CN111049156B - 一种无功及不平衡补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无功及不平衡补偿控制方法，具体包括：三相三电平IGBT逆变桥电路、ARM采样控制电路和IGBT驱动电路连接在一起构成三相四线制无功及不平衡补偿器；所述三相四线制无功及不平衡补偿器与电网三相四线制电源和负荷电性连接；所述ARM采样控制电路采用重复控制法经由IGBT驱动电路驱动所述三相三电平IGBT逆变桥电路，并将所述三相三电平IGBT逆变桥电路的输出电流输出至电网三相四线制电源侧，由此实现三相四线制无功及不平衡补偿的控制功能。本发明的有益效果是：通过三相四线制无功及不平衡补偿器及补偿控制方法，消除不平衡负荷会带来包含零序分量和负序分量的不对称分量，在保证节能环保的同时，提高供电质量。

Description

一种无功及不平衡补偿控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种无功及不平衡补偿控制方法。

背景技术

电网中大多数负荷需要消耗无功功率，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，合理的方法应该是靠近负荷的地方产生所需要的无功功率，也就是所述的无功补偿。通常不平衡负荷会带来包含零序分量和负序分量的不对称分量，尤其是三相四线电力网使用过程中，不仅影响了供电质量，也不利于节能环保。不平衡补偿可以认为是无功补偿的一种特殊形式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计简单合理、可靠提高供电质量且节能环保的新型三相四线制无功及不平衡补偿控制方法。具体发明内容如下：

S101：将三相三电平IGBT逆变桥电路、ARM采样控制电路和IGBT驱动电路连接在一起构成三相四线制无功及不平衡补偿器；所述三相四线制无功及不平衡补偿器与电网三相四线电源和电网负荷共同组成三相四线制无功及不平衡补偿电路；

S102：所述ARM采样控制电路采集电网三相四线电源的电源侧三相电压、负荷侧三相电流c，三相三电平IGBT逆变桥电路的输出三相电流和电源侧三相电流；

S103：所述ARM采样控制电路根据所述电源侧三相电压、负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路的输出三相电流和电源侧三相电流计算负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量、负荷侧三相电流信号的零序分量、电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量和电源侧三相电流信号的零序分量；

S104：所述ARM采样控制电路，根据所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量、负荷侧三相电流信号的零序分量、电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量、电源侧三相电流信号的零序分量和所述电源侧三相电压得到调制波；

S105：所述ARM采样控制电路将所述调制波与三角波信号进行比较得到12路PWM信号；

S106：所述12路PWM信号经过所述IGBT驱动电路到三相三电平IGBT逆变桥电路上；所述三相三电平IGBT逆变桥电路的输出电流输出至交流电源侧，实现三相四线制无功及不平衡补偿的控制功能。

进一步地，所述ARM采样控制电路，包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路和ARM主控制器的ADC电路；所述电压互感器用于采集所述电网三相四线电源的电源侧三相电压；所述电流互感器用于采集所述负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路的输出电流和电网三相四线电源的电源侧三相电流；所述电压互感器和所述电流互感器与所述信号调理电路电性连接；所述信号调理电路与所述ARM主控制器的ADC电路电性连接。

进一步地，在所述三相四线制无功及不平衡补偿器中，所述ARM采样控制电路与所述三相三电平IGBT逆变桥电路电性连接；所述IGBT驱动电路与所述三相三电平IGBT逆变桥电路电性连接；所述三相三电平IGBT逆变桥电路由三相三电平逆变桥与电容半桥连接构成。

进一步地，在所述三相四线制无功及不平衡补偿电路中，所述三相三电平IGBT逆变桥电路、所述ARM采样控制电路与所述电网三相四线电源的电源侧三相电压及中性线N相电性连接。

进一步地，步骤S102具体为：所述ARM采样控制电路通过所述电压互感器和所述电流互感器，采集电源侧三相电压、负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路的输出电流和电源侧三相电流，并经过所述信号调理电路处理，最后经由所述ARM主控制器的ADC电路转换成数字量进行缓存。

进一步地，步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量的计算具体为：

S201：所述电源侧三相电压经过PLL锁相环后，得到电压信号的角度，并取正弦和余弦值；

S202：所述负荷侧三相电流经过矩阵C32得到负荷侧三相电流的α、β分量；

S203：负荷侧三相电流的α、β分量和取正弦与余弦值后的电源侧三相电压相乘，即经由矩阵C变换，得到负荷侧电流有功分量和无功分量；

S204：对负荷侧电流正序无功分量进行低通滤波，即正序无功分量的基波分量分别乘以PLL锁相环三相余弦值，得到负荷侧三相电流信号的正序无功分量；

所述矩阵C32的

所述矩阵

ω表示电源侧三相电压经由PLL锁相环后的角度；所述电源侧三相电流信号的正序无功分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量的计算方法相同。

