CN108599202A - 配电网三相不平衡电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网三相不平衡电压抑制方法，所述抑制方法包括以下步骤：采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路；实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；当所述中性点位移电压大于3％额定相电压时，判定所述配电网为三相电压不平衡状态，所述逆变电路输出零序电流；向所述配电网的中性点注入所述零序电流并调节所述零序电流，使得所述中性点位移电压为零。本发明的配电网三相不平衡电压抑制方法能够有效且可靠地抑制配电网三相不平衡的电压，抑制效果显著。

Description

配电网三相不平衡电压抑制方法

技术领域

本发明涉及配电系统技术领域，具体地，本发明涉及一种配电网三相不平衡电压抑制方法。

背景技术

配电网是在电力网中起重要分配电能作用的网络，一般由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等组成的。配电网通常存在三相对地参数不对称、三相负载不平衡的情况，引发配电网三相输出电压不平衡的问题，给电力系统和用户带来一系列的危害，例如，降低配电变压器的出力，危及变压器的安全；电机容量利用率降低；电网损耗增加；供电设备无法正常工作，影响配电系统的供电可靠性。

相关技术中，抑制三相输出电压不平衡的方法有：1、采用手动投切电容器或电压器的方法，通过在线路对地电容不平衡相上投入电容器或电抗器组，使线路三相电压恢复平衡； 2、采用消弧线圈接地或销户线圈串联电阻接地的改变系统接地方式的方法，平衡三相电压。然而，采用手动投切电容器或电压器的方法，投切时间和投切容量均依靠系统以往的运行经验，抑制的精度和速度难以达到要求；采用改变系统接地的方法，在系统运行方式发生较大变化时可能导致谐振的发生，带来更大的电压不平衡。因此，现有的抑制方法仍存在问题，抑制不可靠，效果不明显。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明提出一种配电网三相不平衡电压抑制方法，该配电网三相不平衡电压抑制方法能够有效且可靠地抑制配电网三相不平衡的电压，抑制效果显著。

根据本发明的实施例的配电网三相不平衡电压抑制方法包括以下步骤：

采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路；

实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；

当所述中性点位移电压大于3％额定相电压时，判定所述配电网为三相电压不平衡状态，所述逆变电路输出零序电流；

向所述配电网的中性点注入所述零序电流并调节所述零序电流，使得所述中性点位移电压为零。

根据本发明的实施例的配电网三相不平衡电压抑制方法通过采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路，并在所述中性点位移电压大于3％额定相电压时，向所述配电网的中性点注入所述零序电流并调节所述零序电流，直至所述中性点位移电压为零，能够有效且可靠地抑制配电网三相不平衡的电压，抑制效果显著。

在一些实施例中，采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制三相三线制逆变器，所述三相三线制逆变器在dq坐标系下的状态微积分方程为：

其中，dq坐标系为：d轴和q轴相互垂直，且以ω为角速度与空间合成矢量同步旋转， d轴滞后q轴90°；

i为电感电流；

I为负载电流。

在一些实施例中，采用PI双闭环控制器实现双环控制，其中所述PI双闭环控制器包括电流内环PI控制器和电压外环PI控制器。

在一些实施例中，所述电流内环的控制方程式为：

其中，K_ip、K_iI为所述电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；

i_d ^*、i_q ^*为所述电流内环的参考电流。

在一些实施例中，所述电压外环的控制方程式为：

其中，K_νp、K_νI为所述电压外环PI控制器的比例系数和积分系数；

ν_d ^*、ν_q ^*为所述电压外环的参考电压。

在一些实施例中，所述三相三线制逆变器的状态方程为：

在一些实施例中，所述重复控制通过重复控制器系统实现，所述重复控制器系统具有内模，所述内模采用离散形式表示为：

其中，N为每个周期采样的次数。

在一些实施例中，所述重复控制器系统包括重复信号发生器，所述重复信号发生器包括低通滤波器，所述重复控制器系统结构的方程为：

在一些实施例中，所述中性点位移电压为零所对应的所述零序电流为注入电流，其中调节所述零序电流至所述注入电流的方法为：

给定任意非零幅值的电流，改变该电流的相位，测量所述中性点位移电压，所述中性点位移电压最小所对应的电流的相位为所述注入电流的相位；

固定注入电流的相位，改变电流的幅值，测量所述中性点位移电压，所述中性点位移电压最小所对应的电流的幅值为所述注入电流的幅值。

在一些实施例中，所述的配电网三相不平衡电压抑制方法还包括：在所述配电网的中性点和地之间安装可控电流源，通过所述可控电流源向所述配电网的中性点注入所述零序电流。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的配电网三相不平衡抑制中所采用的dq坐标系；

