CN112909947A - 一种交直交变换器的有功均衡方法 - Google Patents

一种交直交变换器的有功均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直交变换器的有功均衡方法，涉及电能质量治理技术领域，对负载电流、补偿电流和网侧电流进行旋转坐标变换得到负载电流、补偿电流和网侧电流的有功分量和无功分量；对负载电流的有功、无功分量进行处理，后经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值；对补偿电流参考值和补偿电流进行PI运算得到一次补偿的调制波；对网侧电流的有功、无功分量进行PI运算，后经过旋转坐标变换得到二次补偿的调制波；将一次补偿的调制波和二次补偿的调制波相加，后经过PWM调制得到变换器的控制信号，通过两次补偿的调制波进行控制能够快速补偿网侧电流不平衡，显著降低网侧电流不平衡度，增强控制系统的可靠性和稳定性。

Description

一种交直交变换器的有功均衡方法
技术领域
本发明属于电能质量治理技术领域，尤其涉及一种交直交变换器的有功均衡方法。
背景技术
目前，我国低压配电网中绝大部分民用负荷以单相负荷为主，由于用户用电的随机性与波动性，导致配电网常出现三相不平衡的问题。三相系统不平衡会导致电压，电流中含有大量的负序和零序分量，影响电气设备的正常运行，因此三相不平衡补偿称成为研究热点。
随着电力电子技术的发展，一种交直交变换器用于均衡三相电网的有功电流，使三相电网的电流处于平衡状态。这种变换器结构简单，成本较低，传输特性良好，功率因数高，网侧电流谐波小，能量双向流动，能够有效治理三相平衡。传统角之交变换器的控制方法是检测负载电流的有功分量，让补偿电流跟踪负载电流的有功分量，使网侧电流处于平衡状态。但是由于存在A/D采样延迟，低通滤波器延迟以及开关死区延迟，导致补偿电流无法完全跟踪上负载电流的有功分量，三相电网电流不平衡度无法显著降低。如果使用采样率更高的器件，将导致设备成本显著提高，限制了这种变换器的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交直交变换器的有功均衡方法，从而克服了现有交直交变换器的控制方法无法降低三相电网电流不平衡度的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种交直交变换器的有功均衡方法，包括以下步骤：
通过锁相环对网侧电压相位和频率进行锁定；
以所述网侧电压相位和频率为参考，对负载电流、补偿电流和网侧电流进行旋转坐标变换，得到负载电流、补偿电流和网侧电流的有功分量和无功分量；
根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理，后经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值；
对所述补偿电流参考值和补偿电流进行交流PI运算，得到一次补偿的调制波；
对所述网侧电流的有功分量和无功分量进行直流PI运算，后经过旋转坐标逆变换，得到二次补偿的调制波；
将所述一次补偿的调制波和二次补偿的调制波相加，后经过PWM调制得到变换器的控制信号。
优选地，所述计算负载电流的公式为：
Figure BDA0002926236440000021
式(1)中，ilx是X相负载电流，ilx1是滞后于X相负载电流90度的虚拟电流，ilxd是X相负载电流有功分量，ilxq是X相负载电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位。
优选地，所述计算网侧电流的公式为：
Figure BDA0002926236440000022
式(2)中，isx是X相网侧电流，isx1是滞后于X相网侧电流90度的虚拟电流，isxd是X相网侧电流有功分量，isxq是X相网侧电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位。
优选地，根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理包括以下步骤：
判断网侧电流是否平衡，当网侧电流平衡时，A相补偿电流参考值有功分量为B相负载电流有功分量的一半减去A相负载电流有功分量的一半；A相补偿电流参考值无功分量为A相负载电流无功分量的相反数；B相补偿电流参考值有功分量为A相负载电流有功分量的一半减去B相负载电流有功分量的一半；B相补偿电流参考值无功分量为B相负载电流无功分量的相反数；当网侧电流不平衡时，则继续判断网侧电流是否平衡。
优选地，处理后的负载电流的有功分量和无功分量经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000031
