CN111799796A - 一种h桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，所述方法依次包括以下步骤：在CPS‑SPWM调制基础上，增加电压前馈控制环节；将每段直流电容器的平均电压控制可分为平均控制和平衡控制。对H桥级联型STATCOM输出谐波抑制的调制性能进行优化；增加电流解耦控制环节；将低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流，控制补偿信号实现电流无静差跟踪及谐波治理，实现参数的独立控制与追踪，提高补偿器输出的电压和电流质量，进而降低静止同步补偿器的输出谐波含量，优化静止同步补偿器的控制性能。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统的电力电子应用领域，尤其涉及一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法。
背景技术
随着电力电子设备的广泛应用，电网中的谐波污染日趋严重。同时，多数电力电子设备功率因数较低，给电网带来了额外的无功负担。因此，抑制谐波及提高功率因数已引起人们的广泛关注。近年来，随着轨道交通的迅速发展，以牵引供电系统为代表的大容量单相负载对电能质量的影响日益突出。电力系统中其它单相负荷，如单相电弧炉、加热装置等，亦会引起严重的电能质量问题。由于这些负荷具有随机性，必然需要高性能的谐波抑制及无功补偿装置对其进行治理。
静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)作为灵活柔性交流输电系统的重要组成部分，优势在于可提高电网电压暂态稳定性，补偿不平衡负荷及滤除负荷谐波等，因此被广泛应用于电网枢纽变电站、矿山、海上风电及电气化铁路。然而，对级联H桥有源电力滤波器的应用研究尚处于起步阶段，且研究内容主要涉及三相系统，级联H桥有源电力滤波器在单相系统中的应用研究还非常少。因此，研究级联H桥大功率单相有源电力滤波器具有非常重要的理论及现实意义。
但静止同步补偿器同时带来了一系列相关问题，其中链式补偿器使用的电力电子设备及非线性负载不仅给电网带来谐波污染而且对电能质量造成影响。而且电网电压受各种不可预测因素的影响，电压的实时波动造成输出谐波成分的增加。
发明内容
本申请提供了一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，以解决在单极倍频载波移相的基础上，低频电压对输出电流造成影响，同时补偿器的输出电压和电流质量较低的问题。
一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，在CPS-SPWM调制基础上，所述方法包括：
增加电压前馈控制环节；将每段直流电容器的平均电压控制可分为平均控制和平衡控制。对H桥级联型STATCOM输出谐波抑制的调制性能进行优化；
增加电流解耦控制环节；将低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流，控制补偿信号实现电流无静差跟踪及谐波治理。
所述电压前馈控制环节被配置为通过对每段直流电容器的平均电压进行控制；每相平均电压udc_ave通过如下公式计算，每相平均电压udc_ave的调制遵循其参考电压udcref；
其中，
表示经逆变后将dq坐标下的直流量转为交流量时a、b、c三相的电压向量值，
表示经逆变后a相的分量。
所述电流解耦控制环节被配置为在d轴电流和q轴电流调节器的输出信号中加入电流信息的分量，引入电流解耦后d轴电流和q轴电流参数可以实现独立控制，将n次谐波分量通过dqn旋转坐标变换可得到谐波电流直流量，其中d(s)为电流控制环的延时环节，解耦因子为ωL。
所述电压前馈控制环节和电流解耦控制环节的矢量电流表达式为：
其中电流控制器的传递函数为
其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，idnref和iqnref为谐波指令电流；icdn和icqn分别为输入低通滤波器的电流分量；L为电感值；ucd和ucq分别是逆变器电压的d轴和q轴分量。
所述方法包括以下步骤：
通过abc-dq变换将电流送入低通滤波器；
将低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流；
将idnref与icdn，iqnref与icqn通过前馈解耦控制，并将通过PI控制器的输出信号经过dq/abc变换；