图2是根据本发明的实施例的配电网三相不平衡抑制中的重复控制系统；

图3是根据本发明的实施例的配电网三相不平衡抑制中重复控制器的离散模型；

图4是根据本发明的实施例的配电网三相不平衡抑制中重复信号发生器的模型；

图5是根据本发明的实施例的配电网三相不平衡抑制示意图。

附图标记：

整流模块100，逆变模块200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-5所示，根据本发明的实施例的配电网三相不平衡电压抑制方法包括以下步骤：

采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路：

具体地，配电网三相不平衡电压抑制装置中的逆变器由复合控制系统控制，该复合控制系统包括PI双闭环控制器和重复控制器，且PI双闭环控制器和重复控制器并联设置，可以理解的是，双闭环为电压、电流双闭环控制，PI控制是逆变器控制中广泛采用的方法，其结构形式简单、参数易于设计，理论成熟。PI控制器在前向通道上包含阶跃信号的内膜，因此，PI控制能够对阶跃信号进行无静态误差的跟踪。进一步地，重复控制由重复控制器实现，重复控制利用扰动的重复特性，记忆各个位置扰动的特性，有针对性的校正波形，重复控制器包含周期信号的内模，能够对周期性的正弦指令信号实现无静态误差的跟踪。可以理解的是，负载不平衡引起相电压的不平衡度在加入重复控制后能够下降到1％作用，从而提高不平衡电压的抑制效率。

实时测量配电网三相电压和中性点位移电压：

通过信号采样模块连续、实时地测量配电网的三相电压和中性点位移电压，可以理解的是，中性点位移电压因三相对地参数不平衡引起。

当中性点位移电压大于3％额定相电压时，判定配电网为三相电压不平衡状态，逆变电路中输出零序电流：

将整定值设定为额定相电压的3％，若实时监测的中性点位移电压超过该整定值，处理器判定配电网处于三相电压不平衡状态，产生零序电压，而此时从逆变器的逆变电路中输出零序电流。

向配电网的中性点注入零序电流并调节零序电流，使得中性点位移电压为零。换言之，在中性点出现超过整定值的电压时，迅速向配电网的中性点注入零序电压以对配电网三星不平衡进行抑制。进一步地，通过闭环控制能够实施调解采样模块检测的注入到配电网的零序电流的幅值和相位，保证零序电流的无差调节，提高三相不平衡抑制的效率。具体地，配电网三相不平衡电压抑制方法还包括在配电网的中性点和地之间安装可控电流源，可以理解的是，当需要向配电网的中性点注入零序电流时，通过该可控电流源向配电网的中性点注入零序电流。

根据本发明的实施例的配电网三相不平衡电压抑制方法通过采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路，能够有效地抑制负载不平衡引起的三相不平衡电压，并在所述中性点位移电压大于3％额定相电压时，向所述配电网的中性点注入所述零序电流并调节所述零序电流，直至所述中性点位移电压为零，能够有效地抑制由对地参数不平衡引起的三相不平衡电压，由此，能够可靠地抑制配电网三相不平衡的电压，抑制效果显著。

在一些实施例中，配电网三相不平衡电压抑制装置中采用的逆变器为三相三线制逆变器，三相三线制逆变器在对称情况下的输出正弦量经过abc坐标系到dq坐标系的变换后，在d、q坐标轴下的分量为直流量，三相对称参考电压经过坐标变换后d轴分量为三相参考电压的峰值，q轴分量为0，因此，在dq坐标系下对三相三线制逆变器进行双环控制。通常，三相三线制逆变器在dq坐标系下的状态微积分方程为：

