极管的中点以及直流侧电容器的中点相连接，为零序电流提供流通通路；

所述的控制方法包括：

通过对直流侧电容器进行定直流电压控制，并对直流侧电容器上下部分电容电压进行偏差控制，利用SVG输出的三相实际电流进行电流指令值的负反馈控制和内环PI解耦控制，实现脉冲宽度调制驱动电路对二极管箝位型三电平电压源换流器VSC所有开关管开通和关断的控制，进而对直流侧电容器的中点电位进行实时调节，控制直流侧上下部分电容器的电压偏差在允许的范围内，保证SVG输出三相交流电压的波形不发生波形畸变和电平退化；

所述实现脉冲宽度调制驱动电路对二极管箝位型三电平电压源换流器VSC所有开关管开通和关断的控制的具体方法为：

(1)假设直流侧电容C1和电容C2的电压分别为V_C1和V_C2，且两者之间的电压差值为ΔV；分别对SVG交流侧三相输出电流进行测量，得到三相输出电流值i_ca、i_cb和i_cc；经过三相电压锁相同步模块和abc/dq0变换模块分别得到直轴、交轴和零轴的电流分量i_d、i_q和i₀；

(2)通过外环控制器生成直轴电流指令值id*、交轴电流指令值iq*和零轴电流指令值i0*；

(3)通过内环控制器计算直轴电压vd、交轴电压vq和零轴电压v0；

(4)由电流互感器检测出三相负载电流i_La、i_Lb和i_Lc，计算出三相电流各相的零序电流分量，将所得到的零序电流从各相负载电流中剔除，将去除零序分量的三相负载电流进行坐标变换，求出其对应的有功分量和无功分量；有功分量经过低通滤波器得到其对应的直流分量，同时断开无功分量通道，对有功分量的直流分量进行坐标反变换得到去除零序分量后负载电流值的基波正序分量；

(5)从原始三相负载电流减掉上述基波正序分量，得到a、b、c三相负载电流中去除基波正序以外的基波负序、零序以及无功电流的指令电流；利用所述指令电流值对负载进行无功电流计算，得到无功电流的指令值iq*，然后iq*与实际无功电流iq经过外环控制环节和内环控制环节，产生PWM信号控制开关管，即实现脉冲宽度调制驱动电路对开关管开通和关断的控制，因为SVG的原理就是基于瞬时无功功率理论的，所以所得指令电流除了可以检测无功之外，也可以检测部分谐波和负载引起的三相不平衡。

2.如权利要求1所述的一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置的控制方法，其特征是，所述步骤(2)的具体方法为：

直轴电流指令值i_d ^*由直流侧电压指令值u_dc ^*和直流侧电容器电压实测值u_dc经过偏差控制得到；

交轴电流指令值i_q ^*的产生是由三相电压u_a、u_b、u_c和三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc经过负载无功电流计算得到；

零轴电流指令值i₀ ^*的产生是由直流侧上下两个电容电压的差值进行偏差控制得到。

3.如权利要求1所述的一种SVG直流侧电容中点电位平衡装置的控制方法，其特征是，所述步骤(3)的具体方法为：

直轴电压v_d由直轴电流指令值i_d ^*和实际电流值i_d进行偏差控制后的量与u_d、ωLi_q进行电流交叉解耦计算得到；

交轴电压v_q由负载无功电流计算指令值i_q ^*和实际电流值i_q进行偏差控制后的量与u_q、ωLi_d进行电流交叉解耦计算得到；

零轴电压v₀由零轴电流指令值i₀ ^*和实际零序电流极性偏差控制和反向平衡控制器的控制得到。