CN104682407A - 含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统和限幅补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无谐波检测的负载不平衡补偿系统和方法，能够实现无需检测负载电流和谐波的条件下实现对电网电流的动态限幅补偿，具体为含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统和限幅补偿方法。本发明基于无谐波检测、比例积分及比例谐振原理，并将其应用到 旋转坐标系下的大功率负载不平衡补偿系统的模型之中，模型中包含了限幅控制器、比例积分控制器和比例谐振控制器，通过调节旋转坐标系下的目标电流参考值达到限制输出电流的目的，能够在无需检测负载电流和谐波的条件下实现对电网电流最大限度的动态补偿，使容量有限的负载不平衡补偿系统能够并网并保证其安全运行。

Description

含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统和限幅补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于无谐波检测的负载不平衡补偿系统和方法，能够实现无需检测负载电流和谐波的条件下对电网电流的动态限幅补偿，具体为含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统和限幅补偿方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，不平衡负载大量应用，由于局部电网中的某一相或者某几相出现功率负荷过重的或过轻，导致局部电网电能质量下降，出现电网电压电流不平衡，谐波过多、在三相四线电网中还会出现中性线电流过大，电网损耗过大等电能质量问题，严重缩短电力变压器寿命，影响电力设备的正常运行。

现有的不平衡负载补偿系统或者带有不平衡补偿能力的有源电力滤波器多是基于谐波检测方法，但该方法计算量较大，且相位有延时，最终会影响电网的补偿效果。而基于无谐波检测方法的负载补偿系统，由于计算量大大减少，没有相位延时，因此特别适合于以                                                等数字信号处理器为核心的负载补偿系统，但由于电力变压器的容量往往较大，而负载补偿装置的补偿能力有限，为了在有限补偿能力条件下达到最优补偿效果，需在输出补偿电流上加入限幅处理环节，而现有的限幅处理大都基于谐波检测方法，无法应用于基于无谐波检测的负载补偿系统。

发明内容

本发明为了解决现有的限幅处理环节无法应用于基于无谐波检测的负载补偿系统的问题，提供了含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统和限幅补偿方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统，包括三相四桥臂逆变桥，三相四桥臂逆变桥的交流侧经由电感和电网连接，直流侧设有电容器，还包括用于采集电网电流的交流电流采集模块、采集电网电压的交流电压采集模块、采集三相四桥臂逆变桥交流侧电感电流的电感电流采集模块和采集三相四桥臂逆变桥直流侧电容电压的直流电压采集模块，交流电流采集模块的输出端和clark变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端还和限幅控制器的输入端连接，clark变换模块的输出端和park变换模块的输入端连接，交流电压采集模块的输出端和PLL锁相环模块的输入端连接，PLL锁相环模块的输出端还分别和clark变换模块、park变换模块的参考信号输入端连接，电感电流采集模块的输出端和限幅控制器的输入端连接，直流电压采集模块的输出端和参考电压加法器的输入端连接，参考电压加法器的输出端和比例积分控制器的输入端连接，比例积分控制器的输出端和限幅控制器的输入端连接，限幅控制器的输出端和park变换模块的输出端共同连接到加法器上，加法器的输出端和比例谐振控制器的输入端连接，比例谐振控制器的输出端和park反变换模块的输入端连接，比例谐振控制器上的另一输出端还和驱动模块的输入端连接，park反变换模块的输出端和clark反变换模块的输入端连接，clark反变换模块的输出端和驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端和三相四桥臂逆变桥的反馈端连接。

上述的含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统的限幅补偿方法，包括以下步骤：

交流电流采集模块采集到电网电流Ia、Ib和Ic并输入到clark变换模块内，交流电压采集模块采集到电网电压Ua、Ub和Uc并输入到PLL锁相环模块，电感电流采集模块采集到电感电流、和并输入到限幅控制器内，直流电压采集模块采集到电容电压Vdc并输入到参考电压加法器内；

clark变换模块由输入的电网电流并参考电网电压输出电流和到park变换模块内；

park变换模块由输入的电流和并参考电网电压输出电流、和到加法器内，

参考电压加法器将输入的电容电压Vdc和参考电压Vref相减的结果输入到比例积分控制器，比例积分控制器输出Vdc到限幅控制器内，

限幅控制器先将采集到的电网电流Ia、Ib和Ic与电感电流、和做差，得到负载电流、和，然后对负载电流、和进行变换、变换得到负载电流在坐标系下的负载电流分量、和，负载电流分量、和经低通滤波处理后，得到负载电流分量中的非平衡分量部分、和；再对负载电流、和分别求有效值，并令三个有效值中的最大值为，得到系数K，，式中为预设的输出电流最大值，同时做出判别，若则输出K，若则输出K值为；输出的K值分别与三相负载电流分量中的非平衡分量相乘，积为、、，分别与三相负载平衡时的轴、轴、轴目标值相加，其中轴目标值由直流电压值决定并由比例积分控制器计算得到，轴、轴目标值均为，继而得到目标电流参考值、和；

