CN111193270A - 有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法及装置 - Google Patents

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CN111193270A CN201910863418.8A CN201910863418A CN111193270A CN 111193270 A CN111193270 A CN 111193270A CN 201910863418 A CN201910863418 A CN 201910863418A CN 111193270 A CN111193270 A CN 111193270A
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Abstract

本发明公开了一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法及装置，方法包括：根据系统三相相电压检测系统相电压相角；检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。该方法可以有效避免补偿装置过流，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿。

Description

有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子和柔性交流输配电技术领域，特别涉及用于配、用电系统的新能源发电或电能质量治理装置，尤其涉及一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法及装置。
背景技术
低压配电系统中普遍采用三相四线制供电方式，并存在大量相间不平衡负载和单相负载，如商厦和楼宇中普遍使用的计算机、复印机、照明设备、变频空调等，以及工业生产中广泛应用的电弧炉、电焊机等。不平衡负载与单相负载的普遍使用将在低压配电系统中产生大量的不平衡电流，引起三相电压不平衡。不平衡电流可分解为负序分量和零序分量。其中，负序分量会降低配电变压器出力，造成配电变压器单相过载，降低电动机运行效率；零序分量会使中性线有电流通过，造成中性线电流损耗，并引起中性点漂移，使整个系统的负载无法正常工作。因此，相关标准对配电系统不平衡电流大小做出了规定，如：Q/GDW1519-2014《配电网运维规程》及DL/T 1102-2009《配电变压器运行规程》规定，Y/yn0接线的配电变压器运行时的三相电流不平衡度应小于15％，变压器中线电流不能超过变压器额定电流的25％；Dyn11接线的配电变压器运行时的三相电流不平衡度应小于25％，变压器中线电流不能超过变压器额定电流的40％。
由于配电系统用户负载呈随机性波动，仅通过电力部门的规划和管理，对不平衡的抑制效果十分有限。利用配电系统柔性交流配电(Distributed Flexible ACTransmission System，D-FACTS)技术，可对负载不平衡问题进行有效地控制，如：以配电网静止同步补偿器(Distribution-Level Static Reactive Compensator，电压源变流器)或有源滤波器(Active Power Filter，APF)等为代表的电压源变流器，既可对配电系统进行动态无功补偿和谐波治理，又能有效解决负载不平衡问题。不过在实际应用中，电压源变流器等电压源变流器设备单位容量的成本较高，完全补偿所有电能质量目标通常造价过高；若基于经济性考虑配置有限的设备容量，当补偿目标潮流超出变流器额定容量时，一旦控制不当触发保护脉冲封锁并退出补偿，则补偿效果将大打折扣。因此，需考虑电压源变流器在额定容量有限的条件下的不平衡补偿策略，使得电压源变流器既不会因为补偿过流而退出，又能最大限度利用电压源变流器设备容量。
目前，围绕如何避免补偿设备过流和提高治理设备利用率，提出了多种有限容量下的多目标补偿控制算法，主要包括直接限流保护和选择性补偿两大类。其中，直接限流保护方案通过直接限制补偿装置参考电流在额定电流以下，来达到限流目的；选择性补偿方案则是通过选择性补偿某些分量来限制参考电流。
针对直接限流保护方案，两种具体实现方式为：截断限流保护和比例限流保护。但是，直接限流保护方案下，各补偿目标之间未进行解耦，不能区分补偿目标的优先级，灵活选择补偿目标和相应权重。
针对选择性补偿方案，现有方案主要是针对无功、负序、谐波各补偿分量的选择性补偿，未对三相四线制系统中负序分量和零序分量进行解耦，无法对负序分量和零序分量选择性补偿。
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，本发明的一个目的在于提出一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法，该方法可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿。
本发明的另一个目的在于提出一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法，包括以下步骤：根据系统三相相电压检测系统相电压相角；检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取所述不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令所述三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。
本发明实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法，能根据不同补偿目标，灵活设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量，从而可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿，进而有效解决目前截断限流保护策略直接对参考电流进行限幅，将在系统中引入额外谐波，且无法灵活补偿不平衡电流负序分量和零序分量的问题；有效解决目前比例限流保护策略，参考电流的负序分量和零序分量相互耦合，实现比例限幅均乘以同一个缩放系数，无法灵活地设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：根据所述零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三相参考电流的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000031