其中，dq坐标系(如图1所示)为：d轴和q轴相互垂直，且以ω为角速度与空间合成矢量同步旋转，d轴滞后q轴90°；

i为电感电流；

I为负载电流。

可以理解的是，由式(1)可知，三相三线制逆变器的数学模型中d、q轴变量相互耦合，然而两轴的变量相互耦合不利于控制器的设计。

进一步地，PI双闭环控制器包括电流内环PI控制器和电压外环PI控制器，即在dq坐标系下对三相三线制逆变器进行电压、电流PI双环控制，其中电流内环的控制方程式为：

式(2)和式(3)中，K_ip、K_iI为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；

i_d ^*、i_q ^*为电流内环的参考电流。

更进一步地，式(2)和式(3)中的电流内环的参考电流由电压外环调节输出，其中电压外环的控制方程式为：

式(4)和式(5)中，K_νp、K_νI为电压外环PI控制器的比例系数和积分系数；

ν_d ^*、ν_q ^*为电压外环的参考电压。

可以理解的是，将式(2)、(3)、(4)、(5)分别代入式(1)中，可得三相三线制逆变器的状态方程为：

由式(6)可以看出，d、q轴变量不再相互耦合，即d、q轴电压、电流方程被解耦，采用上述模型能够利于控制器的设计。

在一些实施例中，重复控制通过重复控制器系统实现，如图2、3所示，重复控制器系统具有内模，重复控制是将系统外部参考信号的动力学模型加入控制器中以构成高精度的反馈控制系统，从而实现对参考信号的无静差跟踪。当反馈信号与参考信号之间的误差值为零时，要求控制器能够持续输出与上一时刻相同的控制量，即要求内模的作用类似于一个信号发生器。

其中，内模采用离散形式表示为：

其中，N为每个周期采样的次数。

可以理解的是，内模结构的极点都分布在z域的单位圆上。重复控制器的离散模型如图3所示。

进一步地，重复控制器系统的内模为重复信号发生器，如图4所示，其能够使得控制系统存在稳态误差，即稳定性的改善是以牺牲稳态误差为代价而实现的。重复控制器系统结构的方程为：

具体地，Q(z)取0.95，则

由式(8)表明，每个一个周期，输出了就会累加一次，但在累加过程中是先将上一周期的输出量削弱5％后再与输入的当前值相加，这样，当误差低至输出量的5％时，累加过程就会停止；或者，Q(z)采用低通滤波器，也能够出现上述类似的结果。

更进一步地，重复控制器还包括补偿器C(z)，该补偿器根据被控对象的幅频特性，在得到上一周期的误差信息后确定应该在下一时刻的何时给出合适的控制量。具体地，该补偿器利用超前环节进行相位补偿，可以理解的，重复控制利用超前环节与低通滤波器相结合以提高控制效果。

更具体地，补偿器主要由重复控制增益K_r、超前环节z^k和滤波器S(z)组成，该补偿器的方程为：

C(z)＝K_r·z^k·S(z) (9)

其中，重复控制增益K_r设定为小于1的正常数，其能够控制误差的收敛速度：

减小重复控制增益K_r，误差收敛速度变慢，稳态误差上升，但系统的稳定性增强；超前环节z^k能够补偿控制对象及滤波器S(z)引起的相位滞后，以使z_kS(z)P(z)在中低频段近似为零相移；滤波器S(z)能够将被控对象P(z)中低频段的增益校正为1；能够抵消被控对象较高的谐振峰值，以避免其破坏系统的稳定性；能够增强前向通道的高频衰减特性，提高系统的稳定性和高频抗干扰能力。

在一些实施例中，中性点位移电压为零所对应的零序电流为注入电流，其中调节零序电流至注入电流的方法为：给定任意非零幅值的电流，改变该电流的相位，测量中性点位移电压，中性点位移电压最小所对应的电流的相位为注入电流的相位；固定注入电流的相位，改变电流的幅值，测量中性点位移电压，中性点位移电压最小所对应的电流的幅值为注入电流的幅值。

具体地，图5为配电网三相不平衡电压补偿示意图，三相交流通过整流模块100转换成单向直流，再通过逆变模块200转换成单向交流，然后经过L_f、C_f滤波电路和变压器注入配电网，I为注入电流；C_dc、R_dc分别为直流侧电容和电阻，用于平稳直流电压；E_A、E_B、 E_C分别为配电网A、B、C三相电源电压；r_A、r_B、r_C为配电网单相对地泄露电阻；C_A、C_B、 C_C为配电网单相对地电容；U₀为中性点位移电压；r₀和L₀分别为消弧线圈的阻尼电阻和调谐电感；k为单相高压开关，通过控制高压开关和调整消弧线圈电感和并联电阻，可以改变配电网中性点的接地方式。

