CN108923407A - 一种级联h桥型配电网消弧装置控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，包括如下步骤，S1:实时采集配电网及消弧装置的电气量，并根据配电网对地参数计算消弧装置注入电流的参考值；S2:根据注入电流的参考值、电气量和消弧装置参数，计算当前采样周期消弧装置的最优输出电平；S3:根据得到最优输出电平，计算最优输出电平的占空比；S4:根据最优输出电平和占空比，得到最优开关状态组合，并向H桥单元输出开关信号。本发明动态响应速度快，稳态性能好，容易在数字控制系统实现，不需要进行参数调节，能够在不同故障电阻的情况下实现补偿故障电流、抑制电弧重燃的功能，使每个H桥单元的开关次数平衡，避免部分H桥单元因频繁开断致使开关损耗上升，造成局部过热的情况。
Description
技术领域
本发明涉及变流器控制领域，具体涉及一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法。
背景技术
级联H桥变流器具有输出功率容量大、开关频率低、输出谐波小以及电磁兼容性好等一系列优点，受到了越来越多的关注。目前，级联H桥变流器已在配电网故障消弧领域得到了运用，研制了级联H桥型配电网消弧装置。由于级联H桥型配电网消弧装置的三相为星型连接，并且中性点接地，使消弧装置的三相解耦，消弧装置的控制方法实际上是对单相级联H桥变流器进行控制。传统的级联H桥型配电网消弧装置的控制方法是由PID线性控制器与调制技术组成，通过PID控制器得到级联H桥变流器的参考输出电压，再利用调制技术得到需要的波形。但是，传统的控制方法需要进行坐标变换，并且参数调节复杂，需要根据系统的状态实时进行调节。而且，动态响应速度慢，无法满足消弧装置对于动态性能的需求。因此，减少调节参数的难度，增强控制系统的稳定性，提升动态响应能力，提高稳态性能，对于提高配电网故障消弧的成功率，维持配电网安全可靠运行具有重大意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，能够有效提升装置的稳态性能和动态性能，不需要调节参数，并且可以使每个H桥单元的开关次数基本平衡。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1:实时采集配电网及消弧装置的电气量，并根据配电网对地参数计算消弧装置注入电流的参考值；
步骤S2:根据注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数，计算当前采样周期消弧装置的最优输出电平；
步骤S3:根据得到最优输出电平，计算最优输出电平的占空比；
步骤S4:根据最优输出电平和占空比，得到最优开关状态组合，并向H桥单元输出开关信号。
进一步的，所述实时采集配电网及消弧装置的电气量包括母线三相电压、零序电压和消弧装置的注入电流。
进一步的，所述步骤S2具体为：
消弧装置注入电流的微分方程为：
其中，uo为消弧装置的输出电压；u为级联H桥型消弧装置接入点的配电网相电压；iZ为消弧装置的注入电流；L为消弧装置的滤波电感值；R为消弧装置线路电阻值和限流电阻值的总和；根据欧拉近似法，对(1)进行离散化，得到：
其中，Ts为控制系统的采样周期；第k采样周期为当前采样周期；iZ(k+1)为下一采样周期消弧装置注入电流的预测值。当采样周期足够小时，存在其中，为下一采样周期消弧装置注入电流的参考值，为步骤S1计算的消弧装置注入电流的参考值；此外，控制方法的目标是使控制的注入电流值尽可能达到参考值，因此，假设可以得到消弧装置输出电压的预测模型：
考虑到消弧装置的最大输出电平和直流侧电压，在当前采样周期，消弧装置的最优输出电平LV(k)为：
其中，VDC为消弧装置的直流侧电压；n为级联数量，同时也代表消弧装置最大输出电平；round[x]为四舍五入函数；利用注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数可以计算得到最优输出电平LV(k)。
进一步的，所述步骤S3具体为：
步骤S31:计算和LV(k)对应的下一周期注入电流预测值的差值iEE(k+1)，同时计算上一采样周期的最优输出电平LV(k-1)与LV(k)的差值ΔL；
步骤S32:根据ΔL和iEE(k+1)，对LV(k)进行修正；若iEE(k+1)小于0并且ΔL不小于0，则LV(k)＝LV(k)-1；若iEE(k+1)大于0并且ΔL不大于0，则LV(k)＝LV(k)+1；修正后的LV(k)需要保证不超出消弧装置最大输出电平。
步骤S33:分别计算LV(k-1)和修正后的LV(k)对应的注入电流斜率kF和kL；当前采样周期分为两个部分：采样周期的前半部分，即(1-d)Ts,消弧装置仍输出电平LV(k-1)；采样周期后半部分，即dTs，则输出电平LV(k)，其中，d为占空比；
LV(k-1)和LV(k)对应的注入电流斜率计算可以由如下公式得到：
根据公式(5)计算输出电平为LV(k-1)时，采样周期前半部分(1-d)Ts注入电流斜率kF；根据公式(6)算输出电平为LV(k)时，采样周期后半部分dTs注入电流斜率kL；
步骤S34：根据注入电流斜率kF和kL，可以由如下公式计算占空比：
进一步的，所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41：将H桥单元进行随机排列，得到随机数列；并根据当前的开关状态组合，统计当前开关状态为-1，0，1对应的H桥单元数量N-1，N0，N1；
