CN108574288B - 一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法 - Google Patents

一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，采用切换系统理论建立包含温度、时间、检修、材料等影响因素在内的电容器充电和放电的伏秒特性曲线和瓦秒特性模型，能够充分、真实、全程、精细地反电容器的行为特征，采用最优切换控制方法建立桥臂切换算法的数学模型、桥臂子模块切换优化数学模型和子模块工作模式切换模型，既能获得复杂条件下的电容器电压均压，还能够简单、高效产生模块型高压无功发生器输出控制的PWM信号，消除不可控成分的技术问题，提高控制精度，又能简化控制器的设计，实现了高效性、经济性、可靠性和高精度的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

Description

一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统中电容均压控制相关技术领域，特别是指一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法。
背景技术
电容是模块型高压无功发生器最基本的元件之一。模块型高压无功发生器的子模块电容作为模块型高压无功发生器的储能元件，由于电容储能的波动，电容电压必然会存在一定的波动，子模块电容电压波动会导致同一相内上、下桥臂的子模块电容瞬时功率波动出现非同步性，进而影响到同一相内上、下桥臂的子模块的正常工作。模块型高压无功发生器电容电压进行均压控制是提模块型高压无功发生器组成单元的利用效率、维持正常工作的最有效途径，也是减少模块型高压无功发生器组成单元数量的最有效途径。模块型高压无功发生器电容电压在进行充电和放电的过程中，一方面受模块单元运行模式、环境温度、电气参数、故障类型、运行时间的影响，另一方面电容器自身存在着非理想因素和杂散特性，使得各模块单元电容电压在工作过程中存在很大差异，其均压控制成为不得不面对的重要问题。模块型高压无功发生器的工作过程，存在着模块单元不断投入和退出的切换过程，各模块的电容器存在着充电、放电、停运不断切换的过程，呈现出典型的混成切换系统特征，电容电压均压控制具有相当大的难度。此外，电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，使得电容器电压呈现出一定的不确定性、非线性，难以用简单的连续曲线来描述，更增加了电容电压均压控制过程的复杂性。
现有的电容电压均压控制方法多采用最近电平调制技术，其基本思想是基于排序，先对电容电压排序，再根据桥臂电流方向选择投入电压最高或者最低的若干模块，使总体电压平衡。电容电压均压控制最近电平调制技术的最大优势是容易实现，此外还具有谐波含量少、开关频率低和输出特性好等优点。但是，当模块型高压无功发生器的子模块数目很大时，这种传统的基于排序的最近电平调制电容电压均压控制方法的排序计算量呈指数倍增加，给控制技术和硬件设计带来困难。另外，这类方法在进行排序计算时，未能充分、真实、全程、精细地计及电容器的不确定性的特征和非线性特征，存在不可控成分，难以表现出优异的电容电压均压控制效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，能够充分考虑到电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，有效减少模块型高压无功发生器的子模块单元数量，降低成本，简化控制，提高整体模块型高压无功发生器工作效能，因此具有广泛的应用前景。
基于上述目的本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，包括：
第一步：基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；
第二步：基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；其中，电容器充电时的伏秒特性曲线为：
Figure GDA0003057845130000021
电容器放电时的伏秒特性曲线为：
Figure GDA0003057845130000022
其中，C为电容器的电容，uc为电容器实际电压，UC0为电容器的初始电压，R为电容器回路电阻，U为电容器回路外加电压；
第三步：基于第一步中获取的直流母线电压范围，建立直流母线电压约束模型；所述直流母线电压约束模型为：0.8UDCN≤Udc≤1.2UDCN；其中，UDCN为直流母线电压的额定值，Udc为直流母线的实际电压；
