CN106208776B - 一种电压型三电平svg直接功率控制方法 - Google Patents

一种电压型三电平svg直接功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，采用电压型三电平中点钳位变流器，按以下步骤实施；步骤1，采集三相电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic的瞬时值，计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；步骤2，确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq；步骤3，确定中点电压偏差变量Sn；步骤4，采用目标函数优化法确定DPC策略的最终开关状态；步骤5，控制开关器件，使系统实际输出功率达到设定要求。该方法可保持直流电容电压的稳定，可实现瞬时有功功率和瞬时无功功率的精确控制，且不会引起系统瞬时功率异常波动，利用目标函数的方法将系统有功功率误差、无功功率误差和中点电压误差进行整体控制，控制环路相对简单，应用效果好。

Description

一种电压型三电平SVG直接功率控制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电力系统技术领域，具体涉及一种电压型三电平SVG直接功率控制方法。
背景技术
作为电能质量控制的重要一环，无功功率补偿在提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用非常明显。随着电力电子技术的发展，静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)日益受到学术界和工业界的重视，近年来取得重大技术突破。特别是三电平SVPWM的应用，使得三电平SVG输出电流谐波含量低、开关器件承受电压应力小、更适用于中高压场合，成为了研究的热点。
高性能控制策略是三电平SVG研究的一个热点问题。目前，在三电平SVG中，最常用的高性能控制策略是电压定向矢量控制策略(Voltage Oriented Control Strategy即VOC策略)。1983年，Akagi H教授提出了著名的瞬时功率理论(pq理论)，为新的电力电子变流器控制策略的产生提供了重要理论基础；20世纪80年代中期，日本的Takahashi I教授和德国鲁尔大学的Depenbrock M教授分别提出了圆形直接转矩控制方案和六边形直接转矩控制方案。1991年，Ohnishi T结合瞬时功率理论和直接转矩控制的思想提出了DPC策略，他将瞬时有功功率、无功功率用于PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)变流器闭环控制系统中，形成了直接功率控制策略(Direct Power Control Strategy即DPC策略)。自此以后，DPC策略被不断的发展，应用于各种电力电子变流器与各种应用环境中。
相对于VOC策略，DPC策略不需要旋转变换，它直接选择合适的矢量实现对瞬时功率的控制，从而具有算法简单、动态响应更好等优点。然而，由于三电平SVG的特殊性及矢量复杂性，DPC策略的应用远不如VOC策略广泛。进一步的研究发现，现有的三电平DPC策略在某些区域会引起瞬时有功功率的异常波动，这大大增加了系统输出电压、电流的THD(TotalHarmonic Distortion，总谐波失真)值。
发明内容
本发明的目的是提供一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，解决了现有三电平DPC策略在某些区域会引起瞬时有功功率的异常波动的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集电压型三电平中点钳位拓扑电路交流侧三相电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；
步骤2：确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq；
步骤3：采集两个直流电容电压情况，确定中点电压偏差变量Sn；
步骤4，根据Sp、Sq和Sn，确定DPC策略的候选矢量，根据各矢量对系统瞬时功率的影响，对系统中点电压平衡的影响，采用目标函数优化法确定DPC策略的最终开关状态；
步骤5，根据步骤4中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求。
本发明的特点还在于：
步骤1中系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的公式为：
步骤2中根据公式(2)确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq：
其中，x＝p,q，p*由直流侧给定电压Udc *与直流侧总电压Udc的差值经过PI控制器得到，q*由系统设定，Hp为瞬时有功功率的滞环宽度，Hq为瞬时无功功率的滞环宽度，Hp和Hq由系统设定。
步骤3中根据公式(3)确定中点电压偏差变量Sn：
其中，uc1和uc2分别为上下电容电压，Hn为中点电压的波动幅值，由系统设定。
步骤4具体为：
步骤4.1：根据Sp、Sq，进行候选矢量初选
①若
则要求矢量满足
②若
则要求矢量满足
③若
则要求矢量满足
④若
则要求矢量满足
其中，U为三相电源相电压有效值，urd和urq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影值，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；
步骤4.2：根据Sn的情况，对步骤4.1初选的候选矢量进行二次筛选