进一步地，步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的计算具体为：

S301：对负荷侧电流负序有功分量和负序无功分量分别进行低通滤波，得到基波分量，并经由矩阵C变换，得到负荷侧电流的α、β分量对应的基波分量；

S302：所述负荷侧电流的α、β分量对应的基波分量经由矩阵C23变换，得到所述负荷侧三相电流信号的负序分量；

所述矩阵C23为矩阵C32的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的负序分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的负序分量的计算方法相同。

进一步地，步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的计算具体为：

S401：所述负荷侧三相电流经过矩阵C31得到负荷侧三相电流零序量i₀；

S402：所述负荷侧三相电流零序量乘以正弦值与余弦值，得到零序电流的有功分量和无功分量；

S403：所述零序量的有功分量和无功分量经由低通滤波器，乘以正弦值与余弦值并求和，通过矩阵C13变换，得到所述负荷侧三相电流信号的零序分量；

所述矩阵C31＝[1/3 1/3 1/3]；所述矩阵C13为矩阵C31的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的零序无功分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的零序分量的计算方法相同。

步骤S104具体为：

同相负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量和负荷侧三相电流信号的零序分量，加上同相电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量和电源侧三相电流信号的零序分量的和，与同相的三相三电平IGBT逆变桥电路的输出电流相减，经过放大器Kr后，再通过重复学习控制处理得到控制结果；交流电源电压信号经过放大器Kpwm后，得到放大结果；将控制结果与放大结果相加得到调制波。

本发明提的有益效果是：通过三相四线制无功及不平衡补偿器及补偿控制方法，消除不平衡负荷会带来包含零序分量和负序分量的不对称分量，在保证节能环保的同时，提高供电质量。

附图说明

下面将结合附图及实例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种无功及不平衡补偿控制方法流程图；

图2是本发明实施例中负荷侧电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+的求解示意图；

图3是本发明实施例中负荷侧电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的求解示意图；

图4是本发明实施例中负荷侧电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的求解示意图；

图5是本发明实施例中采用的重复闭环控制框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种无功及不平衡补偿控制方法。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种无功及不平衡补偿控制方法的流程图，具体包括：

S101：将三相三电平IGBT逆变桥电路1、ARM采样控制电路2和IGBT驱动电路3连接在一起构成三相四线制无功及不平衡补偿器；所述三相四线制无功及不平衡补偿器与电网三相四线电源4和电网负荷5共同组成三相四线制无功及不平衡补偿电路；

S102：所述ARM采样控制电路2采集电网三相四线电源4的电源侧三相电压u_a、u_b、u_c、负荷侧三相电流i_la、i_lb、i_lc，三相三电平IGBT逆变桥电路1的输出三相电流i_ca、i_cb、i_cc和电源侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc；

S103：所述ARM采样控制电路2根据所述电源侧三相电压u_a、u_b、u_c、负荷侧三相电流i_la、i_lb、i_lc，三相三电平IGBT逆变桥电路1的输出电流i_ca、i_cb、i_cc和电源侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc计算负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+、负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-、负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0、电源侧三相电流信号的正序无功分量i_saq+、i_sbq+、i_scq+、电源侧三相电流信号的负序分量i_sa-、i_sb-、i_sc-和电源侧三相电流信号的零序分量i_sa0、i_sb0、i_sc0；

S104：所述ARM采样控制电路2，根据所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+、负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-、负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0、电源侧三相电流信号的正序无功分量i_saq+、i_sbq+、i_scq+、电源侧三相电流信号的负序分量i_sa-、i_sb-、i_sc-、电源侧三相电流信号的零序分量i_sa0、i_sb0、i_sc0和所述电源侧三相电压u_a、u_b、u_c得到调制波；

S105：所述ARM采样控制电路2将所述调制波与三角波信号进行比较得到12路PWM信号；

S106：所述12路PWM信号经过所述IGBT驱动电路到三相三电平IGBT逆变桥电路1上；所述三相三电平IGBT逆变桥电路1的输出三相电流i_ca、i_cb、i_cc输出至交流电源侧，实现三相四线制无功及不平衡补偿的控制功能。

所述ARM采样控制电路2，包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路和ARM主控制器的ADC电路；所述电压互感器用于采集所述电网三相四线电源4的电源侧三相电压u_a、u_b、u_c；所述电流互感器用于采集所述负荷侧电流i_la、i_lb、i_lc，三相三电平IGBT逆变桥电路1的输出电流i_ca、i_cb、i_cc和电网三相四线电源4的电源侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc；所述电压互感器和所述电流互感器与所述信号调理电路电性连接；所述信号调理电路与所述ARM主控制器的ADC电路电性连接。

