CN107453374A - 一种35kV链式H桥级联直压的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，属于电力电子领域和电力系统领域，家觉在35kV链式SVG控制中，功率单元的稳定运行问题，该方法在考虑电网电压不平衡、功率单元电气参数差异等条件下，对H桥直压进行三层控制。第一层控制为所有功率单元H桥总直压控制，第二层控制为相间直压控制，第三层控制为功率单元直压均衡，可实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡，有效解决了相间不平衡问题。

Description

一种35kV链式H桥级联直压的控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域和电力系统领域，具体是指电力电子在电力系统中的应用。

针对35kV及以上电压等级的电力系统、新能源并网、工矿企业和交通轨道中的无功和谐波问题，需要大容量的静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)。在35kV链式SVG控制中，功率单元的稳定运行是首要条件，级联H桥直压的稳定控制是本发明的核心点。

背景技术

35kV静止无功发生器(SVG)通过链式结构和电抗器进行并网，链式结构的核心组成部分是功率单元，由于功率单元数量众多，这就需要功率单元具备模块化、易扩展、单元独立等特点。在工程实践中，功率单元往往存在直流侧电容电压不平衡现象，其主要原因是电容器的寄生差数不同、开关器件损耗不同、驱动信号的延迟等等。这些不平衡因素会降低系统的稳定性，具体体现在各模块中IGBT承受的电压大小不同。如果对电容电压没有适当调节，电容电压差异会越来越大，极有可能会导致输出电压超过开关器件的耐压大小，损坏开关器件。

由于功率单元的独立性，在补偿无功电流时，电容电压会产生二倍频波动的电流。在SVG链式结构中，功率单元电容电压的控制是国内外争相研究的热点，电容电压控制方法通常采用比例积分(PI)调节器，基本可以分为两类研究，采用辅助硬件电路设计和优化软件算法设计。前者典型控制方法是改变拓扑结构，实现交直流母线能量交换，虽然能够实现电容电压的平衡，但大大增加了硬件成本，其性价比很低。后者典型控制方法是在原有拓扑结构基础上，通过软件在调制波中加入零负序调制分量，实现功率单元直压的稳定，其性价比较高。通过优化软件实现H桥电压均衡，控制方法众多，各自有优缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，该方法在考虑电网电压不平衡、功率单元电气参数差异等条件下，对H桥直压进行三层控制。在35kV链式SVG控制中，功率单元的稳定运行是首要条件，级联H桥直压的稳定控制是本发明的核心点。

本发明的技术方案是：一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，对H桥直压进行三层控制：第一层控制为所有功率单元H桥总直压控制：在功率单元H桥直压控制中，首先需要对所有H桥直压总和控制，采用PI调节器控制，变流器通过控制有功电流，实现三相H桥直流总和保持动态平衡；

第二层控制为相间直压控制：SVG相间直压均衡控制结合零序调制波分量和负序调制波分量来调节相间功率分配，实现相间直压平衡；

第三层控制为功率单元间直压均衡控制：对单个单元有功分量的独立调节，控制单元间的直压平衡。

优选地，第一层的所有功率单元H桥总直压控制，具体是通过电压采样得到所有H桥直流侧电压，再对其求出平均值，用参考量与平均值作比较，其误差信号通过PI控制得到总直压指令信号。

优选地，第二层的相间直压控制，具体是当SVG输出电流为0时，采用注入负序电流方法来平衡相间直压，当功率单元中电容电气参数差异，变流器开关损耗差异都比较小时，采用注入零序电压调节分量。

优选地，第三层的功率单元间直压均衡控制：通过在功率单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

本发明有益效果是：

本发明公开了一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，该方法在考虑电网电压不平衡、功率单元电气参数差异等条件下，对H桥直压进行三层控制。第一层控制为所有功率单元H桥总直压控制，变流器通过控制有功电流，实现三相H桥直流总和保持动态平衡；第二层控制为相间直压控制，针对电网电压不平衡度以及变流器电气参数差异，提出了零序电压分量和负序电流结合的控制方法，有效解决了相间不平衡问题；第三层控制为功率单元直压均衡，通过在功率单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，即可实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构图；

