CN111555302A - 一种基于三矢量调制的矩阵变换器无功补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矩阵变换器并联电网用于无功补偿的实现。特别涉及一种基于三矢量调制策略的矩阵变换器无功补偿方法。包括矩阵变换器无功补偿电路、检测电路、电网电路、负载电路、电源电路和控制部分，矩阵变换器的输入可以连接到电网，输出可以连接到永磁同步电机(PMSM)。通过控制输入功率因数角，可以控制流入电网的无功功率。使用直接矩阵变换器拓扑模型，控制策略将矩阵变换器视为具有间接拓扑，因此将其分为电压源逆变器(VSI)部分和电流源整流(CSR)部分，输入电流和输出电压可分别控制。采用简单的等效电路对永磁同步电动机进行建模。本发明可根据电网需要快速、高效的向电网提供或吸收无功功率。

Description

一种基于三矢量调制的矩阵变换器无功补偿方法
技术领域
本发明涉及一种使用矩阵变换器控制同步电机对电网进行无功补偿的方法，特别涉及一种基于三矢量调制策略的矩阵变换器无功补偿方法。
背景技术
随着工业的快速发展，近些年电网承受着很大的压力:负荷和发电量都是年复一年地增长。由于经济和环境原因，电网的扩展是有限的。因此，利用MCRC(无功补偿)变得非常重要，可以将电网的电力传输能力发挥到极致。
无功补偿可通过电力线传输提供更多的有功功率并进行电压控制。FACTS(柔性交流传输设备)控制器可用于执行快速无功补偿。其中分为几种类型，主要分为变量阻抗类型FACTS，例如SVC(静态同步补偿器)以及基于VSC的类型FACTS，例如STATCOM(静态同步补偿器)。基于VSC的控制器在以下几个方面优于可变阻抗型控制器方法。如果我们将SVC与STATCOM进行比较，、后者传输利用率更少。说明应使用更少的无源组件。在STATCOM中，电容器位于直流侧，因此可以被极化。一个电解电容器就足够了。而在SVC中，电容器需要处理交流电压将更大且更昂贵。
目前国内暂时没有使用矩阵变换器作为无功补偿装置，遵循这种替代无源元件的趋势，矩阵转换器可能是下一个产品，为进一步减小尺寸和重量并延长了FACTS设备的使用寿命。矩阵转换器作为FACTS设备将并联连接到电网输入端连接网络。矩阵变换器的功能用于无功补偿的是输入的功率可以直接由输入功率因数角控制。输出连接到PMSM用于能量缓冲。PMSM作为矩阵转换器的控制对象，体积小，是一个快速且高效的功率补偿装置。
发明内容
为了解决电网无功功率缺失的技术问题，本发明提供一种更快速高效的基于三矢量调制策略的矩阵变换器无功补偿的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
采用同步电机进行无功补偿及能量缓冲，研究了PM的两种不同操作模式：有负载或无负载。清楚地区分这两种情况，负载时，永磁电机将吸收或产生有功功率，除提供或吸收无功功率外，还可以充当能量缓冲器。当PM未加负载时，没有有功功率流过矩阵转换器，而MCRC系统是纯无功功率补偿设备。在转子轴上也就没有惯性了。
无功补偿设备使用矩阵变换器，分析矩阵转换器的无功补偿能力。简短的介绍了PM的控制，矩阵转换器由常规的间接空间矢量调制控制，并且有迹象表明，这种调制导致可传递给输入的无功功率量受到限制。研究使用传统的间接空间矢量技术调制矩阵转换器时输入端可传递的无功功率范围：两种情况：有负载的永磁电机和无负载运行的电机。可以看出，在无负载情况下，无功功率无法在矩阵转换器的输入端传输。将对此严重限制的原因进行详细说明。这意味着矩阵转换器在通过间接空间矢量调制进行调制时不能用于纯无功补偿，而只能用于有负载的永磁电机和通过矩阵转换器进行有功功率传输的情况。
采用三矢量调制策略控制矩阵变换器获得更多的无功功率，实际上，可以修改常规的间接空间矢量调制，以便在矩阵转换器的输入侧实现无功功率传输，而没有通过转换器的有功功率传输。开发了一种称为三向量方案的调制技术。还将介绍三矢量方案的无功补偿范围。
由输入功率因数角直接控制输入功率。
附图说明
图1是本发明的矩阵变换器无功补偿拓扑图；
图2是本发明中CSR部分输出电压形成脉冲半周期期间的调制；
图3是本发明中输出电压形成脉冲半周期内对VSI部分的调制；
图4是本发明中对于扇区I中输出电压空间矢量的一般情况，矩阵转换器的VSI(中)和CSR(下)部分的占空比以及构成开关周期前半部分的电压的相对占空比(上)；
图5是本发明中VSI部分输入无功电流形成脉冲半周期期间的调制；
图6是本发明中CSR部分输入无功电流形成脉冲半周期期间的调制；
图7是本发明中输入电流空间矢量0和扇区I中的输出电压空间矢量(在VSI调制中使用upnp和unpn)；
图8是本发明中在整个开关周期内的相对占空比(上一行)，相应的开关组合(中)以及施加到直流母线的输入电压和输出电流(下一行)；
图9是本发明中矩阵变换器输入端无功功率范围，浅色为常规空间矢量调制，深色为三矢量调制策略。
具体实施方式
步骤一：确定参数，确定矩阵变换器无功补偿拓扑结构见图1以及电容电感相关参数，使用改进型三矢量调制策略。
步骤二：输出电压形成脉冲周期，开关周期前半部分CSR部分的调制，实际上就像输入电流的空间矢量向后旋转90度，从而叠加在输入电压的空间矢量上。参考图2，则有公式：
Figure BDA0002523475450000041
Figure BDA0002523475450000042
Figure BDA0002523475450000043
Figure BDA0002523475450000044
步骤三：计算直流链电压，参考图3，计算直流链路电压将显示这种CSR调制的修改是如何有效地使直流链路电压从0变为一个不同的值。则有公式：
edc＝drsvrs+dtrvrt (5)
步骤四:计算占空比，尽管直流链路电压值是针对第1扇区的具体情况计算的。这一结果可以推广到任何其他扇区。通过简单地将空间向量旋转回扇形I，同样的公式也适用。VSI的占空比公式与常规调制相同。参考图4，公式如下：
Figure BDA0002523475450000045
Figure BDA0002523475450000046
步骤五：输入无功电流形成脉冲，开关周期的第二部分专门用于输入无功电流的形成。在这个时间间隔内，目标是形成无功输入电流，因此平均直流链路电流必须不等于零。需要对VSI调制进行修改，使输出的位移角为90，但平均直流链路电流不等于零。这样做不仅使平均直流链路电流不为零，而且最高输出相电流将通过直流链路。对于输出电压的空间矢量位于扇区I的情况，输出电流的空间矢量将更靠近有源矢量uo，此时的最高相电流为对应的i，如图5所示。
步骤六：直流链路电流计算，表1表示电压空间矢量所在的所有扇区以及对应的应施加的有源矢量，使最大正输出电流通过直流链路。
如图6，公式如下：
Figure BDA0002523475450000051
表1输出电压空间矢量扇区(左列对应的活动矢量应用于这三个矢量图(中间列)和相应的直流链路电流(右边列)。
Figure BDA0002523475450000052
步骤七：输入电流占空比计算，输入无功电流只有在直流链路中电流断开时才能形成。对于我们的一般情况，输入电流将在-i时形成在电流形成脉冲的其余半周期内，只施加零电压矢量，因此在其余半周期内直流链路中形成的电流为零。由于无功输入电流只有在使用电压有源矢量时才形成，因此相对占空比dpnp，st和dnon,rs，如图7所示，计算相对占空比的几何关系。公式如下：
Figure BDA0002523475450000061
Figure BDA0002523475450000062
步骤八：直流链电压为0时，平均功率计算，负号是由于VSI有源矢量反转。改进的CSR调制使直流链路电压为零，因此不影响输出电压的形成(不影响输出电压的形成)，而这正是调制的目的，因为在这个网络中只有输入无功电流的形成。此外，改进调制的这一特性确保了通过矩阵变换器的平均功率在输入无功电流脉冲半个周期内为零。如图8所示，公式如下：
edc＝-dnpn,rsurs+dpnp,stust＝0 (11)
p＝edcidc＝0 (12)
步骤九：电压和无功电流形成的脉冲合并，现在，所有的输出电压形成脉冲和输入无功电流形成脉冲都已计算完毕，并纳入了修正调制的脉冲模式中，根据调制指标是否为q和qi，在开关周期中可能还会有一段时间间隔；是否设置为它们的最大值。剩余时间间隔Δt:
Figure BDA0002523475450000071
步骤十：确定无功补偿范围，见图9矩阵变换器输入端无功功率范围，绿色为常规空间矢量调制，绿色为三矢量调制。用公式计算无功功率范围，公式如下：
Figure BDA0002523475450000072
步骤十一：由计算的占空比推导矩阵变换器开关状态；
步骤十二：用开关函数矩阵表示矩阵变换器的开关状态；
步骤十三：选择矩阵变换器的换流策略，采用电压型四步换流策略。

