CN111384716A - 一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器 - Google Patents

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Abstract

一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，涉及电能质量控制领域。本发明是为了解决配电网系统中由于各种负荷的随机接入，容易出现电能质量的问题。本发明所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，主电路采用直流链路+H桥的拓扑结构，减少了功率开关管的数量，降低了开关损耗，降低了系统的体积和成本。同时，提出延迟法将电网电压正负序分离，使该逆变器可以工作于电网不平衡的情况下。最后，采用基于瞬时无功功率理论的ip‑iq法进行无功电流检测，采用定时比较控制法实现电流跟踪，采用闭环PI实现电压均衡，采用载波移相法产生PWM波。

Description

一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器
技术领域
本发明属于电能质量控制领域，尤其涉及静止同步补偿器。
背景技术
电能作为现代能源中最清洁、方便和广泛应用的二次能源，对推动社会发展、提高生活质量等方面起到了不可代替的作用。尤其随着经济快速发展和人们生活水平的不断提高，电能质量在现代社会中也越加备受关注，对其要求已成为一个国家工业发达和社会文明程度进步的重要体现。
随着智能电网的建设，配电网系统的结构也越来越复杂。配电网系统中由于各种负荷的随机接入，容易出现如电压波动、谐波和闪变等电能质量问题，这一直困扰着电力系统企业和用电户。研究表明，配电网是用户电能质量问题的源口，也是提高用户供电可靠性的瓶颈。如何有效解决电能质量问题、提高配电网安全可靠性，己成为亟待解决的重要课题之一。
再者，电能质量的优劣，对整个电力系统及设备的安全、稳定、可靠运行有至关重要的影响，并且关系到国民经济的整体效益和发展战略。只有对电能质量进行严格控制和改善，才能保证电力系统自身的可持续发展。因此，进行相关电能质量装置的研究具有重要的现实意义。
发明内容
本发明是为了解决配电网系统中由于各种负荷的随机接入，容易出现如电压波动、谐波和闪变等电能质量问题，现提供一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器。
一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，包括主电路、检测模块、控制模块和驱动模块；主电路为七电平逆变器，该七电平逆变器通过滤波电感与三相电网相连、用于补偿三相电网的无功功率；检测模块用于采集电网负载侧三相电流、主电路输出的三相电流、主电路三相电容电压和电网三相电压；
控制模块包括正负序电压分离单元、谐波电流提取单元、电流跟踪单元和载波移相单元，正负序电压分离单元利用延迟法对电网三相电压进行正负序分离，获得三相合成电压矢量的角度，谐波电流提取单元根据电网负载侧三相电流和三相合成电压矢量的角度获得三相电流的谐波成分，电流跟踪单元将三相电流的谐波成分与主电路输出三相电流做差，将差值与PR控制器的传递函数相乘获得调制信号，载波移相单元用于对调制信号进行载波移相调制生成脉宽调制信号；
驱动模块用于对控制模块输出的脉宽调制信号进行放大、进而隔离驱动主电路，最终实现对三相电网无功功率的补偿。
上述主电路为三相拓扑结构，每相拓扑结构均包括：直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7；
直流电容C3的正极同时连接功率开关管S1的集电极、直流电容C2的负极和功率开关管S3的集电极，功率开关管S1的发射极同时连接直流电容C1的负极和功率开关管S2的发射极，直流电容C2的正极连接功率开关管S2的集电极，直流电容C3的负极同时连接功率开关管S5的发射极和功率开关管S7的发射极，直流电容C1的正极同时连接功率开关管S3的发射极、功率开关管S4的集电极和功率开关管S6的集电极，功率开关管S4和发射极和功率开关管S5的集电极相连并作为与三相电网对应相的连接端，功率开关管S6的发射极和功率开关管S7的集电极相连并作为与另外两相拓扑结构的连接端。
上述正负序电压分离单元具体为：
利用电网三相电压ua、ub和uc根据下式分别获得
Figure BDA0002434033280000021
和
Figure BDA0002434033280000022
Figure BDA0002434033280000023
Figure BDA0002434033280000024
Figure BDA0002434033280000025