图2是本发明总体控制框图；

图3是本发明总直流电压控制原理图；

图4是本发明相间直压控制原理图；

图5是本发明调节零序分量或者负序分量示意图；

图6是本发明单元间直压均衡控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步的详细描述。该方法在考虑电网电压不平衡、功率单元电气参数差异等条件下，对H桥直压进行三层控制。

第一层控制为所有功率单元H桥总直压控制，变流器通过控制有功电流，实现三相H桥直流总和保持动态平衡；第二层控制为相间直压控制，针对电网电压不平衡度以及变流器电气参数差异，提出了零序电压分量和负序电流结合的控制方法，有效解决了相间不平衡问题；第三层控制为功率单元直压均衡控制，通过在功率单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，即可实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

第一层控制：H桥总直压控制

在功率单元H桥直压控制中，首先需要对所有H桥直压总和控制，采用PI调节器控制。具体是通过电压采样得到所有H桥直流侧电压，再对其求出平均值，用参考量与平均值作比较，其误差信号通过PI控制得到总直压指令信号。第二层控制：相间直压控制

本发明SVG相间直压均衡控制结合零序调制波分量和负序调制波分量来调节相间功率分配，最终实现相间直压平衡。

叠加零序调制波分量，需要SVG输出无功电流，因此在设计方案中，当SVG输出电流为0时，采用注入负序电流方法来平衡相间直压。综合三相电网电压不平衡度，功率单元中电容电气参数差异，变流器开关损耗差异等，当上述差异都比较小时，采用注入零序电压调节分量法。

第三层控制：单元间直压均衡

单元间直压均衡采用调制波控制。级联H桥单元在正常工作时，流过单元电流相同，通过在单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，即可实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

进一步限定如下：

第一层控制：总直流电压控制

H桥总直压控制框图如图1所示，通过AD电压采样，分别得到三相H桥直流侧电压值U_dcai，U_dcbi，U_dcci(i＝1,2…42),计算出平均值U_dcave，把参考值U_dcref与U_dcave作比较，再通过PI调节器控制，该指令信号为H桥直流侧与电网交流侧的交互信号。当H桥平均值U_dcave大于参考U_dcref时，H桥电容直压将释放有功功率，回馈给电网；反之，当H桥平均值U_dcave小于参考U_dcref时，H桥电容直压将从电网吸收有功功率；最终实现U_dcave和U_dcref的动态平衡。

第二层控制：相间直压控制

在实际工程项目中，35kV-SVG的功率单元数量众多，其器件参数难免存在差异，尤其当电网电压出现不平衡时，会加剧三相H桥直流电压的差异，此时必须调节相间功率流动，以此实现相间直压平衡。

当三相H桥直流侧电压的不平衡度较大时，必须对适时地对其进行控制。如果补偿电流中出现负序电流时，该负序分量与正序电压分量相互作用，会产生相间功率转移，以此降低H桥直流侧电压的不平衡度。下面进行详细阐述，假设三相电网电压分别为u_sa，u_sb，u_sc，公式如下：

其中，U⁺是电网相电压正序分量有效值，U^-是电网相电压负序分量有效值，θ是电网相电压负序分量初始相位，sin(ωt)是电网电压锁相环的相位；U⁰是注入零序电压分量有效值，k⁰是零序分量的调节比例系数。

假设三相电网电流分别为公式如下：

其中，I⁺是电流正序分量有效值，I^-是电流负序分量有效值，k^-是负序补偿分量的比例系数，α是电网电流负序分量初始相位，cos(ωt)是电网电压锁相环的相位，且满足k^-+k⁰＝1。

(1)只考虑负序电流补偿分量作用时，即k^-＝1

综合电压和电流的公式，可以算出SVG每相吸收的功率p_ca、p_cb、p_cc如下所示：

则SVG各相变流器在电网工频周期内吸收的平均功率如下：

变流器吸收的总功率如下：

三相总功率平均值与每相变流器吸收的功率的差值如下：

综合上式可以看出，影响SVG内部三相功率转移的因素如下：在每相功率计算当中，负序电流和正序电压产生的功率不为零，三相总和功率为零；正序电流和负序电压产生的功率不为零，三相总和功率为零。