输入到CPS-SPWM驱动逆变单元，产生补偿信号；
其中，icdn与icqn是三相中的基波正弦交流量经过坐标变换为dq坐标下的直流量的分量，由abc-dq逆变器直接控制，无功电流参考指令iqref为负载在d-q坐标系下的无功电流分量，有功电流参考指令idref为直流侧电压闭环控制得到的电流信号，idnref与iqnref分别为idref和iqref的谐波指令电流。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，该方法基于单极倍频的静止同步补偿器谐波治理方法，根据逆变级联参数推导出谐波成分，主要针对基波与边带谐波在单极倍频载波移相调制技术加以应用。在坐标系下加入电压前馈与电流解耦控制环节，实现参数的独立控制与追踪，提高补偿器输dq出的电压和电流质量，进而降低静止同步补偿器的输出谐波含量，优化静止同步补偿器的控制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为加入电压前馈环节的控制策略框图；
图2为加入电流解耦环节的控制策略框图。
具体实施方式
随着电力系统的容量需求和环保节能要求的不断提高，静止同步补偿器(staticsynchronous compensator,STATCOM)作为灵活柔性交流输电系统的重要组成部分，优势在于可提高电网电压暂态稳定性，补偿不平衡负荷及滤除负荷谐波等，因此被广泛应用于电网枢纽变电站、矿山、海上风电及电气化铁路。但同时带来了一系列相关问题，其中链式补偿器使用的电力电子设备及非线性负载不仅给电网带来谐波污染而且对电能质量造成影响。而且电网电压受各种不可预测因素的影响，电压的实时波动造成输出谐波成分的增加。
为了克服低频电压对输出电流造成的影响，同时为了提高补偿器的输出电压和电流质量，在单极倍频载波移相的基础上，本发明增加了电压前馈和电流解耦控制环节，提出一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法。
单极倍频(CPS-SPWM)调制基本原理是调制波正半周只输出正弦脉冲电压，负半周输出负脉冲电压，在正负半周周期内，载波信号满足正负调制波范围内，则相应正常输出。使用相同的触发调制波信号将多电平逆变器中的三角载波交错到1/2N周期，通过将N个模块的输出叠加形成2N+1的变流器装置的输出波形，使得总的输出波形比子模块的输出波形更接近正弦波，从而减小谐波含量。
一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，所述方法依次包括以下步骤：
在CPS-SPWM调制基础上，增加电压前馈控制环节，对每段直流电容器的平均电压进行控制，其控制策略如图1所示。
所述电压前馈控制环节被配置为通过对每段直流电容器的平均电压进行控制；每相平均电压udc_ave通过如下公式计算，每相平均电压udc_ave的调制遵循其参考电压udcref；
其中，
表示经逆变后将dq坐标下的直流量转为交流量时a、b、c三相的电压向量值，
表示经逆变后a相的分量。
如图1所示静止同步补偿器的电流控制在d-q旋转框架中采用PI控制器，带有重复控制器，可在周期信号的基频及其谐波处引入无限开环增益。通过旋转来转换无功电流，结合PI解耦控制完成有功和无功电流控制，无功电流参考指令iqref为负载在d-q坐标系下的无功电流分量，有功电流参考指令idref为直流侧电压闭环控制得到的电流信号。PI控制器可用来控制电容器电压，PI控制器的输出是有效电流的参考值。
如图2所示，在CPS-SPWM调制基础上，增加电流解耦控制环节；将两相坐标系下的电流分量分离处理，实现参数的独立控制与追踪，控制电网电流的稳定。
由于两相坐标系下的分量之间产生相互耦合可能对电流控制的稳定性及动态性能产生影响，因此在dq坐标下加入电流解耦控制环节，将两相坐标系下的电流分量分离处理，其控制策略如图2所示。
所述电流解耦控制环节被配置为在d轴电流和q轴电流调节器的输出信号中加入电流信息的分量，引入电流解耦后d轴电流和q轴电流参数可以实现独立控制。将n次谐波分量通过dqn旋转坐标变换可得到谐波电流直流量，其中d(s)为电流控制环的延时环节，解耦因子为ωL。
所述电压前馈控制环节和电流解耦控制环节的矢量电流表达式为：
其中电流控制器的传递函数为
其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，idnref和iqnref为谐波指令电流；icdn和icqn分别为输入低通滤波器的电流分量；L为电感值；ucd和ucq分别是逆变器电压的d轴和q轴分量。