步骤4.2.1：根据公式(8)和(9)确定不同矢量对应的中点电流io，以流出为正：
io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic (8)
步骤4.2.2：根据各矢量对应的io的符号和实际的Sn值对初选的候选矢量进行二次筛选
若Sn＝1，保留io<0对应的矢量，删除io>0对应的矢量；
若Sn＝0，保留io>0对应的矢量，删除io<0对应的矢量；
步骤4.3：采用公式(10)所示的误差目标函数f，对步骤4.2得到的矢量进行最终筛选，保留使得f最小的矢量对应的开关状态
其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分别表示在某个开关周期开始时，若选择步骤4.2得到的矢量，到该开关周期结束时，系统瞬时有功功率误差、瞬时无功功率误差和中点电压误差。
系统瞬时有功功率误差ΔEP的计算公式如下：
ΔEP＝ΔPk-ΔP (11)
其中，ΔPk表示第k个开关周期初始时系统瞬时有功功率误差，P*为系统的瞬时有功功率给定；P(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时有功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时有功功率，ΔP为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时有功功率误差变化值。
系统瞬时无功功率误差ΔEQ的计算公式如下：
ΔEQ＝ΔQk-ΔQ (13)
其中，ΔQk表示第k个开关周期初始时系统瞬时无功功率误差，Q*为系统的瞬时无功功率给定；Q(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时无功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时无功功率，ΔQ为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时无功功率误差变化值。
系统中点电压误差ΔEN的计算公式如下：
ΔEN＝ΔUnk-ΔUn (15)
其中，ΔUnk表示第k个开关周期初始时系统中点电压误差，Udc为直流侧总电压；Un(k)为第k个开关周期初始时系统的中点电压，其值等于此时采样得到的下电容电压，Δ Un为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统中点电压误差变化值，io(k+1)为将步骤4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中点电流值，C为直流侧单个电容的容值。
步骤5中控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：
输出矢量表中包含三相的开关状态，若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断；若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断；若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。
本发明的有益效果是：本发明一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，可实现瞬时有功功率和瞬时无功功率的精确控制，且不会引起系统瞬时功率异常波动，利用目标函数的方法将系统有功功率误差、无功功率误差和中点电压误差进行整体控制，控制环路相对简单，应用效果好。
附图说明
图1是本发明直接功率控制方法中采用的电压型三电平中点钳位拓扑图；
图2是本发明直接功率控制方法的控制策略框图；
图3是本发明直接功率控制方法中三电平SVG电压矢量图；
图4是传统电压型三电平SVG直接功率控制方法引起的系统瞬时功率异常波动和三相入网电流仿真图；
图5是本发明直接功率控制方法中的瞬时功率波动和三相入网电流仿真图；
图6是本发明直接功率控制方法中的直流电容电压波动和入网电流与电网电压仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，采用如图1所示的电压型三电平中点钳位拓扑，包括三相交流部分(包含三相交流源加三相交流平波电抗器)、电压型三电平中点钳位变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器，其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压、电流传感器检测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器通过相应的驱动电路控制三电平SVG中各功率器件的开关。
本发明一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集电压型三电平中点钳位拓扑电路交流侧三相电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q：
步骤2：确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq：
其中，x＝p,q，p*由直流侧给定电压Udc *与直流侧总电压Udc的差值经过PI控制器得到，q*由系统设定，Hp为瞬时有功功率的滞环宽度，Hq为瞬时无功功率的滞环宽度，Hp和Hq由系统设定。
步骤3：采集两个直流电容电压情况，确定中点电压偏差变量Sn：
其中，uc1和uc2分别为上下电容电压，Hn为中点电压的波动幅值(实际中点电压波动范围为(U* dc-Hn/2,U* dc+Hn/2)，U* dc为直流侧给定电压)，由系统设定。