利用
Figure BDA0002434033280000026
和
Figure BDA0002434033280000027
根据下式获得
Figure BDA0002434033280000028
和
Figure BDA0002434033280000029
Figure BDA00024340332800000210
利用
Figure BDA00024340332800000211
和
Figure BDA00024340332800000212
根据下式获得三相合成电压矢量的角度θ：
Figure BDA00024340332800000213
上述公式中，
Figure BDA00024340332800000214
和
Figure BDA00024340332800000215
分别为ua、ub和uc的正序分量，
Figure BDA00024340332800000216
Figure BDA00024340332800000217
和
Figure BDA00024340332800000218
分别为uα和uβ的正序分量，T为三相电网周期。
上述谐波电流提取单元具体为：
利用电网负载侧三相电流ia、ib和ic根据下式获得ip和iq：
Figure BDA0002434033280000031
对ip和iq进行低通滤波获得ip和iq的直流分量
Figure BDA0002434033280000032
和
Figure BDA0002434033280000033
然后根据下式获得三相基波电流成分iaf、ibf和icf：
Figure BDA0002434033280000034
利用利用ia、ib和ic减去相应的三相基波电流成分分别获得三相电流的谐波成分iah、ibh和ich，
上述公式中，
Figure BDA0002434033280000035
ipΔ为七电平静止同步补偿器的有功损耗。
本发明公开了一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其中主电路采用直流链路+H桥的拓扑结构，与传统的七电平拓扑结构相比，本发明减少了功率开关管的数量，降低了开关损耗，降低了系统的体积和成本；且由于损耗降低，也能够减少电压波动、谐波和闪变等问题。同时，本发明提出延迟法将电网电压正负序分离，使该逆变器可以工作于电网不平衡的情况下。最后，本发明采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq法进行无功电流检测，采用定时比较控制法实现电流跟踪，采用闭环PI实现电压均衡，采用载波移相法产生PWM波。
本发明适用于三相电网电压平衡和不平衡情况下对无功功率的补偿。
附图说明
图1为一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器的整体控制原理框图；
图2为主电路的原理示意图；
图3为ip-iq检测法原理示意图；
图4为正负序分离原理图；
图5为传统滞环控制方式原理图；
图6为电容电压闭环PI控制原理图；
图7为电流采样及其调理电路图；
图8为直流电压采样电路图；
图9为电压过零检测电路原理图；
图10为IGBT驱动模块电路图；
图11为主程序流程图；
图12为AD中断服务子程序流程图；
图13为补偿前A相电压和电流仿真波形图；
图14为补偿后A相电压和电流仿真波形图。
具体实施方式
静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是现今最新的无功补偿装置，与SVC相比，其具有调节速度更快、调节范围更宽、补偿能力更强、谐波更少、应用范围更广等优点。目前，STATCOM代表着无功补偿和谐波抑制领域的先进技术和发展方向，对其理论和技术的研究已成为国内外的热点。
当电网不平衡时，根据功率守恒理论，其直流侧电流也会产生谐波同时又反过来影响STATCOM输出波形，导致电网质量迅速下降，严重时损坏设备。可见，研究不平衡电网下的STATCOM具有十分重要的意义。
电网三相电压通过配电线向负载供电，负载从电网吸收无功，导致功率因数低，效率低和供电质量差，STATCOM通过滤波电感连接到电网，用来补偿这部分无功功率，电感用以减少由转换器开关动作产生的谐波。具体如下：
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，包括主电路、检测模块、控制模块和驱动模块。
主电路拓扑结构是直流链路+H桥的拓扑结构，如图2所示，主电路为七电平逆变器，该七电平逆变器通过滤波电感与三相电网相连、用于补偿三相电网的无功功率；主电路为三相拓扑结构，三相采用星型连接，每相的直流链路由3个直流电容和3个功率开关管组成，具体的，每相拓扑结构均包括：直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7；