步骤S42：根据步骤S31中的ΔL、步骤S41中的随机数列和N-1，N0，N1数量的不同，分为如下情况：
1)当LV(k-1)与LV(k)相等时，直接进入步骤S43；
2)当LV(k-1)小于LV(k)时，若LV(k-1)+N-1≥LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1))个当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；若LV(k-1)+N-1＜LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1)-N-1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1；得到更新后的开关状态组合，进入步骤S43。
3)当LV(k-1)大于LV(k)时，若LV(k-1)-N1≤LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k))个当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0。若LV(k-1)-N1＞LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k)-N1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1；得到更新后的开关状态组合，进入步骤S43；
步骤S43：根据步骤S42得到的最优开关状态组合与步骤S3得到的占空比，生成开关信号，发送至对应的H桥单元。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明基于改进模型预测控制方法，动态响应速度快，不需要调节参数，也不需要调制环节，增强了控制的稳定性。
2、本发明利用了级联H桥型消弧装置输出电压的预测模型计算最优输出电平，计算量不会随着级联数目的增加，极大地降低了控制器的计算负担。
3、本发明使用的改进模型预测控制方法，在一个采样周期内，级联H桥型消弧装置能够输出两个电平，减少了电流误差，提升了稳态性能，降低了控制方法对于采样频率的需要。
4、本发明使用的开关状态组合选择方法，能够使每个H桥单元的开关次数基本达到平衡，避免了部分H桥单元因频繁开断导致开关损耗上升，造成局部过热的情况。
附图说明
图1为本发明的总流程图；
图2为本发明一实施的流程图；
图3为本发明一实施例的示意图；
图4为本发明一实施例中所应用的10kV配电网模型；
图5为本发明一实施例的结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种级联H桥型消弧装置控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：实时采集配电网及消弧装置的电气量，并根据配电网对地参数计算消弧装置注入电流的参考值；本步骤具体包括如下步骤：
配电网发生接地故障前，周期性测量配电网对地参数；配电网发生接地故障后，实时采集母线三相电压、零序电压和消弧装置的注入电流。然后，注入电流的参考值根据公式计算，其中，u0为测量得到的配电网零序电压值；r0为配电网对地电阻值；C0为配电网对地电容值。
步骤S2：根据注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数，计算当前采样周期消弧装置的最优输出电平；本步骤具体包括如下步骤：
消弧装置注入电流的微分方程为：
其中，uo为消弧装置的输出电压；u为级联H桥型消弧装置接入点的配电网相电压；iZ为消弧装置的注入电流；L为消弧装置的滤波电感值；R为消弧装置线路电阻值和限流电阻值的总和。根据欧拉近似法，对(1)进行离散化，得到：
其中，Ts为控制系统的采样周期；第k采样周期为当前采样周期；iZ(k+1)为下一采样周期消弧装置注入电流的预测值。当采样周期足够小时，存在其中，为下一采样周期消弧装置注入电流的参考值，为步骤S1计算的消弧装置注入电流的参考值；此外，控制方法的目标是使控制的注入电流值尽可能达到参考值，因此，假设可以得到消弧装置输出电压的预测模型：
考虑到消弧装置的最大输出电平和直流侧电压，当前采样周期，消弧装置的最优输出电平LV(k)为：
其中，VDC为消弧装置的直流侧电压；n为级联数量，也代表消弧装置最大输出电平；round[x]为四舍五入函数。利用注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数可以计算得到最优输出电平LV(k)。
步骤S3：根据得到最优输出电平，计算最优输出电平的占空比；如图2所示，本步骤具体包括如下步骤：
步骤S31：根据可以得到：与消弧装置输出电平为LV(k)时对应的注入电流预测值的差值iEE(k+1)。同时，根据ΔL＝LV(k-1)-LV(k)，计算上一个采样周期的最优输出电平LV(k-1)与LV(k)的差值ΔL。
步骤S32：根据步骤S31得到的iEE(k+1)和ΔL对LV(k)进行修正：若iEE(k+1)小于0并且ΔL不小于0，则LV(k)＝LV(k)-1；若iEE(k+1)大于0并且ΔL不大于0，则LV(k)＝LV(k)+1。修正后的LV(k)需要保证不超出消弧装置最大输出电平。
步骤S33：将当前采样周期分为两个部分：采样周期的前半部分，即(1-d)Ts,消弧装置仍输出电平LV(k-1)；采样周期后半部分，即dTs，则输出电平LV(k)，其中，d为占空比。LV(k-1)和LV(k)对应的注入电流斜率计算可以由如下公式得到：