步骤4，根据Sp、Sq和Sn，确定DPC策略的候选矢量，根据各矢量对系统瞬时功率的影响，对系统中点电压平衡的影响，采用目标函数优化法确定DPC策略的最终开关状态，具体为：
步骤4.1：根据Sp、Sq，进行候选矢量初选
初选时根据Sp、Sq的具体情况，采用公式(4)、(5)、(6)、(7)选择满足初选条件(功率变化条件)的合适矢量(具体的矢量分布图如图3所示)。
①若
则要求矢量满足
②若
则要求矢量满足
③若
则要求矢量满足
④若
则要求矢量满足
其中，U为三相电源相电压有效值，urd和urq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影值，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；
步骤4.2：根据Sn的情况，对步骤4.1初选的候选矢量进行二次筛选
步骤4.1得到的矢量只满足系统瞬时功率的增减需求，但未考虑中点电压的波动需求，同时，图3中有6对矢量具有相同的位置(即PPO和OON，POO和ONN，POP和ONO，OOP和NNO，OPP和NOO，OPO和NON)，这6对矢量对系统瞬时功率的影响相同，因而需根据中点电压的波动需求对其进行区分。
步骤4.2.1：根据公式(8)和(9)确定不同矢量对应的中点电流io，以流出为正：
io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic (8)
步骤4.2.2：根据各矢量对应的io的符号和实际的Sn值对初选的候选矢量进行二次筛选
若Sn＝1，保留io<0对应的矢量，删除io>0对应的矢量；
若Sn＝0，保留io>0对应的矢量，删除io<0对应的矢量；
步骤4.3：采用公式(10)所示的误差目标函数f，对步骤4.2得到的矢量进行最终筛选，保留使得f最小的矢量对应的开关状态
其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分别表示在某个开关周期开始时，若选择步骤4.2得到的矢量，到该开关周期结束时，系统瞬时有功功率误差、瞬时无功功率误差和中点电压误差。
系统瞬时有功功率误差ΔEP的计算公式如下：
ΔEP＝ΔPk-ΔP (11)
其中，ΔPk表示第k个开关周期初始时系统瞬时有功功率误差，P*为系统的瞬时有功功率给定，在SVG系统中，P*一般接近0；P(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时有功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时有功功率，ΔP为在第k个开关周期(一个开关周期时间为Ts)应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时有功功率误差变化值。
系统瞬时无功功率误差ΔEQ的计算公式如下：
ΔEQ＝ΔQk-ΔQ (13)
其中，ΔQk表示第k个开关周期初始时系统瞬时无功功率误差，Q*为系统的瞬时无功功率给定；Q(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时无功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时无功功率，ΔQ为在第k个开关周期(一个开关周期时间为Ts)应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时无功功率误差变化值。
系统中点电压误差ΔEN的计算公式如下：
ΔEN＝ΔUnk-ΔUn (15)
其中，ΔUnk表示第k个开关周期初始时系统中点电压误差，Udc为直流侧总电压；Un(k)为第k个开关周期初始时系统的中点电压，其值等于此时采样得到的下电容电压，ΔUn为在第k个开关周期(一个开关周期时间为Ts)应用步骤4.2得到的矢量后系统中点电压误差变化值，io(k+1)为将步骤4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中点电流值，C为直流侧单个电容的容值。
步骤5，根据步骤4中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求，具体为：
输出矢量表中包含三相的开关状态，以PON为例，则a相输出P状态，b相输出O状态，c相输出N状态。若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断，若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。
在Matlab/Simulink软件对图1所示系统进行仿真，设定基本参数如表1所示：
表1电压型三电平SVG DPC仿真参数
利用Matlab/Simulink软件，根据表1中仿真参数，分别采用传统直接功率控制策略和本发明直接功率控制策略得到的仿真结果图(图4-6)。其中，图4是传统电压型三电平SVG直接功率控制方法引起的系统瞬时功率异常波动和三相入网电流仿真图；图5是本发明一种电压型三电平SVG直接功率控制方法中的瞬时功率波动和三相入网电流仿真图；图6是本发明一种电压型三电平SVG直接功率控制方法中的直流电容电压波动和入网电流与电网电压仿真图。
对比三个仿真图可以发现，传统直接功率控制策略将导致系统瞬时有功功率的异常波动，且瞬时无功功率的波动范围也较大，当采用本发明提出的三电平SVG直接功率控制方法后，系统瞬时有功功率异常波动消失，且瞬时无功功率的波动较小，同时，系统中点电压得到较好控制。

Claims (8)

1.一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集电压型三电平中点钳位拓扑电路交流侧三相电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；
步骤2：确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq；