其中，
Figure BDA0002195724870000032
为三相参考电流零序分量；
Figure BDA0002195724870000033
为三相参考电流负序分量；
Figure BDA0002195724870000034
为有功分量的有效值，
Figure BDA0002195724870000035
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定，
Figure BDA0002195724870000036
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据当前补偿模式进行补偿，包括：若所述当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure BDA0002195724870000037
若所述当前补偿模式为第二补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000038
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若所述当前补偿模式为第三补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000039
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述补偿电流边界值的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000041
Figure BDA0002195724870000042
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置，第一检测模块，用于根据系统三相相电压检测系统相电压相角；第二检测模块，用于检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取所述不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；补偿模块，用于获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令所述三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。
本发明实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置，能根据不同补偿目标，灵活设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量，从而可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿，进而有效解决目前截断限流保护策略直接对参考电流进行限幅，将在系统中引入额外谐波，且无法灵活补偿不平衡电流负序分量和零序分量的问题；有效解决目前比例限流保护策略，参考电流的负序分量和零序分量相互耦合，实现比例限幅均乘以同一个缩放系数，无法灵活地设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：生成模块，用于根据所述零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三相参考电流的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000043
其中，
Figure BDA0002195724870000044
为三相参考电流零序分量；
Figure BDA0002195724870000045
为三相参考电流负序分量；
Figure BDA0002195724870000046
为有功分量的有效值，
Figure BDA0002195724870000051
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定，
Figure BDA0002195724870000052
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据当前补偿模式进行补偿，包括：若所述当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure BDA0002195724870000053
若所述当前补偿模式为第二补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000054
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若所述当前补偿模式为第三补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000055
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述补偿电流边界值的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000056
Figure BDA0002195724870000057
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的三相四桥臂电压源变流器结构图；
图2为根据本发明实施例的不平衡灵活补偿策略框图；
图3为根据本发明实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法的流程图；
图4为根据本发明实施例的不平衡灵活补偿策略的2个补偿边界；
图5为根据本发明实施例的不平衡灵活补偿策略的3种补偿模式；
图6为根据本发明实施例的电流跟随控制环节；
图7为根据本发明实施例的三相四桥臂变流器采用本发明不平衡灵活补偿策略的仿真波形；
图8为根据本发明实施例的三相四桥臂变流器采用比例限流策略的仿真波形；
图9为根据本发明实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置的结构示意图。