根据公式(5)计算输出电平为LV(k-1)时，采样周期前半部分(1-d)Ts注入电流斜率kF；根据公式(6)计算输出电平为LV(k)时，采样周期后半部分dTs注入电流斜率kL。
步骤S34：根据步骤S33得到的kF和kL，占空比d通过如下公式计算：
步骤S4：选择最优开关状态组合，并向各H桥单元输出开关信号。本步骤具体包括如下步骤：
步骤S41：将所有的H桥单元进行随机排序，得到随机数列。根据当前的开关状态组合，统计当前开关状态分别为-1，0和1的H桥单元数量，记为N-1，N0和N1。如图3(a)所示，实施例为五级联H桥变流器，LV(k-1)为-1。H桥单元1～5的当前开关状态组合为(-1,0,1,-1,0)，对应的N-1，N0和N1分别为2，2和1。经过随机排列之后，H桥单元1～5的随机数列为(3,4,5,1,2)。
步骤S42：根据LV(k-1)和LV(k)的值，分为如下情况：
1)当LV(k-1)与LV(k)相等时，直接进入步骤S43。
2)当LV(k-1)小于LV(k)时，若LV(k-1)+N-1≥LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1))个当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0。如图3(b)所示，LV(k)为0，因此根据随机数列的先后顺序，挑选出1个当前开关状态为-1的H桥单元，即H桥单元4，将它的开关状态更新为0；得到更新后的开关状态组合(-1,0,1,0,0)，进入步骤S43。
若LV(k-1)+N-1＜LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1)-N-1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1。如图3(c)所示，LV(k)为3，因此挑选出所有当前开关状态为-1的H桥单元，即H桥单元1和4，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出2个当前开关状态为0的H桥单元，即H桥单元4和5，将它的开关状态更新为1；得到更新后的开关状态组合(0,0,1,1,1)，进入步骤S43。
3)当LV(k-1)大于LV(k)时，若LV(k-1)-N1≤LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k))个当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0。若LV(k-1)-N1＞LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k)-N1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1。得到更新后的开关状态组合，进入步骤S43。
步骤S43：根据步骤S42得到的最优开关状态组合与步骤S3得到的占空比，生成开关信号，发送至对应的H桥单元。
实施例1：
在本实施例中，如图4所示，利用MATLAB/Simulink软件搭建含有级联H桥型消弧装置10kV配电网模型，用于测试级联H桥型配电网消弧装置控制方法的性能。测试结果表明，该方法动态响应速度快，稳定性能好，不需要调节参数，并且可以在不同故障电阻的情况下都可以取得良好的效果。在配电网模型中，EX(X代表A、B、C三相序号，下同)为10kV无穷大系统电源；UX为母线相电压；U0为配电网零序电压；CX和rX分别为配电网对地电容和电阻，参数分别为7μF和30kΩ；IXg为配电网的对地电流；IXZ为消弧装置的注入电流；L和R分别为消弧装置的滤波电感和限流电阻，参数为50mH和30Ω；S为高压开关；假设单相接地故障发生在A相，Rf为故障电阻，If为故障电流。为了补充消弧装置在注入电流过程中消耗的能量，维持H桥单元的直流侧电压稳定，在H桥单元的直流侧并联一个电容值为4mF的电容C和电源模块，电源模块由不可控整流器和交流电源组成，VDC为直流侧电压，参数为2000V。电网频率为50Hz，消弧装置的采样频率为5kHz。
一种典型消弧过程的仿真波形如图5所示，此时的故障电阻为10Ω。在0.04s时，单相接地故障发生，故障相电压下降，故障电流开始流过故障点。故障相电压此时虽然处于下降的过程，然而配电网已经被10Ω的故障电阻接地，所以故障电流出现短暂的峰值，随后故障进入稳态，故障电流波形趋于稳定。在0.10s时，故障相的消弧装置被投入到配电网，开始注入补偿电流。在极短的时间(小于2ms)内，故障电流得到补偿，从40.1A下降到3.1A，验证了本发明拥有良好的动态响应速度和稳态性能。不同故障电阻的消弧效果如表1所示。随着故障电阻的下降，补偿前后的故障电流百分比也同样下降，说明在故障电阻较低情况下消弧效果更为出色。在较恶劣的条件下(即故障电阻较低，配电网故障电流较大的情况)，本发明能够使级联H桥型配电网消弧装置补偿故障电流，抑制电弧的出现和重燃，减轻电弧对配电网的破坏作用。此外，在不同电阻的条件下，补偿后的故障电流都在安全值(5A)以下，验证了本发明的适应性和可靠性。
表1不同故障电阻下的消弧效果
为了验证本发明能够使每个H桥单元的开关次数基本平衡，不同运行时间下的开关次数结果如表2所示。标准差系数为H桥单元开关次数标准差与H桥单元开关次数平均值的百分比，数值越低，代表全部H桥单元的开关次数越接近平衡。
