CN105529710A - 一种基于dstatcom拓扑结构的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法及装置，该装置包括三相全桥电压源型变换器，所述的三相全桥电压源型变换器的每个桥臂分为上下两部分，每个半桥臂由3个IGBT模块化级联，每个IGBT上反并联一个二极管，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有电容，其交流侧与连接电感连接，设置在三相全桥电压源型变换器上的电压传感器和电流传感器分别与DSP控制器上的AD采样电路连接，DSP控制器与触摸屏进行通信。本发明实现了对DSTATCOM直流侧电压的平衡控制，确保DSTATCOM的稳定可靠运行，同时通过三角载波移相SPWM调制，以较低的器件开关频率实现较高的等效开关频率，且大幅度消除了谐波，大大降低了配电网电气损耗，实现了电气节能，并且提高了电网的电能质量。

Description

一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法及装置，属于属于电网控制技术领域。

背景技术

随着科技的进步和发展的需要，大容量高压远距离输电已经成为一种工程需求，而电能的远距离传输必然带来很多问题，例如损耗、电能质量等一系列问题。目前，现代电力电子技术已运用到大容量高压柔性直流输电（HVDC）以及灵活柔性交流输电（FACTS）等领域，非线性的电力电子器件给电力系统注入了谐波和无功。由瞬时无功功率理论可知，不同频率的谐波电压电流产生的功率为广义无功功率，所以，电力电子技术的应用降低了电力系统的功率因数，随着各种电能质量敏感性负荷的大量应用，电力用户对电能质量的要求也日益提高。而一般的治理谐波的补偿装置的主电路通常是由电力电子器件构成的换流器，从电气节能的角度，这些换流器是需要消耗能量的（谐波的消耗相比于基波分量更大），然而从整个配电网的全局角度，它的补偿使得整个配电网的所有部分都实现了电气节能，所以从整体上它是可以实现电气节能的。在配电网中，将中小容量的静止无功同步补偿器安装在某些特殊负荷(如电弧炉)附近，可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量，例如提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变、治理谐波污染等等。这种在配电网中用来提高电能质量的静止无功同步补偿器一般称为配电网静止同步补偿器。

谐波电流产生的无功是一种广义上的无功功率，有源电力滤波器和静止同步补偿器并无本质上的区别，它们的拓扑结构和控制策略大致相同，只是控制电路略有不同以及电感电容值的选取不尽相同。然而，无功功率对电力系统存在一定的影响和扰动：

一是设备容量增加。无功功率的增加，会增大输电线路中总电流，从而增加了电力变压器、发电机、输电线及其它电气设备的容量，增大了用户的控制设备、启动设备的规格和尺寸，增加了整个系统的成本；

二是增加设备及线路损耗。无功功率的增加会增大输电线路中总电流，从而增加了用电设备和输电线路的损耗；

三是增大变压器及线路的电压降。无功功率的增加，会增大电力系统中的电压损耗，从而引起电压的波动。在电网中，有功功率主要影响系统的频率，无功功率主要影响系统的电压。如果负载是剧烈变化的，会破坏系统的稳定性，使电网电压产生剧烈的波动，甚至会发生严重地电力事故；

四是如果系统供给的无功功率不足，会使用户端供电电压下降，如果供给的无功功率过剩，会使用户端供电电压升高，影响工业生产和人民的正常生活。

由于一些冲击性负荷在配电网中应用的不断增加，配电网无功功率愈来愈呈现波动快、波动较大、波动频繁等特征，需要进行快速、动态的无功功率补偿。传统的固定电容器无功补偿方式，虽然成本低廉，实现简单，但不能满足动态无功功率补偿要求。静止无功补偿装置(SVC)，能够治理动态无功功率，但其运行易受电网电压等系统环境的影响，工作过程中自身会产生一定谐波，动态响应速度较慢，可能引发谐振且灵活性不高。配电网静止同步补偿(DSTATCOM)，能够快速的补偿电网动态无功功率，其动态响应速度快，运行可靠性高，对电网无污染，方便灵活，基于这些优点，DSTATCOM正得到越来越广泛的应用。同时，DSTATCOM技术是解决非线性、不平衡和冲击性负荷所带来的电能质量问题以及增加配电网输送能力，提高动态稳定极限和增强电网阻尼的有效手段。因此，深入研究DSTATCOM装置的实现对提高配电网电能质量具有十分重要的作用。