直流电容C3的正极同时连接功率开关管S1的集电极、直流电容C2的负极和功率开关管S3的集电极，功率开关管S1的发射极同时连接直流电容C1的负极和功率开关管S2的发射极，直流电容C2的正极连接功率开关管S2的集电极，直流电容C3的负极同时连接功率开关管S5的发射极和功率开关管S7的发射极，直流电容C1的正极同时连接功率开关管S3的发射极、功率开关管S4的集电极和功率开关管S6的集电极，功率开关管S4和发射极和功率开关管S5的集电极相连并作为与三相电网对应相的连接端，功率开关管S6的发射极和功率开关管S7的集电极相连并作为与另外两相拓扑结构的连接端。每相直流链路三个电容的电压值V1＝V2＝V3＝V，可以产生V1，2V，3V三种电平，通过H桥结构，可以产生0，±V1，±2V，±3V七种电平。
检测模块用于采集电网负载侧三相电流、主电路输出的三相电流、主电路三相电容电压和电网三相电压。
控制模块包括正负序电压分离单元、谐波电流提取单元、电流跟踪单元和载波移相单元。
如图4所示，正负序电压分离单元利用延迟法对电网三相电压进行正负序分离，获得三相合成电压矢量的角度；具体的，首先对电网三相电压ua、ub和uc进行正负序分离：
Figure BDA0002434033280000051
将上式由三相静止坐标变换至两相旋转坐标，获得两相旋转坐标下的电压d轴和q轴分量ud和uq：
Figure BDA0002434033280000052
Figure BDA0002434033280000053
上式中，
Figure BDA0002434033280000054
为正序坐标变换矩阵，
Figure BDA0002434033280000055
为负序坐标变换矩阵，U+和U-分别为电压正序分量有效值和负序分量有效值，
Figure BDA0002434033280000056
和
Figure BDA0002434033280000057
分别为电网正序分量角度和负序分量角度；
在根据上式可知，在dq坐标系里，原来三相系统里静止abc坐标系中的正序的电压分量变成了直流量，而负序分量变为了二次谐波分量，同理，负序同步旋转坐标里面，负序电压将是直流量，正序电压为二次谐波量，可得：
Figure BDA0002434033280000061
上式中，负序电压完全对称，他们的和为0，则可简化为：
Figure BDA0002434033280000062
由正弦波函数特性可得：
ub(t+T/3)＝ub(t-2T/3)＝-ub(t-2T/3+T/2)＝-ub(t-T/6)
能够看出，延迟2T/3和延迟T/6等效，则有：
Figure BDA0002434033280000063
Figure BDA0002434033280000064
Figure BDA0002434033280000065
利用
Figure BDA0002434033280000066
和
Figure BDA0002434033280000067
根据下式获得
Figure BDA0002434033280000068
和
Figure BDA0002434033280000069
Figure BDA00024340332800000610
利用
Figure BDA00024340332800000611
和
Figure BDA00024340332800000612
根据下式获得三相合成电压矢量的角度θ：
Figure BDA00024340332800000613
上述公式中，
Figure BDA00024340332800000614
和
Figure BDA00024340332800000615
分别为ua、ub和uc的正序分量，
Figure BDA00024340332800000616
和
Figure BDA00024340332800000617
分别为uα和uβ的正序分量，T为三相电网周期。
当三相电网不平衡时，会在交流测产生正、负序分量，影响STATCOM的正常运行。上述通过延迟法将电网电压正负序分离，以三相正序电压中的A相进行锁相，即可在不平衡电网的情况下仍能实现无功功率的补偿。
在电网中，通常三相电压是不对称且有畸变的，因而对p-q检测法进行了改造，提出了ip-iq检测法，如图3所示；本实施方式中，谐波电流提取单元根据电网负载侧三相电流和三相合成电压矢量的角度获得三相电流的谐波成分，具体的：
利用电网负载侧三相电流ia、ib和ic根据下式获得ip和iq：
Figure BDA0002434033280000071
将上式获得的ip和iq进行低通滤波，得到ip和iq中的直流分量
Figure BDA0002434033280000072
和
Figure BDA0002434033280000073