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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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所示，三相四桥臂电压源变流器，包括四个电力电子桥臂及一组共用的直流母线电容Cdc。各电力电子桥臂由全控型电力电子开关器件构成，各电力电子桥臂拓扑包括但不限于2电平或3电平技术(已有公知技术，非本发明保护内容)。三相四桥臂电压源变流器各桥臂中点经滤波电抗均并联接入配电系统公共连接点PCC。图1中，La，Lb，Lc分别为接入配电系统a、b、c相线滤波电抗，Ln为接入配电系统中线n的滤波电抗；Ca、Cb、Cc为三相四桥臂电压源变流器输出滤波电容；Udc为三相四桥臂电压源变流器直流母线电容端电压，uan、ubn、ucn为配电网侧三相相电压，iLa、iLb、iLc为负载线电流，iL0为负载中线电流，ica、icb、icc为三相四桥臂电压源变流器相线补偿电流，ic0为三相四桥臂电压源变流器中线补偿电流。
已知配电系统负载电流工频分量满足关系式：
Figure BDA0002195724870000061
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
Figure BDA0002195724870000062
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
如图2所示，不平衡灵活补偿策略主要包括锁相环1、不平衡电流检测2、零负序夹角计算3、补偿边界计算4、模式判断5和参考电流生成6，共计六部分。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法。
图3是本发明一个实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法的流程图。
如图3所示，该有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法包括以下步骤：
在步骤S301中，根据系统三相相电压检测系统相电压相角。
具体地，如图2所示，锁相环1用于检测系统相电压相角，输入为系统三相相电压uan、ubn、ucn，输出为系统a相相电压相角ωt。
在步骤S302中，检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角。
具体而言，如图2所示，不平衡电流检测2用于检测不平衡负载电流iLa、iLb、iLc及中线电流iLn的工频负序分量有效值In、负序相角
Figure BDA0002195724870000071
以及工频零序分量的有效值I0、零序相角
Figure BDA0002195724870000072
其中，工频负序分量检测方法，可采用对称分量法，由负序dq变换可表示为：
Figure BDA0002195724870000073
其中，idn、iqn分别为经过负序dq变换后的d轴和q轴分量。将idn和iqn经过低通滤波后，可得电流负序分量的直流成分
Figure BDA0002195724870000074
和
Figure BDA0002195724870000075
则不平衡负载电流iLa、iLb、iLc的负序分量有效值和相角计算方式为：
Figure BDA0002195724870000076
其中，工频零序分量检测方法，可采用αβ检测法对负载电流的零序分量进行检测。
令
Figure BDA0002195724870000077
式中，i0β由i0α延迟90°工频相角得到，将i0α、i0β从静止的αβ坐标系变换到同步旋转的dq坐标系：
Figure BDA0002195724870000081
式中，id0、iq0分别为负载电流的零序d轴分量和q轴分量，经过低通滤波后得到电流零序d轴和q轴分量的直流成分
Figure BDA0002195724870000082
和
Figure BDA0002195724870000083
则不平衡负载电流工频零序分量的有效值和相角分别为：
Figure BDA0002195724870000084
进一步地，零负序夹角计算3用于检测不平衡负载电流iLa、iLb、iLc及中线电流iLn工频零序分量相角
Figure BDA0002195724870000085
和工频负序分量相角
Figure BDA0002195724870000086
的计算夹角
Figure BDA0002195724870000087
根据不平衡电流检测2得到的
Figure BDA0002195724870000088
记
Figure BDA0002195724870000089
且D∈[0,360°)，则零负序计算夹角
Figure BDA00021957248700000810
可表示为：
Figure BDA00021957248700000811
在步骤S303中，获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。
其中，根据当前补偿模式进行补偿，包括：若当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure BDA00021957248700000812
若当前补偿模式为第二补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA00021957248700000813
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若当前补偿模式为第三补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000091
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
具体而言，如图2所示，补偿边界计算4用于计算在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值。设I0s、Ins分别为满足配电系统不平衡补偿目标或标准的最大允许工频零序电流值和工频负序电流值，则三相四桥臂电压源变流器将系统工频零序电流补偿至I0s所需工频零序补偿量I0r满足关系：
I0r＝I0-I0s (8)
三相四桥臂电压源变流器将系统工频负序电流补偿至Ins所需工频负序补偿量Inr满足关系：
Inr＝In-Ins (9)
如图4所示，若三相四桥臂电压源变流器完全补偿不平衡负载电流的零序和负序分量，由余弦定理可知，其不平衡补偿电流最大值为
Figure BDA0002195724870000092