得到的目标电流参考值、和和电流、和在加法器内做差，得到、，将、和输入到比例谐振控制器内；

比例谐振控制器根据输入的、和生成轴、轴和轴下的占空比值、、，并将占空比值、送入park反变换模块，作为第四桥臂的控制量直接送入驱动模块；

占空比值、 在park反变换模块、clark反变换模块内进行park反变换、clark反变换得到、、坐标系下的占空比值、、，并送入驱动模块内；

驱动模块将占空比值、、和调制成控制信号输入到三相四桥臂逆变桥中IGBT控制端，实现对负载不平衡的动态补偿。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用的应用于三相四线制系统下的无谐波检测算法能够大大减小计算量，降低对硬件的要求，提高动态补偿精度；

（2）本发明提出的基于无谐波检测的输出电流限幅方法，能够实现输出电流限幅处理，缩短暂态响应时间、使因容量有限而不具备并网条件的负载不平衡补偿系统能够并网并安全运行。

附图说明

   图1为本系统的主电路结构图；

   图2为本系统的系统控制图；

   图3为本系统的限幅控制方法图；

   图4为本系统不平衡负载条件下无限幅时仿真的电感电流输出波形；

   图5为本系统不平衡负载条件下无限幅时仿真的电感电流输出波形稳态时放大；

图6为本系统不平衡负载条件下无限幅时仿真的电源电流输出波形；

图7为本系统不平衡负载条件下限制电感电流有效值为20A时仿真的电感电流波形；

   图8为本系统不平衡负载条件下限制电感电流有效值为20A时仿真的电感电流波形稳态时的放大；

   图9为本系统不平衡负载条件下限制电感电流有效值为20A时仿真的电源电流波形。

具体实施方式

含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统，其原理框图如图2所示，包括三相四桥臂逆变桥，三相四桥臂逆变桥的交流侧经由电感和电网连接，直流侧设有电容器，还包括用于采集电网电流的交流电流采集模块、采集电网电压的交流电压采集模块、采集三相四桥臂逆变桥交流侧电感电流的电感电流采集模块和采集三相四桥臂逆变桥直流侧电容电压的直流电压采集模块，交流电流采集模块的输出端和clark变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端还和限幅控制器的输入端连接，clark变换模块的输出端和park变换模块的输入端连接，交流电压采集模块的输出端和PLL锁相环模块的输入端连接，PLL锁相环模块的输出端还分别和clark变换模块、park变换模块的参考信号输入端连接，电感电流采集模块的输出端和限幅控制器的输入端连接，直流电压采集模块的输出端和参考电压加法器的输入端连接，参考电压加法器的输出端和比例积分控制器的输入端连接，比例积分控制器的输出端和限幅控制器的输入端连接，限幅控制器的输出端和park变换模块的输出端共同连接到加法器上，加法器的输出端和比例谐振控制器的输入端连接，比例谐振控制器的输出端和park反变换模块的输入端连接，比例谐振控制器上的另一输出端还和驱动模块的输入端连接，park反变换模块的输出端和clark反变换模块的输入端连接，clark反变换模块的输出端和驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端和三相四桥臂逆变桥的反馈端连接。

上述的含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统的限幅补偿方法，包括以下步骤：

交流电流采集模块采集到电网电流Ia、Ib和Ic并输入到clark变换模块内，交流电压采集模块采集到电网电压Ua、Ub和Uc并输入到PLL锁相环模块，电感电流采集模块采集到电感电流、和并输入到限幅控制器内，直流电压采集模块采集到电容电压Vdc并输入到参考电压加法器内；

clark变换模块由输入的电网电流并参考电网电压输出电流和到park变换模块内；park变换模块由输入的电流和并参考电网电压输出电流、和到加法器内；坐标变换方程具体为：

；

参考电压加法器将输入的电容电压Vdc和参考电压Vref相减的结果输入到比例积分控制器，比例积分控制器输出Vdc到限幅控制器内，由比例积分控制器实现对参考电压与实际直流电压差值的无差跟踪，其中比例积分的传递函数为：；

限幅控制器先将采集到的电网电流Ia、Ib和Ic与电感电流、和做差，得到负载电流、和，然后对负载电流、和进行变换、变换得到负载电流在坐标系下的负载电流分量、和，负载电流分量、和经低通滤波处理后，得到负载电流分量中的非平衡分量部分、和；再对负载电流、和分别求有效值，并令三个有效值中的最大值为，得到系数K，，式中为预设的输出电流最大值，同时做出判别，若则输出K，若则输出K值为；输出的K值分别与三相负载电流分量中的非平衡分量相乘，积为、、，分别与三相负载平衡时的轴、轴、轴目标值相加，其中轴目标值由直流电压值决定并由比例积分控制器计算得到，轴、轴目标值均为，继而得到目标电流参考值、和；

得到的目标电流参考值、和和电流、和在加法器内做差，得到、，将、和输入到比例谐振控制器内；

比例谐振控制器根据输入的、和生成轴、轴和轴下的占空比值、、，并将占空比值、送入park反变换模块，作为第四桥臂的控制量直接送入驱动模块，比例谐振控制器的传递函数为：，式中其中为谐振点，为带宽；