第四步：基于系统结构，判断三相对称性并且相应的建立桥臂切换算法的数学模型；其中，模块型高压无功发生器交流侧a、b、c相的实际电压有效值分别为Uca、Ucb、Ucc，UcN为交流测电压额定值，当Uca＝Ucb＝Ucc＝UcN时，IGBT的导通宽度为DN，a、b、c相实际电压Uca、Ucb、Ucc对应的IGBT导通宽度分别为Da、Db、Dc，且通过下式计算：
Figure GDA0003057845130000031
由此得到，桥臂切换算法的数学模型为：同一桥臂中IGBT的后续状态由下式切换算法计算：
Figure GDA0003057845130000032
其中，IGBT导通状态为“1”，IGBT关断状态为“0”；
若Uca、Ucb、Ucc都小于UcN，且有Ucp(p＝a,b,c)<Ucq(q＝a,b,c；q≠p)<Ucr(r＝a,b,c；r≠p；r≠q)，a、b、c相不同桥臂中IGBT的后续状态由下式的切换算法计算：
Figure GDA0003057845130000033
第五步：基于第一步中获取的子模块电容电压范围，建立子模块电容电压约束模型：0.8UN≤Uijk≤1.2UN；其中，UN为子模块电容电压的额定值，Uijk为子模块电容实际电压；
第六步：建立桥臂子模块切换优化数学模型，所述桥臂子模块切换优化数学模型为：Min Ei，i＝a,b,c；其中，E为子模块的状态改变数；子模块从上一个状态“1”或“0”改变为下一个状态“0”或“1”为一次状态改变；
第七步：通过上述模型求解最优子模块切换解，包括：
(1)i(i＝a,b,c)相桥中，上桥臂投入子模块个数Eupi和下桥臂投入子模块个数Edowni分别表示如下：
Figure GDA0003057845130000034
其中，round为四舍五入函数；
(2)Ei＝Eupi+Edowni；
(3)调取上次投入的子模块数Eio；
(4)下次应投入的最小子模块数为Emini＝Ei-Ei0；
(5)调取上次投入的子模块对象；
(6)选取下次投入的子模块对象；
第八步：建立子模块工作模式切换模型；
第九步：基于上述计算，给出各个IGBT的驱动信号。
从上面所述可以看出，本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，利用混成系统理论中的混成切换系统模型对模块型高压无功发生器工作过程进行建模，结合模块型高压无功发生器子模块电容器伏秒特性和瓦秒特性，根据切换子模块次数最少的优化目标函数模型获取子模块PWM控制信号，既能充分、真实、全程、精细地反映电容电压的动态行为，消除优化结果不完全正确的技术问题，提高电容电压均压控制精度，又能简化控制器的设计，提高电容电压均压控制的可靠性和经济性，实现了高精度和高经济性、高可靠性的良好结合。因此，本申请能够充分考虑到电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，有效减少模块型高压无功发生器的子模块单元数量，降低成本，简化控制，提高整体模块型高压无功发生器工作效能，因此具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器系统结构示意图；
图2为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器主电路的结构原理示意图；
图3为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器子模块主电路的原理结构示意图；
图4为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的基于电容电压均压最优切换控制的模块型高压无功发生器输出控制PWM信号产生原理模型示意图；
图5为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的电容电压均压最优切换控制算法原理框图；
图6为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本申请的目的是提供一种更能充分、真实、全程、精细地反映模块型高压无功发生器工作过程中电容器行为特征的高效方法，克服现有的基于排序的最近电平调制电容电压均压控制方法的不足，解决现有电容电压均压控制方法因使用单一的排序计算方式来确定子模块工作状态存在的运算量大、过程复杂、调试难度大、排序结果不完全正确、均压效果不很理想的技术问题。因此，本申请对电容电压均压采用最优切换控制器进行控制，包括最优目标函数模型、最优切换求解算法、切换规律模型算法和变流器PWM控制算法。其中，最优目标函数模型包括子模块切换次数最少的优化目标数学模型、直流母线电压约束模型、子模块电容电压约束数学模型、桥臂电压约束数学模型和子模块工作状态约束的数学模型。最优切换求解算法执行最优目标函数模型的最优解求取；切换规律模型算法执行最优切换规律的产生；变流器PWM控制包括信号检测算法、模块型高压无功发生器控制的整体PWM信号产生算法和子模块PWM信号产生和分配。