步骤3：采集两个直流电容电压情况，确定中点电压偏差变量Sn；
步骤4：根据Sp、Sq和Sn，确定DPC策略的候选矢量，根据各矢量对系统瞬时功率的影响，对系统中点电压平衡的影响，采用目标函数优化法确定DPC策略的最终开关状态；具体操作过程如下：
步骤4.1：根据Sp、Sq，进行候选矢量初选
①若
则要求矢量满足
②若
则要求矢量满足
③若
则要求矢量满足
④若
则要求矢量满足
其中，U为三相电源相电压有效值，urd和urq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影值，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；
步骤4.2：根据Sn的情况，对步骤4.1初选的候选矢量进行二次筛选
步骤4.2.1：根据公式(8)和(9)确定不同矢量对应的中点电流io，以流出为正：
io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic (8)
步骤4.2.2：根据各矢量对应的io的符号和实际的Sn值对初选的候选矢量进行二次筛选
若Sn＝1，保留io<0对应的矢量，删除io>0对应的矢量；
若Sn＝0，保留io>0对应的矢量，删除io<0对应的矢量；
步骤4.3：采用公式(10)所示的误差目标函数f，对步骤4.2得到的矢量进行最终筛选，保留使得f最小的矢量对应的开关状态
其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分别表示在某个开关周期开始时，若选择步骤4.2得到的矢量，到该开关周期结束时，系统瞬时有功功率误差、瞬时无功功率误差和中点电压误差；
步骤5，根据步骤4中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求。
2.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤1中系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的公式为：
3.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤2中根据公式(2)确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量Sq：
其中，x＝p和q；p*由直流侧给定电压Udc *与直流侧总电压Udc的差值经过PI控制器得到，q*由系统设定，Hp为瞬时有功功率的滞环宽度，Hq为瞬时无功功率的滞环宽度，Hp和Hq由系统设定。
4.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤3中根据公式(3)确定中点电压偏差变量Sn：
其中，uc1和uc2分别为上下电容电压，Hn为中点电压的波动幅值，由系统设定。
5.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述系统瞬时有功功率误差ΔEP的计算公式如下：
ΔEP＝ΔPk-ΔP (11)
其中，ΔPk表示第k个开关周期初始时系统瞬时有功功率误差，P*为系统的瞬时有功功率给定；P(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时有功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时有功功率，ΔP为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时有功功率误差变化值。
6.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述系统瞬时无功功率误差ΔEQ的计算公式如下：
ΔEQ＝ΔQk-ΔQ (13)
其中，ΔQk表示第k个开关周期初始时系统瞬时无功功率误差，Q*为系统的瞬时无功功率给定；Q(k)为第k个开关周期初始时系统的瞬时无功功率，其值等于此时将电压电流采样值代入式(1)计算得到的瞬时无功功率，ΔQ为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统瞬时无功功率误差变化值。
7.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述系统中点电压误差ΔEN的计算公式如下：
ΔEN＝ΔUnk-ΔUn (15)
其中，ΔUnk表示第k个开关周期初始时系统中点电压误差，Udc为直流侧总电压；Un(k)为第k个开关周期初始时系统的中点电压，其值等于此时采样得到的下电容电压，ΔUn为在第k个开关周期应用步骤4.2得到的矢量后系统中点电压误差变化值，io(k+1)为将步骤4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中点电流值，C为直流侧单个电容的容值。
8.根据权利要求1所述的一种电压型三电平SVG直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤5中控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：输出矢量表中包含三相的开关状态，若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断；若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断；若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。
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