式(3)中，icaref是A相补偿电流参考值，icaref1是滞后于A相补偿电流参考值90度的虚拟电流；B相补偿电流参考值icbref同采用式(3)进行计算。
优选地，所述交流PI运算的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000032
式(4)中，νra1为A相的二次补偿的调制波，νrb1为B相的二次补偿的调制波；Kpa为A相电流环的比例系数，Kia为A相电流环的积分系数，Kpb为B相电流环的比例系数，Kib为B相电流环的积分系数，s为复频率。
优选地，所述直流PI运算与旋转坐标逆运算的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000033
式(5)中，νra2为A相的二次补偿的调制波，νrb2为B相的二次补偿的调制波；Kpa2为A相二次补偿电流环的比例系数，Kia2为A相二次补偿电流环的积分系数，s为复频率，isad为A相的网侧电流有功分量，isbd为B相的网侧电流有功分量。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的交直交变换器的有功均衡方法，通过锁相环对网侧电压相位和频率进行锁定；以网侧电压相位和频率为参考，对负载电流、补偿电流和网侧电流进行旋转坐标变换，得到负载电流、补偿电流和网侧电流的有功分量和无功分量；根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理，后经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值；对补偿电流参考值和补偿电流进行PI运算，得到一次补偿的调制波；对网侧电流的有功分量和无功分量进行PI运算，后经过旋转坐标变换，得到二次补偿的调制波；将一次补偿的调制波和二次补偿的调制波相加，后经过PWM调制得到变换器的控制信号，通过两次补偿的调制波进行控制，能够快速补偿网侧电流不平衡，显著降低网侧电流不平衡度，增强控制系统的可靠性和稳定性。并且本发明在信号延迟较大的情况，依然能够显著降低三相电网电流不平衡度；无需增加硬件成本，二次补偿方法不涉及复杂运算，整个有功均衡方法简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的交直交变换器的有功均衡方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的交直交变换器的有功均衡控制示意图；
图3是本发明实施例提供的交直交变换器的有功均衡方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的仿真示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例的交直交变换器的连接三相电网的结构示意图，电网接入交直交变换器，其中，电网中的A相和N相之间接入A相负载，B相和N相均接入B相负载，且与A相负载和B相负载均与交直交变换器连接，交直交变换器为PWM交直交变换器。
图2示出了图1实施例提供的控制示意图，结合图3示出了本发明实施例的交直交变换器的有功均衡方法的流程图，详述如下：
S1、通过锁相环对网侧电压相位和频率进行锁定；锁相的目标是网侧电压，只要变换器接入电网，便可锁相。负载是否接入不影响锁相。实际工况中，A相负载和B相负载随时接入或者切除。
S2、以网侧电压相位和频率为参考，对负载电流、补偿电流和网侧电流进行旋转坐标变换，得到负载电流、补偿电流和网侧电流的有功分量和无功分量；
其中，计算负载电流的公式为：
Figure BDA0002926236440000051
式(1)中，ilx是X相负载电流，ilx1是滞后于X相负载电流90度的虚拟电流，ilxd是X相负载电流有功分量，ilxq是X相负载电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位，将式(1)的二阶变换矩阵称为P矩阵。
计算网侧电流的公式为：
Figure BDA0002926236440000052
式(2)中，isx是X相网侧电流，isx1是滞后于X相网侧电流90度的虚拟电流，isxd是X相网侧电流有功分量，isxq是X相网侧电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位。
如图1可知，本实施例中，负载包括A相负载和B相负载，将A相负载电流、和B相负载，因此，A相负载电流ila通过式(1)计算得到A相负载电流无功分量ilaq、A相负载电流有功分量ilad；
A相补偿电流ica通过式(1)计算得到A相补偿电流有功分量icad和A相补偿电流无功分量icaq；