Claims (2)

1.一种基于三矢量调制的矩阵变换器无功补偿方法，其特征在于：矩阵变换器的输入可以连接到电网，输出可以连接到永磁同步电机(PMSM)。通过控制输入功率因数角，可以控制流入电网的无功功率。矩阵变换器模型使用直接拓扑实现，控制策略将矩阵变换器视为具有间接拓扑，因此将其分为电压源逆变器(VSI)部分和电流源整流(CSR)部分，输入电流和输出电压可分别控制。
2.根据权利要求1所述的基于基于三矢量调制的矩阵变换器无功补偿方法，其特征在于：计算三个有效矢量和占空比：
步骤一：确定参数，确定矩阵变换器无功补偿拓扑结构见图1以及电容电感相关参数；
步骤二：输出电压形成脉冲周期T；
Figure FDA0002523475440000011
Figure FDA0002523475440000012
步骤三：计算直流链电压edc；
edc＝drsvrs+dtrvrt
步骤四：分别计算占空比；
Figure FDA0002523475440000013
Figure FDA0002523475440000014
步骤五：输入无功电流形成脉冲，开关周期的第二部分专门用于输入无功电流的形成；
步骤六：直流链路电流计算
Figure FDA0002523475440000021
步骤七：输入电流占空比计算，输入无功电流只有在直流链路中电流断开时才能形成。因此相对占空比dpnp，st和dnon,rs
Figure FDA0002523475440000022
Figure FDA0002523475440000023
步骤八：直流链电压为0时，平均功率计算；
edc＝-dnpn,rsurs+dpnp,stust＝0
p＝edcidc＝0
步骤九：电压和无功电流形成的脉冲合并，剩余时间间隔Δt；
Figure FDA0002523475440000024
步骤十：计算无功补偿范围；
Figure FDA0002523475440000025
步骤十一：由计算的占空比推导矩阵变换器开关状态；
步骤十二：用开关函数矩阵表示矩阵变换器的开关状态；
步骤十三：选择矩阵变换器的换流策略，采用电压型四步换流策略。
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