另外，IGBT作为大功率全控型电力电子器件，优点是器件可控制导通也可控制关断，采用PWM技术避免了晶闸管换流的位移因数和基波因数的过低（由于出发角可控，所以输出电压波形会失真，不是标准正弦波，经傅立叶分解，里面含低频谐波分量，谐波分量的幅值与触发角有关）而导致低功率因数运行，仅仅产生开关频率附近及其整数倍的高频谐波分量，只需小容量滤波器即可滤除。IGBT的劣势是相比于晶闸管，相同造价的器件通流能力较差，耐压值相对较低，而且在实现相同的容量电能传输和变换时，器件的通态损耗较大，并且还存在开关损耗（与开关频率近似线性关系）。由于器件本身的非线性带来的损耗只有通过改变内部PN结来实现，而采用先进的控制技术可以带来更好的谐波特性和更低的损耗。

发明内容

本发明提供一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法及装置，从而减少了电网系统的无功和谐波电流含量，大大降低了配电网电气损耗，实现了电气节能，并且提高了电网的电能质量。

本发明的技术方案：一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法，首先搭建三相全桥电压源型变换器，将三相全桥电压源型变换器的每个相单元分成上下两个桥臂，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT、两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，这样即可组成四电平三相全控桥的DSTATCOM拓扑结构，然后将整个拓扑结构并接至电网，此时通过DSP控制器的AD采样电路采集该拓扑结构以及电网的电流和电压信号，再通过DSP控制器对所采集的信号进行处理，将信号还原为实际值大小，然后采用瞬时无功功率理论ip-iq算法对采样得到的负载电流信号进行分析，提取负载无功电流信号，并叠加直流侧控制有功分量得到调制指令信号（调制信号为0、1的数字信号，控制IGBT的开通与关断），再采用电压外环电流内环的双闭环控制进行数字离散化，使直流侧电压及逆变器输出电流准确无误差跟踪指令信号，从而达到电流自适应跟踪的目的。由于控制电路采用电压外环PI和电流内环无差拍的控制策略，保证系统稳定可靠运行，实现网侧功率因数接近于1。同时，采用线电压过零信号作为系统的过零信号，使得该软件系统在硬件电路不提供N线的情况下能够正常使用。

上述方法中，采用瞬时无功功率理论ip-iq算法对采样得到的负载电流信号进行分析时，将检测到的三相负载电流瞬时值乘以正变换矩阵，再经过低通滤波器，得到基波无功电流幅值，再将直流侧控制有功分量作为基波有功电流幅值，然后乘以反变换矩阵得到三相电流指令信号，其中：

正变换为：

上述方法中，所述的电压外环电流内环的双闭环控制是将电压外环采用PI控制，使直流侧电压稳定，而电流内环采用无差拍控制技术，这样即可采用上一个周期的数据计算出来占空比用来控制下一个周期IGBT的开通关断时间。

一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制装置，包括三相全桥电压源型变换器，所述的三相全桥电压源型变换器的每个相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT，两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，设置在三相全桥电压源型变换器上的电压传感器和电流传感器分别与DSP控制器上的AD采样电路连接，DSP控制器与触摸屏进行通信，同时DSP控制器通过PLL锁相环采集三相全桥电压源型变换器的A相交流侧电压初相位。

进一步，每个桥臂通过驱动保护电路与DSP控制器进行通信连接。

由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：本发明在电压电流双闭环叠加控制的基础上，实现了对DSTATCOM直流侧电压的平衡控制，确保DSTATCOM的稳定可靠运行，同时通过三角载波移相SPWM调制，以较低的器件开关频率实现较高的等效开关频率，降低了整个装置的功率损耗，提高了效率，实现了电气节能，且大幅度消除了谐波。另外，本发明的控制电路采用电压外环PI控制和电流内环无差拍的控制策略，保证系统稳定可靠运行，实现网侧功率因数接近于1。通过实验验证，本通过DSTATCOM减少了系统的无功和谐波电流含量，大大降低了配电网电气损耗，实现了电气节能，并且提高了电网的电能质量。