当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr，此时三相补偿电流最大值为
Figure BDA0002195724870000093
进一步而言，模式判断5：令三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为Im，即本发明不平衡灵活补偿策略的容量限幅值。图5中，以r＝Im为半径的圆表示三相四桥臂电压源变流器最大的不平衡补偿能力，在该圆范围以内均为可实现的补偿相量。
设k1为零序电流补偿系数，k2为负序电流补偿系数，
Figure BDA0002195724870000094
为参考电流零序分量的有效值，
Figure BDA0002195724870000095
为参考电流负序分量的有效值，则
Figure BDA0002195724870000096
以下列出3种基本补偿模式，每种基本模式对应的零序电流补偿系数和负序电流补偿系数如下：
补偿模式Ⅰ：当Im≥In0时，补偿装置额定容量可完全补偿系统电流零序分量和负序分量，故零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure BDA0002195724870000101
补偿模式Ⅱ：当Irr≤Im<In0时，补偿装置额定容量可将系统电流零序分量和负序分量均补偿至达标，剩余容量继续用于补偿零序电流和负序电流。此时，零序电流和负序电流补偿系数的解有无穷多个，仅需满足：
Figure BDA0002195724870000102
该模式下，若根据优先级优先补偿零序电流，则选择无穷多解中k1最大的解，且当k1最大的解为1时，可完全补偿零序分量；若根据优先级优先补偿负序电流，则选择无穷多解中k2最大的解，且当k2最大的解为1时，可完全补偿负序分量。
补偿模式Ⅲ：当0≤Im<Irr时，补偿装置额定容量不足以将系统电流零序分量和负序分量均补偿至达标，仅能在有限装置容量下尽可能地补偿零序电流和负序电流。此时，零序电流和负序电流补偿系数的解有无穷多个，仅需满足：
Figure BDA0002195724870000103
该模式下，若根据优先级优先补偿零序电流，则选择无穷多解中k1最大的解，且当k1最大的解为I0r/I0时，可补偿零序分量至达标；若根据优先级优先补偿负序电流，则选择无穷多解中k2最大的解，且当k2最大的解为Inr/In时，可补偿负序分量至达标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：根据零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
具体而言，如图2所示，参考电流生成6：根据零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。三相参考电流为参考电流负序分量、零序分量及有功分量三者之和：
Figure BDA0002195724870000111
其中，
Figure BDA0002195724870000112
为三相参考电流零序分量；
Figure BDA0002195724870000113
为三相参考电流负序分量；
Figure BDA0002195724870000114
为有功分量的有效值，
Figure BDA0002195724870000115
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定。上述模式判断环节未考虑补偿电流有功分量占用的装置容量，是因为补偿电流有功分量虽然会占用一部分装置容量，但一般不超过装置额定容量的3％，可忽略不计。
如图6所示，电流跟随环节使电压源变流器输出电流跟随得到的参考电流瞬时值。图中，
Figure BDA0002195724870000116
为三相参考电流瞬时值，ukn为PCC点并网电压前馈，比例系数2/Udc为对逆变器线性放大环节进行的“归一化”处理；GC(s)为电流调节器；mk为产生的调制波。其中，GC(s)采用准比例-谐振(quasi proportional resonance，QPR)调节器，即
Figure BDA0002195724870000117
其中，Kp为比例参数，KR为谐振参数，ω0为谐振频率，取电网频率50Hz；ωc为截止频率，决定控制器的带宽，但不影响谐振频率处的控制器增益。
图6中，逆变器可采取三次谐波注入的方式进行控制，以提高直流电压利用率。第四桥臂调制波mn为三次谐波，原a/b/c三相桥臂输出调制波与第四桥臂调制波叠加后作为新的调制波。第四桥臂调制波mn满足
mn＝msin3ωt (18)
其中，m为三次谐波系数，通常取0.15≤m≤0.2。兼顾该系数对直流电压利用率和输出电压谐波的影响，可取m＝0.18。
下面以本发明采用50kVA三相四桥臂电压源变流器为例，说明其具体实施方式，在该实施例中，电压源变流器与系统关键参数如下：逆变器额定容量50kVA，直流母线电压750V，滤波电抗La、Lb、Lc为0.4mH，中线电抗Ln为0.24mH，滤波电容Ca、Cb、Cc为60uF，PWM开关频率为6.4kHz，配电变压器为10kV/0.38kV，采用Y/yn0接线，额定容量160kVA。
仿真中设置0<t<0.05s，逆变器未投入补偿；0.05<t<0.15s，逆变器投入补偿，且额定容量足以补偿全部负载不平衡电流；0.15<t<0.5s，额定容量不足以补偿全部负载不平衡电流。仿真负载为电流源形式，负载不平衡工况的变化如下表。表1中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别对应于时间区域：0<t<0.05s、0.05<t<0.15s、0.15<t<0.3s、0.3<t<0.5s。
表1
Figure BDA0002195724870000121
根据本实施例给出的系统电压Vs和逆变器额定容量Sc，可计算出逆变器额定电流Im，如下
Vs＝380V,Sc＝50kVA,
Figure BDA0002195724870000122
根据Q/GDW 1519-2014《配电网运维规程》及DL/T 1102-2009《配电变压器运行规程》，可计算出系统零序电流达标值I0s和负序电流达标值Ins，如下：
Vs＝380V,ST＝160kVA,
Figure BDA0002195724870000123
I0s＝IT·25％/3＝21A (20)
I1＝141.4A,Ins＝I1·15％＝22A (21)
如图7所示，采用不平衡补偿策略时，系统电流正序分量、负序分量、零序分量和逆变器三相补偿电流的具体数值如表2所示。
表2
Figure BDA0002195724870000124