在所述三相四线制无功及不平衡补偿器中，所述ARM采样控制电路2与所述三相三电平IGBT逆变桥电路1电性连接；所述IGBT驱动电路3与所述三相三电平IGBT逆变桥电路1电性连接；所述三相三电平IGBT逆变桥电路1由三相三电平逆变桥与电容半桥连接构成。

在所述三相四线制无功及不平衡补偿电路中，所述三相三电平IGBT逆变桥电路1、所述ARM采样控制电路2与所述电网三相四线电源4的电源侧三相电压u_a、u_b、u_c及中性线N相电性连接。

步骤S102具体为：所述ARM采样控制电路2通过所述电压互感器和所述电流互感器，采集电源侧三相电压u_a、u_b、u_c、负荷侧电流i_la、i_lb、i_lc，三相三电平IGBT逆变桥电路1的输出电流i_ca、i_cb、i_cc和电源侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并经过所述信号调理电路处理，最后经由所述ARM主控制器的ADC电路转换成数字量进行缓存。

请参考图2，图2为本发明实施例中负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+的求解示意图；步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+的计算具体为：

S201：所述电源侧三相电压u_a、u_b、u_c经过PLL锁相环后，得到电压信号的角度，并取正弦和余弦值；

S202：所述负荷侧电流i_la、i_lb、i_lc经过矩阵C32得到负荷侧电流的α、β分量，i_α和i_β；

S203：i_α、i_β和去取正弦与余弦值后的电源侧三相电压相乘，即经由矩阵C变换，得到负荷侧电流有功分量i_p和无功分量i_q；

S204：即正序无功分量的基波分量分别乘以PLL锁相环三相余弦值，得到负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+；

所述矩阵C32的

所述矩阵

ω表示电源侧三相电压经由PLL锁相环后的角度；所述电源侧三相电流信号的正序无功分量i_saq+、i_sbq+、i_scq+的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+的计算方法相同。

请参考图3，图3为本发明实施例中负荷侧电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的求解示意图；步骤S103中，所述负荷侧电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的计算具体为：

S301：对对所述负荷侧电流负序有功分量i_p和负序无功分量i_q分别进行低通滤波，得到基波分量ipf和iqf，并经由矩阵C进行变换，得到负荷侧电流的α、β分量的基波分量i_αf和i_βf；

S302：所述i_αf和i_βf经由矩阵C23变换，得到所述负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-；

所述矩阵C23为矩阵C32的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的负序分量i_sa-、i_sb-、i_sc-的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的计算方法相同。

请参考图4，图4为本发明实施例中负荷侧电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的求解示意图。步骤S103中，所述负荷侧电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的计算具体为：

S401：所述负荷侧电流i_la、i_lb、i_lc经过矩阵C31得到负荷侧电流零序量i₀；

S402：所述负荷侧三相电流零序量i₀乘以正弦值与余弦值，得到零序电流的有功分量i_0p和无功分量i_0q

S403：所述零序电流的有功分量i_0p和无功分量i_0q经由低通滤波器，乘以正弦值与余弦值并求和，通过矩阵C13变换，得到所述负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0；

所述矩阵C31＝[1/3 1/3 1/3]；所述矩阵C13为矩阵C31的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的零序无功分量i_sa0、i_sb0、i_sc0的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的计算方法相同。

请参考图5，图5为本发明实施例中采用的重复闭环控制框图；步骤S104具体为：

同相负荷侧三相电流信号的正序无功分量i_laq+、i_lbq+、i_lcq+、负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-和负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0，加上同相电源侧三相电流信号的正序无功分量i_saq+、i_sbq+、i_scq+、电源侧三相电流信号的负序分量i_sa-、i_sb-、i_sc-和电源侧三相电流信号的零序分量i_sa0、i_sb0、i_sc0的和，与同相的三相三电平IGBT逆变桥电路1的三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc相减，经过放大器Kr后，再通过重复学习控制处理得到控制结果；交流电源电压信号u_a、u_b、u_c经过放大器Kpwm后，得到放大结果；将控制结果与放大结果相加得到调制波。

本发明提的有益效果是：通过三相四线制无功及不平衡补偿器及补偿控制方法，消除不平衡负荷会带来包含零序分量和负序分量的不对称分量，在保证节能环保的同时，提高供电质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：包括：

S101：将三相三电平IGBT逆变桥电路(1)、ARM采样控制电路(2)和IGBT驱动电路(3)连接在一起构成三相四线制无功及不平衡补偿器；所述三相四线制无功及不平衡补偿器与电网三相四线电源(4)和电网负荷(5)共同组成三相四线制无功及不平衡补偿电路；

S102：所述ARM采样控制电路(2)采集电网三相四线电源(4)的电源侧三相电压、负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出三相电流和电源侧三相电流；

S103：所述ARM采样控制电路(2)根据所述电源侧三相电压、负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出三相电流和电源侧三相电流计算负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量、负荷侧三相电流信号的零序分量、电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量和电源侧三相电流信号的零序分量；