由基尔霍夫定律可知：

I＝E_AY_A+E_BY_B+E_CY_C+U₀(Y_A+Y_B+Y_C+Y₀) (10)

式中，Y_A、Y_B、Y_C分别为三相线路对地参数的并联导纳。

其中，

可以理解的是，U₀＝0时即能够彻底消除配电网正常运行时因三相对地参数不平衡引起的中性点位移电压，由此，由式(10)可知，

I＝E_AY_A+E_BY_B+E_CY_C (11)

由式(11)可知，若要获得注入电流I，则需要得知线路三相对地参数的并联导纳Y_A、 Y_B、Y_C，但该导纳实时测量困难。为此，本发明采用改变电流的大小和相位查找最小的中性点位移电压，并向配电网中注入对应最小的中性点位移电压的电流，从而实现三相不平衡电压的有源控制。可以理解的是，通过采用改变电流大小和相位的方法能够克服实时测量导纳困难的问题，便于在工程上实现。

进一步地，根据三相电压关系：

式(12)和式(10)可以得到中性点位移电压幅值U₀和注入电流I的函数关系：

其中，

E＝E_A。

若U₀＝f(I,θ)，并分别对θ和I求偏导数，可得：

令f_θ(I,θ)＝0和f_I(I,θ)＝0，求上述方程组，可得：

再分别对θ和I求偏导数，分别设：f_II(I,θ)＝A，f_Iθ(I,θ)＝B，f_θθ(I,θ)＝C，可得：

AC-B²＞0，A＜0

所以函数U₀＝f(I,θ)在(I₀,θ₀)处有最小值f(I₀,θ₀)＝0。

因此，可以理解的是，存在唯一的注入电流I＝I₀∠θ₀，且该唯一的注入电流能够将中性点位移电压限制到最小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制逆变电路；

实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；

当所述中性点位移电压大于3％额定相电压时，判定所述配电网为三相电压不平衡状态，所述逆变电路输出零序电流；

向所述配电网的中性点注入所述零序电流并调节所述零序电流，使得所述中性点位移电压为零。

2.根据权利要求1所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，采用双环控制和重复控制并联的复合控制方法控制三相三线制逆变器，所述三相三线制逆变器在dq坐标系下的状态微积分方程为：

其中，dq坐标系为：d轴和q轴相互垂直，且以ω为角速度与空间合成矢量同步旋转，d轴滞后q轴90°；

i为电感电流；

I为负载电流。

3.根据权利要求2所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，采用PI双闭环控制器实现双环控制，其中所述PI双闭环控制器包括电流内环PI控制器和电压外环PI控制器。

4.根据权利要求3所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述电流内环的控制方程式为：

其中，K_ip、K_iI为所述电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；

i_d ^*、i_q ^*为所述电流内环的参考电流。

5.根据权利要求4所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述电压外环的控制方程式为：

其中，K_νp、K_νI为所述电压外环PI控制器的比例系数和积分系数；

ν_d ^*、ν_q ^*为所述电压外环的参考电压。

6.根据权利要求5所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述三相三线制逆变器的状态方程为：

7.根据权利要求1所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述重复控制通过重复控制器系统实现，所述重复控制器系统具有内模，所述内模采用离散形式表示为：

其中，N为每个周期采样的次数。

8.根据权利要求7所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述重复控制器系统包括重复信号发生器，所述重复信号发生器包括低通滤波器，所述重复控制器系统结构的方程为：

9.根据权利要求1-8中任一项所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，所述中性点位移电压为零所对应的所述零序电流为注入电流，其中调节所述零序电流至所述注入电流的方法为：

给定任意非零幅值的电流，改变该电流的相位，测量所述中性点位移电压，所述中性点位移电压最小所对应的电流的相位为所述注入电流的相位；

固定注入电流的相位，改变电流的幅值，测量所述中性点位移电压，所述中性点位移电压最小所对应的电流的幅值为所述注入电流的幅值。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于，还包括：在所述配电网的中性点和地之间安装可控电流源，通过所述可控电流源向所述配电网的中性点注入所述零序电流。