附图说明，

图1是DSTATCOM拓扑结构的示意图；

图2是DSTATCOM拓扑结构与控制电路连接时的示意图；

图3是有DSTATCOM补偿时的电压矢量图；

图4是控制方法与调制策略的原理图；

图5是系统软件主程序流程图；

图6是检测及控制框图；

图7是AD7656采样芯片接口示意图；

图8是电压外环电流内环的双闭环控制模块程序流程图；

图9是三相双极性PWM调制图；

图10是改进之前的输出电流波形图；

图11是改进之前的直流侧电容电压波形图；

图12是改进之后的三相基波无功电流波形图；

图13是改进后的直流侧电压波形图。

具体实施方式，

为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例：基于DSTATCOM拓扑结构的控制装置的结构示意图如图1及图2所示，包括三相全桥电压源型变换器，所述的三相全桥电压源型变换器的每个相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT，两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，设置在三相全桥电压源型变换器上的电压传感器和电流传感器分别与DSP控制器上的AD采样电路连接，DSP控制器与触摸屏进行通信，同时DSP控制器通过PLL锁相环采集三相全桥电压源型变换器的A相交流侧电压初相位。

本发明的控制原理：参见图4，本发明的控制原理基于瞬时无功功率理论，将A、B、C三相自然坐标系下的交流电压通过dq同步旋转坐标变换成两相正交旋转的基频分量，U_pcc为公共连接点电压，dstatcom可工作在两种工作模式下，一种是控制补偿的无功功率为给定期望值，另一种是定公共连接点电压控制，而本发明的控制策略是定公共连接点电压控制。通过对A、B、C三相交流电压分别进行正序和负序的dq同步旋转坐标变换，其接入点负序电压分量给定值为0，能实现系统发生不对称故障时对负序电压的抑制，而同时保持正序正常电压为额定值。

实施时，首先搭建三相全桥电压源型变换器，将三相全桥电压源型变换器的每个相单元分成上下两个桥臂，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT、两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，这样即可组成四电平三相全控桥的DSTATCOM拓扑结构，将上述拓扑结构连接到电网，在CCS环境下进行程序调试。先采用不可控整流将直流侧电容电压提到537v，再采用PWM整流将直流侧整到700v。电容耐压值为900v，容量10微法。参见图5，系统软件采用模块化设计方法，用多个功能子模块结合共同完成系统的整体功能，而每个子模块独立完成软件系统的一部分功能。所设计设的软件系统可分为检测及控制模块、中断模块、系统软件保护模块等功能子模块，这些模块相互配合完成配电网三相静止同步补偿器的整体控制。本系统采用的DSPF2812控制器开发板上外置了AD7656采样芯片，用来采集所需的信号，并将采集到的信号进行模数转换得到对应的数字信号，通过IO口总线输入到DSPF2812控制器进行数字信号处理产生六路PWM脉冲，每两个脉冲之间相位差为60度。为了避免同一桥臂直通，在输入到IGBT栅极电压之前上下桥臂通过一个取反信号，使得脉冲总是呈现180度互补状态。其中，A相交流侧电压初相位通过PLL锁相环进行采样。DSP控制器与FPGA进行互相通信，将信号传送至触摸屏，可由手指点触触摸屏表面直接控制所期望的无功功率补偿效果。采用FPGA通信大大提高了DSP的动态响应速度，稳态精度也变得更好，稳定性能并未受到大的影响。由于系统需要采样三相电网电压、三相负载电流、逆变器输出三相电流及逆变器直流侧电压等10路信号，用来完成双闭环控制功能，而AD7656采样芯片具备了12路±10V模拟输入、4路±10V模拟输出，保证了系统设计的要求，采样的波形好，失真率低。通过传感器或互感器采样以上信号后，经过模拟信号处理电路，使处理后的信号值在-10V到+10V之间以满足采样芯片AD7656输入接口的输入电平要求，然后将信号接到如图7所示的采样芯片的输入接口。