仿真结果显示，采用不平衡策略，当0.05<t<0.15s时，补偿装置工作在补偿模式Ⅰ，可完全补偿全部不平衡电流；当0.15<t<0.3s时，补偿装置工作在补偿模式模式Ⅱ，可将系统电流零序分量和负序分量均补偿至达标；当0.3<t<0.5s时，补偿装置工作在补偿模式Ⅲ，仅能将系统电流零序分量补偿至达标。在装置投入补偿的过程中，当补偿装置额定容量不足以补偿全部不平衡电流时，三相补偿电流最大值均未超过额定电流。因此，采用零序优先策略，可有效避免补偿装置过流。
常规比例限流策略通过对参考电流进行合适的比例缩放，来避免补偿装置过流。将补偿装置额定容量Im与三相参考电流的有效值
Figure BDA0002195724870000131
进行比较，可得到一个比例系数
Figure BDA0002195724870000132
原参考电流与该比例系数相乘作为新参考电流。然而，比例限流策略采用有效值定义计算，限流效果有一定程度的滞后。另一方面，比例限流策略直接在原参考电流的基础上乘以一个缩放系数，即原参考电流的负序分量和零序分量乘以的是同一个缩放系数，故无法灵活地设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量。
如图8所示，采用比例限流策略时，系统电流正序分量、负序分量、零序分量和逆变器三相补偿电流的具体数值如表3所示。
表3
Figure BDA0002195724870000133
仿真结果显示，采用比例限流策略，当0.05<t<0.15s时，补偿装置可完全补偿全部不平衡电流；当0.15<t<0.3s时，补偿装置仅能将系统电流负序分量补偿至达标；当0.3<t<0.5s时，补偿装置无法将系统电流零序分量或负序分量补偿至达标。在装置投入补偿的过程中，当补偿装置额定容量不足以补偿全部不平衡电流时，三相补偿电流最大值一般未超过额定电流，但在负载突变后的短时间内(0.15～0.2s及0.3～0.35s)，三相补偿电流最大值可能超过额定电流。
综上，本发明实施例提出的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法，能根据不同补偿目标，灵活设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量，从而可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿，进而有效解决目前截断限流保护策略直接对参考电流进行限幅，将在系统中引入额外谐波，且无法灵活补偿不平衡电流负序分量和零序分量的问题；有效解决目前比例限流保护策略，参考电流的负序分量和零序分量相互耦合，实现比例限幅均乘以同一个缩放系数，无法灵活地设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量的问题。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置。
图9是本发明一个实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置的结构示意图。
如图9所示，该有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置10包括：第一检测模块100、第二检测模块200和补偿模块300。
其中，第一检测模块100用于根据系统三相相电压检测系统相电压相角；第二检测模块200用于检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；补偿模块300用于获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。本发明实施例的装置10可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：生成模块。其中，生成模块用于根据零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，三相参考电流的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000141
其中，
Figure BDA0002195724870000142
为三相参考电流零序分量；
Figure BDA0002195724870000143
为三相参考电流负序分量；
Figure BDA0002195724870000144
为有功分量的有效值，
Figure BDA0002195724870000145
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定，
Figure BDA0002195724870000146
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前补偿模式进行补偿，包括：若当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure BDA0002195724870000147
若当前补偿模式为第二补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000151
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若当前补偿模式为第三补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure BDA0002195724870000152
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
进一步地，在本发明的一个实施例中，补偿电流边界值的计算公式为：
Figure BDA0002195724870000153
Figure BDA0002195724870000154
需要说明的是，前述对有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法实施例的解释说明也适用于该实施例的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置，能根据不同补偿目标，灵活设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量，从而可在不平衡负载超过变流器补偿能力条件下，有效避免补偿装置过流，同时充分利用变流器额定容量，实现对不平衡电流中负序与零序分量的选择性补偿，进而有效解决目前截断限流保护策略直接对参考电流进行限幅，将在系统中引入额外谐波，且无法灵活补偿不平衡电流负序分量和零序分量的问题；有效解决目前比例限流保护策略，参考电流的负序分量和零序分量相互耦合，实现比例限幅均乘以同一个缩放系数，无法灵活地设置不平衡电流负序分量和零序分量的补偿量的问题。
