CN111525591B - 一种三相不平衡状态下的vsc控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，包括以下步骤；首先，在空间向量模式下，建立离散电流预测模型；其次，计算功率输出预测量；然后，计算系统需要补偿的复功率，即参考信号；最后，利用目标函数求解离散控制信号。本发明避免正、负序电压、电流的分离计算，同时不需要对系统电压进行锁相，利用离线推导的向量计算公式进行参考信号生成，并建立矢量模型，利用预测环节产生离散控制信号，避免了调制环节。

Description

一种三相不平衡状态下的VSC控制方法

技术领域

本发明涉及电压源变换器(VSC)快速补偿控制技术领域，特别涉及一种三相不平衡状态下的VSC控制方法。

背景技术

低压电网中，三相间的不平衡电流是客观存在的，这一直是困扰供电单位的主要问题之一。低压电网在不平衡度较大的情况下运行，将会给电网与电气设备造成不良影响，如增加线路电能损耗、影响用电设备的安全运行等。所以，在低压电网中接入的电力电子装置有必要具备不平衡状态下的控制能力，即可满足正常无功功率补偿，也可降低三相电流不平衡度，使电网正常、安全运行。

VSC装置在三相不平衡状态下会产生有功波动，影响装置的正常、准确输出，平衡状态下的控制算法大都不能胜任于此。针对不平衡状态下的控制问题，最早出现的是对称分量法，这种方法虽然简单易懂，但是需要同时进行多次对称分量分离和坐标变换，使得计算复杂，并不适用于实际应用。为了解决正负序分量提取计算量较大的问题，出现了一种基于dq变换的正负序检测方法，为正、负序分量分别设置变换矩阵，这种方法也称为双坐标变换法，是将正负序分离嵌入到了坐标变换中，却仍然需要对其进行分离，相比平衡状态下的控制方法，矩阵运算量增加了一倍。同时，PI控制器也增加了一倍，使得控制系统复杂度增加，控制参数较难整定，且负载如果有较大的变动，普通线性控制器很难得到最优的控制结果。分相控制方法是将三相分开，独立计算有功参考量，得到电流参考值，从而避免三相间不平衡对三相混合计算的影响，由于三相分别计算，会在所计算的三相参考电流中代入零序分量，所以需要额外的加入零序电流消除环节。分相控制方法不进行正负序分离计算，但是在需要锁相结果的同时，还必须进行电流参考信号和电压参考信号的转换，这一步骤会影响控制精度和系统稳定性。因此，如何在三相不平衡电网中，设计实现不平衡度补偿且不影响正常的功率因数校正功能的控制算法直接影响到设备的运行效率。现有的控制方法一定程度上限制了三相不平衡状态下VSC设备的正常运行。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，避免正、负序电压、电流的分离计算，同时不需要对系统电压进行锁相，利用离线推导的向量计算公式进行参考信号生成，并建立矢量模型，利用预测环节产生离散控制信号，避免了调制环节。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，包括以下步骤；

首先，在空间向量模式下，建立离散电流预测模型；

其中，i、v、v_s分别表示交流侧滤波电感电流、变换器交流侧输出电压、交流系统电压的矢量表示，为复数；k表示离散时间变量；L、为滤波电感、电阻，T为采样间隔。定义V_dc为直流侧电压，u为平均电压计算矩阵，W_i为器件开关状态，且W_i＝[w_a,w_b,w_c]^T，则第i个开关状态对应的变换器交流侧输出电压为

其次，计算功率输出预测量；

在控制过程中，系统电压频率远低于采样频率，故而，假设v_s(k+1)＝v_s(k)，由预测电流与电压计算可得到预测功率，由八种不同开关状态可得八种结果，即为系统复功率反馈值，表示为：

然后，计算系统需要补偿的复功率，即参考信号；

取三相电压平衡而三相电流不平衡状态，即可表示为：

其中，v_s，i_s分别为系统电压、系统电流矢量，角标p和n分别表示正序分量和负序分量，复功率模式下，系统实际的总复功率可通过计算得到：

功率参考分为两种情况，可表示为：

控制直流侧电压，其有功功率目标为保持直流侧电压恒定，无功功率参考值为已知指令值Q₁，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_IM}＝Q₁

当功率由直流侧到交流侧传输时，其有功功率目标为一已知指令值P₂，由上层控制器下发，同样的，当交流侧需要无功功率以补偿功率因数时，其参考值同样为已知指令值Q₂，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_RE}＝P₂

S_{ref_IM}＝Q₂

式中：e为电压偏差，表示为

是直流侧电压参考值和实际值之差；

故，总补偿功率，复功率模式表示的系统参考值为：

S_ref＝S_{ref_RE}+S_{ref_IM}

最后，利用目标函数求解离散控制信号。

所述的设置目标函数为：

g＝λ₁|Im(S_ref)-Im(S_pre)|+λ₂|Re(S_ref)-Re(S_pre)|+λ₃·n

其中，

W_i＝W₁,W₂,...,W_N。

所述的

V_th为一预设阈值，λ₁和λ₂的选取与该阈值相关。a_min、a_max、b_min和b_max分别为参数λ₁和λ₂预设的最小值和最大值。

本发明的有益效果：

针对三相不平衡状态下的SVG补偿装置进行控制策略设计，选取了向量表示模型，直接将不平衡电流转换为功率值进行控制，避免正序、负序分量的计算；设计了一种离散集合下的模型预测控制方法，避免常规控制中的锁相环节；并且一步预测计算可以补偿系统的时滞环节，保证控制系统实时性；所设计的离散集模型预测控制同时避免了调制环节；在优化目标函数中加入了开关次数限制，减少系统损耗，增长器件寿命。使得SVG补偿装置可以更好地实现无功补偿功能，并且可以在三相不平衡状态下正常运行，且降低不平衡度。