采样与数据处理程序在读取采样芯片的采样输出信号后，根据传感器及模拟信号处理电路的变比及AD7656的编码规则，将采样输出值乘以一个比例系数，还原成真实的信号值。

如图3及图6所示，本程序中无功电流检测采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq无功电流检测方法。将检测到的三相负载电流瞬时值乘以正变换矩阵，再经过低通滤波器，得到基波无功电流幅值,再将直流侧控制有功分量作为基波有功电流幅值，然后乘以反变换矩阵得到三相电流指令信号。

正变换：

对正变换得到的无功电流分量采用低通滤波器滤波，得到其中的直流分量，即负载电流中基波无功电流幅值；直流侧控制有功分量作为，进行反变换可得到指令电流。

反变换，

参见图8，控制策略采用电压外环电流内环的双闭环控制策略。电压外环采用PI控制，可以使直流侧电压稳定到一定大小值，电流内环采用无差拍控制技术，采用上一个周期的数据计算出来占空比用来控制下一个周期IGBT的开通关断时间，从控制角度来看可以做到电流自适应跟踪的目的。参见图10～13，根据本周期采用的数据，计算出下一步要达到的指定的状态和输出，得到所需要的触发脉冲的宽度和极性，使得输出电流跟踪指令电流。不断调整每个采样周期内触发脉冲的极性和宽度，就能够得到高质量的网侧电流波形。因此，通过本发明的控制方法改进的系统更好的谐波特性和更低的损耗，从而减少了电网系统的无功和谐波电流含量，大大降低了配电网电气损耗，实现了电气节能，并且提高了电网的电能质量。

Claims (5)

1.一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法，其特征在于：首先搭建三相全桥电压源型变换器，将三相全桥电压源型变换器的每个相单元分成上下两个桥臂，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT、两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，这样即可组成四电平三相全控桥的DSTATCOM拓扑结构，然后将整个拓扑结构并接至电网，此时通过DSP控制器的AD采样电路采集该拓扑结构以及电网的电流和电压信号，再通过DSP控制器对所采集的信号进行处理，将信号还原为实际值大小，然后采用瞬时无功功率理论ip-iq算法对采样得到的负载电流信号进行分析，提取负载无功电流信号，并叠加直流侧控制有功分量得到调制指令信号，再采用电压外环电流内环的双闭环控制进行数字离散化，使直流侧电压及逆变器输出电流准确跟踪指令信号，从而达到电流自适应跟踪的目的。

2.根据权利要求1所述的基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法，其特征在于：采用瞬时无功功率理论ip-iq算法对采样得到的负载电流信号进行分析时，将检测到的三相负载电流瞬时值乘以正变换矩阵，再经过低通滤波器，得到基波无功电流幅值，再将直流侧控制有功分量作为基波有功电流幅值，然后乘以反变换矩阵得到三相电流指令信号，其中：

正变换为：

。

3.根据权利要求1所述的基于DSTATCOM拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述的电压外环电流内环的双闭环控制是将电压外环采用PI控制，使直流侧电压稳定，而电流内环采用无差拍控制技术，这样即可采用上一个周期的数据计算出来占空比用来控制下一个周期IGBT的开通关断时间。

4.一种基于DSTATCOM拓扑结构的控制装置，包括三相全桥电压源型变换器，所述的三相全桥电压源型变换器的每个相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂由3个子模块级联，每个子模块由两个IGBT，两个反并联二极管和一个分散电容组成，同时在三相全桥电压源型变换器的直流侧连接有集中电容，其交流侧与连接电感连接，设置在三相全桥电压源型变换器上的电压传感器和电流传感器分别与DSP控制器上的AD采样电路连接，DSP控制器与触摸屏进行通信，同时DSP控制器通过PLL锁相环采集三相全桥电压源型变换器的A相交流侧电压初相位。

5.根据权利要求4所述的基于DSTATCOM拓扑结构的控制装置，其特征在于：每个半桥臂通过驱动保护电路与DSP控制器进行通信连接。