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N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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。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)

1.一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据系统三相相电压检测系统相电压相角；
检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取所述不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；
获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令所述三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流的指令电流并进行补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三相参考电流的计算公式为：
Figure FDA0002195724860000011
其中，
Figure FDA0002195724860000012
为三相参考电流零序分量；
Figure FDA0002195724860000013
为三相参考电流负序分量；
Figure FDA0002195724860000014
为有功分量的有效值，
Figure FDA0002195724860000015
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定，
Figure FDA0002195724860000016
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前补偿模式进行补偿，包括：
若所述当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure FDA0002195724860000017
若所述当前补偿模式为第二补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure FDA0002195724860000021
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若所述当前补偿模式为第三补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure FDA0002195724860000022
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述补偿电流边界值的计算公式为：
Figure FDA0002195724860000023
Figure FDA0002195724860000024
6.一种有限容量的三相四桥臂变流器不平衡灵活补偿装置，其特征在于，包括：
第一检测模块，用于根据系统三相相电压检测系统相电压相角；
第二检测模块，用于检测三相四桥臂变流器的不平衡负载电流及中线电流的工频负序分量有效值、负序相角以及工频零序分量的有效值、零序相角，并获取所述不平衡负载电流及中线电流工频零序分量相角和工频负序分量相角的夹角；
补偿模块，用于获取在多种不平衡补偿目标对应的补偿电流边界值，并令所述三相四桥臂电压源变流器的额定电流有效值为不平衡灵活补偿策略的容量限幅值，根据补偿需求计算零序电流和负序电流指令系数，以得到零序电流和负序电流补偿量并进行补偿。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
生成模块，用于根据所述零序电流和负序电流补偿量，结合不平衡电流检测环节得到的负载电流负序分量和零序分量的相位角，生成三相参考电流。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述三相参考电流的计算公式为：
Figure FDA0002195724860000031
其中，
Figure FDA0002195724860000032
为三相参考电流零序分量；
Figure FDA0002195724860000033
为三相参考电流负序分量；
Figure FDA0002195724860000034
为有功分量的有效值，
Figure FDA0002195724860000035
为三相参考电流有功分量，用于补偿装置损耗，维持逆变器直流侧电压稳定，
Figure FDA0002195724860000036
分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的相角。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述根据当前补偿模式进行补偿，包括：
若所述当前补偿模式为第一补偿模式时，零序电流和负序电流补偿系数分别为：
Figure FDA0002195724860000037
若所述当前补偿模式为第二补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure FDA0002195724860000038
其中，Ip、In、I0分别为负载电流工频正序分量、工频负序分量和工频零序分量的有效值；
若所述当前补偿模式为第三补偿模式时，所述零序电流和负序电流补偿系数满足：
Figure FDA0002195724860000039
其中，当补偿装置容量恰好能将零序电流和负序电流均补偿至达标时，对应的零序电流补偿量为I0r，负序电流补偿量为Inr。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述补偿电流边界值的计算公式为：
Figure FDA00021957248600000310
Figure FDA0002195724860000041
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