表2不同运行时间的开关次数结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1:实时采集配电网及消弧装置的电气量，并根据配电网对地参数计算消弧装置注入电流的参考值；
步骤S2:根据注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数，计算当前采样周期消弧装置的最优输出电平；
步骤S3:根据得到最优输出电平，计算最优输出电平的占空比；
步骤S4:根据最优输出电平和占空比，得到最优开关状态组合，并向H桥单元输出开关信号。
2.根据权利要求1所述的一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：所述实时采集配电网及消弧装置的电气量包括母线三相电压、零序电压和消弧装置的注入电流。
3.根据权利要求1所述的一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：
消弧装置注入电流的微分方程为：
其中，uo为消弧装置的输出电压；u为级联H桥型消弧装置接入点的配电网相电压；iZ为消弧装置的注入电流；L为消弧装置的滤波电感值；R为消弧装置线路电阻值和限流电阻值的总和；根据欧拉近似法，对(1)进行离散化，得到：
其中，Ts为控制系统的采样周期；第k采样周期为当前采样周期；iZ(k+1)为下一采样周期消弧装置注入电流的预测值。当采样周期足够小时，存在其中，为下一采样周期消弧装置注入电流的参考值，为步骤S1计算的消弧装置注入电流的参考值；此外，控制方法的目标是使控制的注入电流值尽可能达到参考值，因此，假设可以得到消弧装置输出电压的预测模型：
考虑到消弧装置的最大输出电平和直流侧电压，在当前采样周期，消弧装置的最优输出电平LV(k)为：
其中，VDC为消弧装置的直流侧电压；n为级联数量，同时也代表消弧装置最大输出电平；round[x]为四舍五入函数；利用注入电流的参考值、实时采集的电气量和消弧装置参数可以计算得到最优输出电平LV(k)。
4.根据权利要求3所述的一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：
步骤S31:计算和LV(k)对应的下一周期注入电流预测值的差值iEE(k+1)，同时计算上一采样周期的最优输出电平LV(k-1)与LV(k)的差值ΔL；
步骤S32:根据ΔL和iEE(k+1)，对LV(k)进行修正；若iEE(k+1)小于0并且ΔL不小于0，则LV(k)＝LV(k)-1；若iEE(k+1)大于0并且ΔL不大于0，则LV(k)＝LV(k)+1；
步骤S33:分别计算LV(k-1)和修正后的LV(k)对应的注入电流斜率kF和kL；当前采样周期分为两个部分：采样周期的前半部分，即(1-d)Ts,消弧装置仍输出电平LV(k-1)；采样周期后半部分，即dTs，则输出电平LV(k)，其中，d为占空比；
LV(k-1)和LV(k)对应的注入电流斜率计算可以由如下公式得到：
根据公式(5)计算输出电平为LV(k-1)时，采样周期前半部分(1-d)Ts注入电流斜率kF；根据公式(6)算输出电平为LV(k)时，采样周期后半部分dTs注入电流斜率kL；
步骤S34：根据注入电流斜率kF和kL，可以由如下公式计算占空比：
5.根据权利要求4所述的一种级联H桥型配电网消弧装置控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41：将H桥单元进行随机排列，得到随机数列；并根据当前的开关状态组合，统计当前开关状态为-1，0，1对应的H桥单元数量N-1，N0，N1；
步骤S42：根据步骤S31中的ΔL、步骤S41中的随机数列和N-1，N0，N1数量的不同，分为如下情况：
1)当LV(k-1)与LV(k)相等时，直接进入步骤S43；
2)当LV(k-1)小于LV(k)时，若LV(k-1)+N-1≥LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1))个当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；若LV(k-1)+N-1＜LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为-1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k)-LV(k-1)-N-1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1；得到更新后的开关状态组合，进入步骤S43；
3)当LV(k-1)大于LV(k)时，若LV(k-1)-N1≤LV(k)，则根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k))个当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0。若LV(k-1)-N1＞LV(k)，则挑选出所有当前开关状态为1的H桥单元，将它们的开关状态更新为0；然后，根据随机数列的先后顺序，挑选出(LV(k-1)-LV(k)-N1)个当前开关状态为0的H桥单元，将它们的开关状态更新为1；得到更新后的开关状态组合，进入步骤S43；
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