所述电压前馈控制环节和电流解耦控制环节的综合控制为通过abc-dq变换将电流送入低通滤波器，对低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流，谐波指令电流为idnref、iqnref，静止同步补偿器发出的跟踪电流为icdn、icqn；idnref与icdn，iqnref与icqn通过前馈解耦控制，PI控制器的输出信号经过dq/abc变换，输入CPS-SPWM驱动逆变单元，产生补偿信号。
其中，icdn与icqn是三相中的基波正弦交流量经过坐标变换为dq坐标下的直流量的分量，由abc-dq逆变器直接控制，无功电流参考指令iqref为负载在d-q坐标系下的无功电流分量，有功电流参考指令idref为直流侧电压闭环控制得到的电流信号，idnref与iqnref分别为idref和iqref的谐波指令电流。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，该方法基于单极倍频的静止同步补偿器谐波治理方法，根据逆变级联参数推导出谐波成分，主要针对基波与边带谐波在单极倍频载波移相调制技术加以应用。在dq坐标系下加入电压前馈与电流解耦控制环节，实现参数的独立控制与追踪，提高补偿器输出的电压和电流质量，进而降低静止同步补偿器的输出谐波含量，优化静止同步补偿器的控制性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，在CPS-SPWM调制基础上，其特征在于，所述方法包括：
增加电压前馈控制环节；将每段直流电容器的平均电压控制可分为平均控制和平衡控制，对H桥级联型STATCOM输出谐波抑制的调制性能进行优化；
增加电流解耦控制环节；将低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流，控制补偿信号实现电流无静差跟踪及谐波治理。
2.根据权利要求1所述一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，其特征在于：所述电压前馈控制环节被配置为通过对每段直流电容器的平均电压进行控制；每相平均电压udc_ave通过如下公式计算，每相平均电压udc_ave的调制遵循其参考电压udcref；
其中，
表示经逆变后将dq坐标下的直流量转为交流量时a、b、c三相的电压向量值，
表示经逆变后a相分量。
3.根据权利要求1所述一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，其特征在于：所述电流解耦控制环节被配置为在d轴电流和q轴电流调节器的输出信号中加入电流信息的分量，引入电流解耦后d轴电流和q轴电流参数可以实现独立控制，将n次谐波分量通过dqn旋转坐标变换可得到谐波电流直流量，其中d(s)为电流控制环的延时环节，解耦因子为ωL。
4.根据权利要求1所述一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，其特征在于：所述方法的矢量电流表达式为：
其中电流控制器的传递函数为
其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，idnref和iqnref为谐波指令电流；icdn和icqn分别为输入低通滤波器的电流分量；L为电感值；ucd和ucq分别是逆变器电压的d轴和q轴分量。
5.根据权利要求1所述一种H桥级联型静止同步补偿器的输出谐波抑制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
通过abc-dq变换将电流送入低通滤波器；
将低通滤波器输出的dq轴分量作为PI前馈解耦控制的参考指令电流；
将idnref与icdn，iqnref与icqn通过前馈解耦控制，并将通过PI控制器的输出信号经过dq/abc变换；
输入到CPS-SPWM驱动逆变单元，产生补偿信号；
其中，icdn与icqn是三相中的基波正弦交流量经过坐标变换为dq坐标下的直流量的分量，由abc-dq逆变器直接控制，无功电流参考指令iqref为负载在d-q坐标系下的无功电流分量，有功电流参考指令idref为直流侧电压闭环控制得到的电流信号，idnref与iqnref分别为idref和iqref的谐波指令电流。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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