附图说明

图1是本发明所涉及的系统框图。

图2是本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明控制VSC装置实现三相负载不平衡状态下的正常功率控制以及不平衡度补偿，以图1中所示结构及标号为例，详细说明本发明的实施方法。

本方法的控制原理图如图2所示，其中包括参考值计算模块、模型建立及预测模块、最小化计算模块，该控制方法输出控制量为三路开关信号，对应三相变换器。

具体检测步骤如下：

Step1：建立主电路时域矢量模型；

本发明所涉及的VSC结构，以及接入系统时的原理图如图1所示，图中包括三相交流系统、LC滤波电路、三相两电平变换器和直流侧电容。根据电路结构及KVL定理，可得其三相的时域动态模型：

根据空间矢量模型的定义，系统电流、系统电压、补偿电流的向量表示模式为：

其中，a＝e^j2π/3。

由于W_i＝[w_a,w_b,w_c]^T，且第i个开关状态对应的变换器交流侧输出电压为

可以得到两者的相关关系。w_x＝0，x∈{a,b,c}，表示上管关断，下管开通；w_x＝1，表示上管开通，下管关断。其对应的开关状态如表1所示，同时，对于每种开关状态的输出电压也列举在表1中，该输出电压为三相两电平变换器结构对应不同开关状态的常规输出电压。

Step2：利用前向欧拉公式，得到电流的一步预测模型：

Step3：计算装置输出功率预测值；

i(k+1)|_i,i＝0,...,7为第i个开关状态对应的电流计算值，v_s(k+1)为系统电压值。

Step4：计算系统需要补偿复功率，即参考信号；

根据Step2中所述向量表达计算方法可得到三相不平衡电压电流表达式：

可得系统复功率表达式：

其中，前一项为平均分两，后一项为为二倍频波动量，为负序分量引起的功率波动。

功率参考分为两种情况，可表示为：

控制直流侧电压，其有功功率目标为保持直流侧电压恒定，无功功率参考值为已知指令值Q₁，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_IM}＝Q₁

当功率由直流侧到交流侧传输时，其有功功率目标为一已知指令值P₂，由上层控制器下发。同样的，当交流侧需要无功功率以补偿功率因数时，其参考值同样为已知指令值Q₂，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_RE}＝P₂

S_{ref_IM}＝Q₂

式中：e为电压偏差，表示为

是直流侧电压参考值和实际值之差。

故，总补偿功率参考值复数表示为：

S_ref＝S_{ref_RE}+S_{ref_IM}

Step5：设计目标函数。

控制目标设置为功率跟踪控制，同时尽可能减少器件开关次数。

设计目标函数为：

g＝λ₁|Im(S_ref)-Im(S_pre)|+λ₂|Re(S_ref)-Re(S_pre)|+λ₃·n

其中，

W_i＝W₁,W₂,...,W_N。

V_th为一预设阈值。λ₁和λ₂的选取与该阈值相关。a_min、a_max、b_min和b_max分别为参数λ₁和λ₂预设的最小值和最大值。

Step6：求解离散控制信号。

根据Step5中所示目标函数，遍历计算8个开关状态W_i对应的g，选取g最小时对应的开关状态w_i作为实际控制所需的开关状态。

表1是本发明所涉及电路结构中器件开关状态及对应的电压输出。

Claims (3)

1.一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，其特征在于，包括以下步骤；

首先，在空间向量模式下，建立离散电流预测模型；

其中，i、v、v_s分别表示交流侧滤波电感电流、变换器交流侧输出电压、交流系统电压的矢量表示，为复数；k表示离散时间变量；L为滤波电感、R电阻，T为采样间隔，定义V_dc为直流侧电压，u为平均电压计算矩阵，W_i为器件开关状态，且W_i＝[w_a,w_b,w_c]^T，则第i个开关状态对应的变换器交流侧输出电压为

其次，计算功率输出预测量；

在控制过程中，系统电压频率远低于采样频率，故而，假设v_s(k+1)＝v_s(k)，由预测电流与电压计算可得到预测功率，由八种不同开关状态可得八种结果，即为系统复功率反馈值，表示为：

然后，计算系统需要补偿的复功率，即参考信号；

取三相电压平衡而三相电流不平衡状态，即可表示为：

其中，v_s，i_s分别为系统电压、系统电流矢量，角标p和n分别表示正序分量和负序分量，复功率模式下，系统实际的总复功率可通过计算得到：

功率参考分为两种情况，可表示为：

控制直流侧电压，其有功功率目标为保持直流侧电压恒定，无功功率参考值为已知指令值Q₁，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_IM}＝Q₁

当功率由直流侧到交流侧传输时，其有功功率目标为一已知指令值P₂，由上层控制器下发，同样的，当交流侧需要无功功率以补偿功率因数时，其参考值同样为已知指令值Q₂，且与系统实际功率S相关：

S_{ref_RE}＝P₂

S_{ref_IM}＝Q₂

式中：e为电压偏差，表示为

是直流侧电压参考值和实际值之差；

故，总补偿功率，复功率模式表示的系统参考值为：

S_ref＝S_{ref_RE}+S_{ref_IM}

最后，利用目标函数求解离散控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，其特征在于，设置所述 目标函数为：

g＝λ₁|Im(S_ref)-Im(S_pre)|+λ₂|Re(S_ref)-Re(S_pre)|+λ₃·n

其中，

W_i＝W₁,W₂,...,W_N。

3.根据权利要求1所述的一种三相不平衡状态下的VSC控制方法，其特征在于，所述的

V_th为一预设阈值，λ₁和λ₂的选取与该阈值相关，a_min、a_max、b_min和b_max分别为参数λ₁和λ₂预设的最小值和最大值。

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