正序电流和正序电压在每相当中产生一定的功率，但三相功率之和也为零，结合公式(5)可知，该因素既不会引起相间功率转移，也不会引起总直流侧电压波动。

从公式(5)和(6)可以看出，负序电压和负序补偿分量在每相当中产生一定的功率，三相功率之和不为零，说明该因素只影响总直流侧电压，并不会引起相间功率转移。

有上式可知，当电网电压出现三相不平衡，或者SVG三相变流器损耗不一样时，可以通过注入负序分量来调节相间功率平衡。结合公式(2)和(6)可以推导出三相电网对应的负序电流指令如下：

(2)只考虑零序电压分量作用时，即k⁰＝1

由负序电流分量分析原理可知，结合公式(1)和(2)可推出三相零序电压分量造成的平均功率变化如下：

从公式(8)可以看出，在每相中负序电流和负序电压产生的瞬时功率不为零，但三相瞬时功率之和为零。结合公式(1)和(8)推出零序电压指令如下：

(3)综合比较

从公式(6)可以看出，当改变相同的有功功率时，负序分量的需求远小于零序分量。本发明采取的控制方法是负序补偿电流结合零序电压补偿算法，判断条件如下：综合三相电网电压不平衡度，功率单元中电容电气参数差异，变流器开关损耗差异等，当上述差异比较小时，采用注入零序调节分量来矫正相间电容电压平衡问题，反之采用注入负序调节分量法。当面对特殊工况时，可以同时注入负序补偿电流和零序电压。

并且在补偿过程中需满足下列条件。在图5中分别为电网三相正序电压，为注入的电压补偿分量(零序分量或者负序分量)，θ_x是电压与的相位差，假设功率单元变流器允许输出的最大电压为则补偿电压需满足公式(10)。

U² _a++U² _x+2U_xU_a+cosθ_x≤U² _max (10)

第三层控制：单元间直压均衡

调制波控制：级联H桥单元在正常工作时，流过功率单元电流相同，通过在单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，即可实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

在图6中，在H桥直压调节中，在实现了第一层和第二层控制前提下，提取每相所有单元H桥直压的平均值U_dcave作为指令，每相单元H桥直压实际值U_dcn作为反馈，两者差值先通过PI调节器控制，再通过±sinωt来改变调制信号的方向。

Claims (6)

1.一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，对H桥直压进行三层控制：

第一层控制为所有功率单元H桥总直压控制：

在功率单元H桥直压控制中，首先需要对所有H桥直压总和控制，采用PI调节器控制，变流器通过控制有功电流，实现三相H桥直流总和保持动态平衡；

第二层控制为相间直压控制：

SVG相间直压均衡控制结合零序调制波分量和负序调制波分量来调节相间功率分配，实现相间直压平衡；

第三层控制为功率单元间直压均衡控制：

对单个单元有功分量的独立调节，控制单元间的直压平衡。

2.根据权利要求1所述的一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，第一层的所有功率单元H桥总直压控制，具体是通过电压采样得到所有H桥直流侧电压，再对其求出平均值，用参考量与平均值作比较，其误差信号通过PI控制得到总直压指令信号。

3.根据权利要求1所述的一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，第二层的相间直压控制，具体是当SVG输出电流为0时，采用注入负序电流方法来平衡相间直压，当功率单元中电容电气参数差异，变流器开关损耗差异都比较小时，采用注入零序电压调节分量。

4.根据权利要求1所述的一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，第三层的功率单元间直压均衡控制：

通过在功率单元调制波上叠加与电流同相或反向分量，实现对单个单元有功分量的独立调节，从而控制单元间的直压平衡。

5.根据权利要求2所述的一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，第一层的所有功率单元H桥总直压控制，采用下述方式代替：通过AD电压采样，分别得到三相H桥直流侧电压值U_dcai，U_dcbi，U_dcci，i＝1,2…42,计算出平均值U_dcave，把参考值U_dcref与平均值U_dcave作比较，再通过PI调节器控制，该指令信号为H桥直流侧与电网交流侧的交互信号；当H桥平均值U_dcave大于参考值U_dcref时，H桥电容直压将释放有功功率，回馈给电网；反之，当H桥平均值U_dcave小于参考值U_dcref时，H桥电容直压将从电网吸收有功功率。

6.根据权利要求3所述的一种35kV链式H桥级联直压的控制方法，其特征在于，

分别为电网三相正序电压，为注入补偿的零序电压分量或者负序电压分量，θ_x是与的相位差，假设功率单元变流器允许输出的最大电压为则需满足公式：

U²a++U²x+2UxUa+cosθx≤U²max。