占空比值、 在park变换模块、clark反变换模块内进行park反变换、clark反变换得到、、坐标系下的占空比值、、，并送入驱动模块内，坐标变换方程为：

；

驱动模块将占空比值、、和调制成控制信号输入到三相四桥臂逆变桥中IGBT控制端，实现对负载不平衡的动态补偿。

附图4至图9为通过matlab仿真平台仿真的波形，仿真条件为相负载为，相与相负载为，附图4至图9对比了在同样的非平衡负载条件下，加入限幅控制器和不加入限幅控制器时候的情形，附图4和图5为本系统不平衡负载条件下无限幅时仿真的电感电流输出波形和稳态时的放大波形图，说明了在理想情况即假设补偿装置补偿能力足够的条件下，电感此时输出的电流波形，可以看到，A相电感电流峰值达50A，此时，图6为本系统不平衡负载条件下无限幅时仿真的电源电流输出波形，说明此时电源侧电流波形已达平衡；图7和图8为本系统不平衡负载条件下限制电感电流有效值为20A时仿真的电感电流波形及稳态时的放大波形，说明在实际情况中即假设补偿能力有限的情况下（此时设置最大补偿电流为有效值20A），当限幅控制器加入运算时，在同样的负载条件下此时电感上的输出电流被限制为有效值20A,图9说明此时电源侧电流由于限幅控制器的加入而处于不平衡状态。

通过仿真平台实验证明本发明能够在有限补偿条件下起到补偿目的并保护硬件系统，达到本发明基于无谐波检测下，补偿不平衡负载系统并限幅输出电流的目的。

Claims (2)

1.含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统，其特征在于包括三相四桥臂逆变桥，三相四桥臂逆变桥的交流侧经由电感和电网连接，直流侧设有电容器，还包括用于采集电网电流的交流电流采集模块、采集电网电压的交流电压采集模块、采集三相四桥臂逆变桥交流侧电感电流的电感电流采集模块和采集三相四桥臂逆变桥直流侧电容电压的直流电压采集模块，交流电流采集模块的输出端和clark变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端还和限幅控制器的输入端连接，clark变换模块的输出端和park变换模块的输入端连接，交流电压采集模块的输出端和PLL锁相环模块的输入端连接，PLL锁相环模块的输出端还分别和clark变换模块、park变换模块的参考信号输入端连接，电感电流采集模块的输出端和限幅控制器的输入端连接，直流电压采集模块的输出端和参考电压加法器的输入端连接，参考电压加法器的输出端和比例积分控制器的输入端连接，比例积分控制器的输出端和限幅控制器的输入端连接，限幅控制器的输出端和park变换模块的输出端共同连接到加法器上，加法器的输出端和比例谐振控制器的输入端连接，比例谐振控制器的输出端和park反变换模块的输入端连接，比例谐振控制器上的另一输出端还和驱动模块的输入端连接，park反变换模块的输出端和clark反变换模块的输入端连接，clark反变换模块的输出端和驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端和三相四桥臂逆变桥的反馈端连接。

2.如权利要求1所述的含有限幅控制器的负载不平衡补偿系统的限幅补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

交流电流采集模块采集到电网电流Ia、Ib和Ic并输入到clark变换模块内，交流电压采集模块采集到电网电压Ua、Ub和Uc并输入到PLL锁相环模块，电感电流采集模块采集到电感电流                                                、和并输入到限幅控制器内，直流电压采集模块采集到电容电压Vdc并输入到参考电压加法器内；

clark变换模块由输入的电网电流并参考电网电压输出电流和到park变换模块内；

park变换模块由输入的电流和并参考电网电压输出电流、和到加法器内，

参考电压加法器将输入的电容电压Vdc和参考电压Vref相减的结果输入到比例积分控制器，比例积分控制器输出Vdc到限幅控制器内，

限幅控制器先将采集到的电网电流Ia、Ib和Ic与电感电流、和做差，得到负载电流、和，然后对负载电流、和进行变换、变换得到负载电流在坐标系下的负载电流分量、和，负载电流分量、和经低通滤波处理后，得到负载电流分量中的非平衡分量部分、和；再对负载电流、和分别求有效值，并令三个有效值中的最大值为，得到系数K，，式中为预设的输出电流最大值，同时做出判别，若则输出K，若则输出K值为；输出的K值分别与三相负载电流分量中的非平衡分量相乘，积为、、，再分别与三相负载平衡时的轴、轴、轴目标值相加，其中轴目标值由直流电压值决定并由比例积分控制器计算得到，轴、轴目标值均为，继而得到目标电流参考值、和；

得到的目标电流参考值、和和电流、和在加法器内做差，得到、，将、和输入到比例谐振控制器内；

比例谐振控制器根据输入的、和生成轴、轴和轴下的占空比值、、，并将占空比值、送入park变换模块，作为第四桥臂的控制量直接送入驱动模块；

占空比值、 在park变换模块、clark变换模块内进行park反变换、clark反变换得到、、坐标系下的占空比值、、，并送入驱动模块内；

驱动模块将占空比值、、和调制成控制信号输入到三相四桥臂逆变桥中IGBT控制端，实现对负载不平衡的动态补偿。