然后根据下式进行反变换获得三相基波电流成分iaf、ibf和icf：
Figure BDA0002434033280000074
利用利用ia、ib和ic减去相应的三相基波电流成分分别获得三相电流的谐波成分iah、ibh和ich，上述公式中，
Figure BDA0002434033280000075
ipΔ为七电平静止同步补偿器的有功损耗，将主电路三相电容电压Udca、Udcb和Udcc经PI调节器进行调节，获得七电平静止同步补偿器的有功损耗。
由于ip-iq检测法只需要知道A相电压的频率(周期)和三相电路电流瞬时值，不需要知道电网电压的幅值，而且正余弦信号可采用内部参考的方式获得，因而不受电网电压信号畸变或不对称的影响，保证了检测结果的准确性。对于不对称的三相电压而言，其中含有负序分量和零序分量，当三相电压不对称时，测得的真实的正弦信号与希望的正弦信号间存在相位差；这个相位差不影响检测结果最终的正确性。
电流跟踪单元将三相电流的谐波成分与主电路输出三相电流做差，将差值与PR控制器的传递函数相乘获得调制信号；本实施方式中，用动态响应快、鲁棒性好的PR控制作为电流跟踪控制策略，因PI控制对交流量的无法有效控制，当输入误差为交流信号时，PR控制器可以进行有效地控制，PR控制器的传递函数为：
Figure BDA0002434033280000076
其中，kp和kr分别为PR控制器的比例系数和谐振系数，ω0为PR控制器的谐振频率，s为输入变量。在谐振频率处的增益大小由参数kr控制，其值越大，PR在谐振角频率处增益越大。由于在实际的供电系统中，随着负载的变化，电网频率会存在一定的波动，当谐波次数越大，其波动幅度越大，而PR控制器带宽小、适应性差，其增益不能达到理想效果。因此将PR控制器的传递函数改进为：
Figure BDA0002434033280000081
式中，ωc为等效低通滤波器截止频率。
载波移相单元用于对调制信号进行载波移相调制生成脉宽调制信号；
驱动模块用于对控制模块输出的脉宽调制信号进行放大、进而隔离驱动主电路，最终实现对三相电网无功功率的补偿；
具体的，本实施方式中驱动模块是2SD315A，它特别适合功率等级很高的IGBT的驱动，其典型隔离电压很高。该模块上还设有电源保护、信号输入保护、死区设置、上电复位和逻辑电平选取、过流、短路保护等功能，安全可靠，使用寿命长等优点，其原理图如图10所示。
图11为本实施方式所述一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器在工作时的主程序流程图，首先是对系统的相关模块进行初始化，然后进行等待，等待中断事件的发生。AD中断用于完成谐波电流的采样、查询正弦表方式的软件锁相环、坐标变换、数字滑动均值滤波计算、直流侧电压的控制以及定时比较方式PWM信号的产生。图12为AD中断服务子程序的软件流程图。
在实际应用时，由于补偿器需快速、准确地检测出负载及反馈电流，因此本实施方式采用霍尔传感器进行测量，图7是电流采样及信号调理电路，通过改变匝数使测量比为1:1000，选择RM＝150Ω，令RM上输出电压在-2.5V～+2.5V之间，VM经过电及压跟随后通过加法器+2.5V电压作和，再通过LM358反相电路得到需要的0～5V电压信号作为AD转换芯片可接受的信号。
由于补偿器需采集各直流侧电容上的电压信号，本实施方式选用型号为CHV-50P/1200的电压霍尔传进行测量，如图8所示为测量电容电压电路，通过调整电阻R1和RM量，使得输出电压在0～5V范围内，得到的信号经隔离保护进入A/D芯片内。
由于计算中需要知道电压相位，即需要有锁相环，需要利用电压过零点以及电网频率，同时，由于电网电压、频率会有波动，不完全是50Hz，电网过零点和频率获得是由电压过零检测电路与DSP一起完成的，首先令正弦波电压通过此电路变成方波，它是与电网同频同相，此方波的上升沿就是正弦波上升的过零点，进行比较这两个上升沿时间差就能够得到电网的频率了。具体电路是选用电压霍尔传感器，其型号是CHV-9000V，由于电网电压较高，电网电压要先经电压霍尔采样，得到一个低压的正弦信号，此信号通过比较器LM339变成方波信号，经过反相器74HC06及保护电路变成DSP允许输入范围的0～3.3V方波信号，进入DSP的捕获口CAP3，其检测电路如图9所示。

Claims (6)

1.一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，包括主电路、检测模块、控制模块和驱动模块；
主电路为七电平逆变器，该七电平逆变器通过滤波电感与三相电网相连、用于补偿三相电网的无功功率；
检测模块用于采集电网负载侧三相电流、主电路输出的三相电流、主电路三相电容电压和电网三相电压；
控制模块包括正负序电压分离单元、谐波电流提取单元、电流跟踪单元和载波移相单元，