S104：所述ARM采样控制电路(2)，根据所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量、负荷侧三相电流信号的零序分量、电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量、电源侧三相电流信号的零序分量和所述电源侧三相电压得到调制波；

S105：所述ARM采样控制电路(2)将所述调制波与三角波信号进行比较得到12路PWM信号；

S106：所述12路PWM信号经过所述IGBT驱动电路到三相三电平IGBT逆变桥电路(1)上；所述三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出电流输出至交流电源侧，实现三相四线制无功及不平衡补偿的控制功能；

步骤S104具体为：

同相负荷侧三相电流信号的正序无功分量、负荷侧三相电流信号的负序分量和负荷侧三相电流信号的零序分量，加上同相电源侧三相电流信号的正序无功分量、电源侧三相电流信号的负序分量和电源侧三相电流信号的零序分量的和，与同相的三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出电流相减，经过放大器Kr后，再通过重复学习控制处理得到控制结果；交流电源电压信号经过放大器Kpwm后，得到放大结果；将控制结果与放大结果相加得到调制波。

2.如权利要求1所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：所述ARM采样控制电路(2)，包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路和ARM主控制器的ADC电路；所述电压互感器用于采集所述电网三相四线电源(4)的电源侧三相电压；所述电流互感器用于采集所述负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出电流和电网三相四线电源的电源侧三相电流；所述电压互感器和所述电流互感器与所述信号调理电路电性连接；所述信号调理电路与所述ARM主控制器的ADC电路电性连接。

3.如权利要求1所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：在所述三相四线制无功及不平衡补偿器中，所述ARM采样控制电路(2)与所述三相三电平IGBT逆变桥电路(1)电性连接；所述IGBT驱动电路(3)与所述三相三电平IGBT逆变桥电路(1)电性连接；所述三相三电平IGBT逆变桥电路(1)由三相三电平逆变桥与电容半桥连接构成。

4.如权利要求1所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：在所述三相四线制无功及不平衡补偿电路中，所述三相三电平IGBT逆变桥电路(1)、所述ARM采样控制电路(2)与所述电网三相四线电源(4)的电源侧三相电压及中性线N相电性连接。

5.如权利要求2所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：步骤S102具体为：所述ARM采样控制电路(2)通过所述电压互感器和所述电流互感器，采集电源侧三相电压、负荷侧三相电流，三相三电平IGBT逆变桥电路(1)的输出电流和电源侧三相电流，并经过所述信号调理电路处理，最后经由所述ARM主控制器的ADC电路转换成数字量进行缓存。

6.如权利要求1所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量的计算具体为：

S201：所述电源侧三相电压经过PLL锁相环后，得到电压信号的角度，并取正弦和余弦值；

S202：所述负荷侧三相电流经过矩阵C32得到负荷侧三相电流的α、β分量；

S203：负荷侧三相电流的α、β分量和取正弦与余弦值后的电源侧三相电压相乘，即经由矩阵C变换，得到负荷侧电流有功分量和无功分量；

S204：对负荷侧电流正序无功分量进行低通滤波，即正序无功分量的基波分量分别乘以PLL锁相环三相余弦值，得到负荷侧三相电流信号的正序无功分量；

所述矩阵C32的

所述矩阵

ω表示电源侧三相电压经由PLL锁相环后的角度；所述电源侧三相电流信号的正序无功分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的正序无功分量的计算方法相同。

7.如权利要求6所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的负序分量i_la-、i_lb-、i_lc-的计算具体为：

S301：对负荷侧电流负序有功分量和负序无功分量分别进行低通滤波，得到基波分量，并经由矩阵C变换，得到负荷侧电流的α、β分量对应的基波分量；

S302：所述负荷侧电流的α、β分量对应的基波分量经由矩阵C23变换，得到所述负荷侧三相电流信号的负序分量；

所述矩阵C23为矩阵C32的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的负序分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的负序分量的计算方法相同。

8.如权利要求7所述的一种无功及不平衡补偿控制方法，其特征在于：步骤S103中，所述负荷侧三相电流信号的零序分量i_la0、i_lb0、i_lc0的计算具体为：

S401：所述负荷侧三相电流经过矩阵C31得到负荷侧三相电流零序量i₀；

S402：所述负荷侧三相电流零序量乘以正弦值与余弦值，得到零序电流的有功分量和无功分量；

S403：所述零序量的有功分量和无功分量经由低通滤波器，乘以正弦值与余弦值并求和，通过矩阵C13变换，得到所述负荷侧三相电流信号的零序分量；

所述矩阵C31＝[1/3 1/3 1/3]；所述矩阵C13为矩阵C31的逆矩阵；所述电源侧三相电流信号的零序无功分量的计算方法与所述负荷侧三相电流信号的零序分量的计算方法相同。

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