参见图1所示，图1中SVG表示模块型高压无功发生器。模块型高压无功发生器系统结构由电网电源、电网负荷、SVG主电路、SVG驱动电路、SVG控制器、变压器(T)、电压互感器(TV)、电流互感器(TCa、TCb、TCc)组成。SVG主电路在SVG控制器的控制下，向电网负荷输出所需要的无功功率。SVG控制器在控制SVG主电路的输出的同时控制SVG主电路中的电容电压使之均衡。
参见图2所示，模块型高压无功发生器子模块主电路由三个变流桥臂、直流电容(C)和变压器(T)组成。每个桥臂由2×N+1个子模块组成，分为上、下两个桥臂，上桥臂和下桥臂的子模块数均为N。整个模块型高压无功发生器有3×2×N+3个子模块组成。
参见图3所示，模块型高压无功发生器子模块主电路的每个子模块由两个IGBT器件、两个二极管以及一组电容组成。模块型高压无功发生器最优切换控制系统的原理结构由无功发生器无功输出控制切换控制和子模块电容电压均压最优切换控制两部分组成。
参见图4所示，基于电容电压均压最优切换控制的模块型高压无功发生器输出控制PWM信号产生原理模型由信号检测算法模型、SVG无功输出控制模型、PWM信号产生算法模型、PWM信号放大与分配算法模型组成。信号检测算法模型需要采样系统电压、系统电流、直流母线电压、子模块电容器电压、子模块交流电压、子模块交流电流、子模块IGBT温度、环境温度。
参见图5所示，电容电压均压最优切换控制算法原理框图由电容电压均压最优切换控制算法原理框图、桥臂子模块切优化模型、子模块工作模式切换模型组成。
参见图6所示，为本发明提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法一个实施例的流程图。所述电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法包括：
步骤S1，基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；
步骤S2，基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；所述电容器充电时的伏秒特性曲线为：
Figure GDA0003057845130000061
所述电容器放电时的伏秒特性曲线为：
Figure GDA0003057845130000062
其中，C为电容器的电容，uc为电容器实际电压，UC0为电容器的初始电压，R为电容器回路电阻，U为电容器回路外加电压；
步骤S3，基于第一步S1中获取的直流母线电压范围，建立直流母线电压约束模型；所述直流母线电压约束模型为：0.8UDCN≤Udc≤1.2UDCN；其中，UDCN为直流母线电压的额定值，Udc为直流母线的实际电压；
步骤S4，基于系统结构，判断三相对称性并且相应的建立桥臂切换算法的数学模型；其中，模块型高压无功发生器交流侧a、b、c相的实际电压有效值分别为Uca、Ucb、Ucc，UcN为交流测电压额定值，当Uca＝Ucb＝Ucc＝UcN时，IGBT的导通宽度为DN，a、b、c相实际电压Uca、Ucb、Ucc对应的IGBT导通宽度分别为Da、Db、Dc，且通过下式计算：
Figure GDA0003057845130000063
由此得到，桥臂切换算法的数学模型为：同一桥臂中IGBT的后续状态由下式切换算法计算：
Figure GDA0003057845130000071
其中，Xa、Xb、Xc分别a、b、c相的IGBT的工作状态，等于“1”表示对应相的IGBT处于导通状态，等于“0”表示对应相的IGBT关断状态；下同。
若Uca、Ucb、Ucc都小于UcN，且有Ucp(p＝a,b,c)<Ucq(q＝a,b,c；q≠p)<Ucr(r＝a,b,c；r≠p；r≠q)，a、b、c相不同桥臂中IGBT的后续状态由下式的切换算法计算：
Figure GDA0003057845130000072
步骤S5，基于第一步S1中获取的子模块电容电压范围，建立子模块电容电压约束模型：0.8UN≤Uijk≤1.2UN；其中，UN为子模块电容电压的额定值，Uijk为子模块电容实际电压；
步骤S6，建立桥臂子模块切换优化数学模型，所述桥臂子模块切换优化数学模型为：Min Ei，i＝a,b,c；其中，E为子模块的状态改变数；子模块从上一个状态“1”或“0”改变为下一个状态“0”或“1”为一次状态改变；
步骤S7，通过上述模型求解最优子模块切换解，包括：
(1)i(i＝a,b,c)相桥中，上桥臂投入子模块个数Eupi和下桥臂投入子模块个数Edowni分别表示如下：
Figure GDA0003057845130000073
其中，round为四舍五入函数；
(2)Ei＝Eupi+Edowni；
(3)调取上次投入的子模块数Eio；
(4)下次应投入的最小子模块数为Emini＝Ei-Ei0；
(5)调取上次投入的子模块对象；
(6)通过上述步骤(4)(5)选取下次投入的子模块对象；
步骤S8，建立子模块工作模式切换模型；
子模块ijk的两个IGBT的状态矢量分别为Tijk1和Tijk2；