正负序电压分离单元利用延迟法对电网三相电压进行正负序分离，获得三相合成电压矢量的角度，
谐波电流提取单元根据电网负载侧三相电流和三相合成电压矢量的角度获得三相电流的谐波成分，
电流跟踪单元将三相电流的谐波成分与主电路输出三相电流做差，将差值与PR控制器的传递函数相乘获得调制信号，
载波移相单元用于对调制信号进行载波移相调制生成脉宽调制信号；
驱动模块用于对控制模块输出的脉宽调制信号进行放大、进而隔离驱动主电路，最终实现对三相电网无功功率的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，主电路为三相拓扑结构，每相拓扑结构均包括：直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7；
直流电容C3的正极同时连接功率开关管S1的集电极、直流电容C2的负极和功率开关管S3的集电极，功率开关管S1的发射极同时连接直流电容C1的负极和功率开关管S2的发射极，直流电容C2的正极连接功率开关管S2的集电极，直流电容C3的负极同时连接功率开关管S5的发射极和功率开关管S7的发射极，直流电容C1的正极同时连接功率开关管S3的发射极、功率开关管S4的集电极和功率开关管S6的集电极，功率开关管S4和发射极和功率开关管S5的集电极相连并作为与三相电网对应相的连接端，功率开关管S6的发射极和功率开关管S7的集电极相连并作为与另外两相拓扑结构的连接端。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，正负序电压分离单元具体为：
利用电网三相电压ua、ub和uc根据下式分别获得
Figure FDA0002434033270000021
和
Figure FDA0002434033270000022
Figure FDA0002434033270000023
Figure FDA0002434033270000024
Figure FDA0002434033270000025
利用
Figure FDA0002434033270000026
和
Figure FDA0002434033270000027
根据下式获得
Figure FDA0002434033270000028
和
Figure FDA0002434033270000029
Figure FDA00024340332700000210
利用
Figure FDA00024340332700000211
和
Figure FDA00024340332700000212
根据下式获得三相合成电压矢量的角度θ：
Figure FDA00024340332700000213
上述公式中，
Figure FDA00024340332700000214
和
Figure FDA00024340332700000215
分别为ua、ub和uc的正序分量，
Figure FDA00024340332700000216
Figure FDA00024340332700000217
和
Figure FDA00024340332700000218
分别为uα和uβ的正序分量，T为三相电网周期。
4.根据权利要求3所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，谐波电流提取单元具体为：
利用电网负载侧三相电流ia、ib和ic根据下式获得ip和iq：
Figure FDA00024340332700000219
对ip和iq进行低通滤波获得ip和iq的直流分量
Figure FDA00024340332700000220
和
Figure FDA00024340332700000221
然后根据下式获得三相基波电流成分iaf、ibf和icf：
Figure FDA00024340332700000222
利用利用ia、ib和ic减去相应的三相基波电流成分分别获得三相电流的谐波成分iah、ibh和ich，
上述公式中，
Figure FDA0002434033270000031
ipΔ为七电平静止同步补偿器的有功损耗。
5.根据权利要求4所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，将主电路三相电容电压Udca、Udcb和Udcc经PI调节器进行调节，获得七电平静止同步补偿器的有功损耗。
6.根据权利要求1、2或4所述的一种基于不平衡电网的七电平静止同步补偿器，其特征在于，PR控制器的传递函数GPR(S)为：
Figure FDA0002434033270000032
其中，kp和kr分别为PR控制器的比例系数和谐振系数，ωc为等效低通滤波器截止频率，ω0为PR控制器的谐振频率，s为输入变量。
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