Figure GDA0003057845130000074
Figure GDA0003057845130000075
其中，i为高压无功发生器的三相桥臂的各相，i＝a,b,c；j为高压无功发生器三相桥臂各相的上桥臂和下桥臂，“1”表示上桥臂，“2”表示下桥臂，j＝1,2；k为上桥臂和下桥臂的子模块序号，N为上桥臂和下桥臂的子模块的总数(上桥臂与下桥臂的子模块总数是相等的)，k＝1,2,…,N，Dijk＝Di，ωt为当前角度。
步骤S9，基于上述计算，给出各个IGBT的驱动信号。
由上述实施例可知，本申请所述电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，利用混成系统理论中的混成切换系统模型对模块型高压无功发生器工作过程进行建模，结合模块型高压无功发生器子模块电容器伏秒特性和瓦秒特性，根据切换子模块次数最少的优化目标函数模型获取子模块PWM控制信号，既能充分、真实、全程、精细地反映电容电压的动态行为，消除优化结果不完全正确的技术问题，提高电容电压均压控制精度，又能简化控制器的设计，提高电容电压均压控制的可靠性和经济性，实现了高精度和高经济性、高可靠性的良好结合。因此，本申请能够充分考虑到电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，有效减少模块型高压无功发生器的子模块单元数量，降低成本，简化控制，提高整体模块型高压无功发生器工作效能，因此具有广泛的应用前景。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，其特征在于，包括：
第一步：基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；
第二步：基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；其中，电容器充电时的伏秒特性曲线为：
Figure FDA0003057845120000011
电容器放电时的伏秒特性曲线为：
Figure FDA0003057845120000012
其中，C为电容器的电容，uc为电容器实际电压，UC0为电容器的初始电压，R为电容器回路电阻，U为电容器回路外加电压；
第三步：基于第一步中获取的直流母线电压范围，建立直流母线电压约束模型；所述直流母线电压约束模型为：0.8UDCN≤Udc≤1.2UDCN；其中，UDCN为直流母线电压的额定值，Udc为直流母线的实际电压；
第四步：基于系统结构，判断三相对称性并且相应的建立桥臂切换算法的数学模型；其中，模块型高压无功发生器交流侧a、b、c相的实际电压有效值分别为Uca、Ucb、Ucc，UcN为交流测电压额定值，当Uca＝Ucb＝Ucc＝UcN时，IGBT的导通宽度为DN，a、b、c相实际电压有效值Uca、Ucb、Ucc对应的IGBT导通宽度分别为Da、Db、Dc，且通过下式计算：
Figure FDA0003057845120000013
由此得到，桥臂切换算法的数学模型为：同一桥臂中IGBT的后续状态由下式切换算法计算：
Figure FDA0003057845120000014
其中，Xa、Xb、Xc分别为a、b、c相的IGBT的工作状态，当等于“1”时，表示对应相的IGBT处于导通状态，当等于“0”时，表示对应相的IGBT处于关断状态；
若Uca、Ucb、Ucc都小于UcN，且有Ucp(p＝a,b,c)<Ucq(q＝a,b,c；q≠p)<Ucr(r＝a,b,c；r≠p；r≠q)，a、b、c相不同桥臂中IGBT的后续状态由下式的切换算法计算：
Figure FDA0003057845120000021
第五步：基于第一步中获取的子模块电容电压范围，建立子模块电容电压约束模型：0.8UN≤Uijk≤1.2UN；其中，UN为子模块电容电压的额定值，Uijk为子模块电容实际电压；
第六步：建立桥臂子模块切换优化数学模型，所述桥臂子模块切换优化数学模型为：Min Ei，i＝a,b,c；其中，E为子模块的状态改变数；子模块从上一个状态“1”或“0”改变为下一个状态“0”或“1”为一次状态改变；
第七步：通过上述模型求解最优子模块切换解，包括：
(1)i(i＝a,b,c)相桥中，上桥臂投入子模块个数Eupi和下桥臂投入子模块个数Edowni别表示如下：
Figure FDA0003057845120000022
其中，round为四舍五入函数；
(2)Ei＝Eupi+Edowni；
(3)调取上次投入的子模块数Eio；
(4)下次应投入的最小子模块数为Emini＝Ei-Ei0；
(5)调取上次投入的子模块对象；
(6)选取下次投入的子模块对象；
第八步：建立子模块工作模式切换模型；
第九步：基于上述计算，给出各个IGBT的驱动信号。
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