A相网侧电流isa通过式(1)计算得到A相网侧电流有功分量isad和A相网侧电流无功分量isaq；
B相负载电流ilb通过式(1)计算得到B相负载电流有功分量ilbd和B相负载电流无功分量ilbq；
B相补偿电流icb通过式(1)计算得到B相补偿电流有功分量icbd和B相补偿电流无功分量icbq；
B相网侧电流isb通过式(1)计算得到B相网侧电流有功分量isbd和B相网侧电流无功分量isbq。
S3、根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理，后经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值；具体包括以下步骤：
S31、根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理包括以下步骤：
判断网侧电流是否平衡，当网侧电流平衡时，A相补偿电流参考值有功分量icadref为B相负载电流有功分量ilbd的一半减去A相负载电流有功分量ilad的一半，即A相补偿电流参考值有功分量
Figure BDA0002926236440000061
A相补偿电流参考值无功分量icaqref为A相负载电流无功分量ilaq的相反数，即A相补偿电流参考值无功分量icaqref＝-ilaq；B相补偿电流参考值有功分量icbdref为A相负载电流有功分量ilad的一半减去B相负载电流有功分量ilbd的一半，即B相补偿电流参考值有功分量
Figure BDA0002926236440000062
B相补偿电流参考值icbqref无功分量为B相负载电流无功分量ilbq的相反数，即B相补偿电流参考值icbqref＝-ilbq；当网测电流不平衡时，上述补偿电流和负载电流的关系无法完全满足，即A相补偿电流和B相补偿电流无法完全补偿网侧不平衡电流，则A相网侧电流的有功、无功分量和B相网侧电流的有功、无功分量不相等，则重新进入步骤S31，继续判断网侧电流是否平衡。
S32、处理后的负载电流的有功分量和无功分量经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000063
式(3)中，icaref是A相补偿电流参考值，icaref1是滞后于A相补偿电流参考值90度的虚拟电流，将式(3)的二阶变换矩阵称为P-1矩阵；B相补偿电流参考值icbref同采用式(3)进行计算，从而得到A相和B相的补偿电流参考值。
S4、对补偿电流参考值和补偿电流进行交流PI运算，得到一次补偿的调制波；其中，PI运算是指比例积分运算，交流PI运算的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000071
式(4)中，νra1为A相的一次补偿的调制波，νrb1为B相的一次补偿的调制波；Kpa为A相一次补偿电流环的比例系数，Kia为A相一次补偿电流环的积分系数，Kpb为B相一次补偿电流环的比例系数，Kib为B相一次补偿电流环的积分系数，s为复频率。
S5、对网侧电流的有功分量和无功分量进行直流PI运算，后经过旋转坐标逆变换，得到二次补偿的调制波；其中，直流PI运算与旋转坐标逆运算的计算公式为：
Figure BDA0002926236440000072
式(5)中，νra2为A相的二次补偿的调制波，νrb2为B相的二次补偿的调制波；Kpa2为A相二次补偿电流环的比例系数，Kia2为A相二次补偿电流环的积分系数，s为复频率，isad为A相的网侧电流有功分量，isbd为B相的网侧电流有功分量。
S6、将一次补偿的调制波和二次补偿的调制波相加，后经过PWM调制得到变换器的控制信号。
图4示出了采用本发明进行仿真的前后结果示意图，图4中(a)图是补偿前的网测电流波形，(b)图是补偿后的网侧电流波形，可见，通过在在传统的补偿方法(一次补偿)基础上，加上网侧电流的有功闭环反馈(二次补偿)，能够显著降低三相电网电流不平衡度，而且本发明适用于信号延迟较大的情况，控制方法简单，无需增加硬件成本，增强控制系统的可靠性和稳定性。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过锁相环对网侧电压相位和频率进行锁定；
以所述网侧电压相位和频率为参考，对负载电流、补偿电流和网侧电流进行旋转坐标变换，得到负载电流、补偿电流和网侧电流的有功分量和无功分量；
根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理，后经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值；
对所述补偿电流参考值和补偿电流进行交流PI运算，得到一次补偿的调制波；
对所述网侧电流的有功分量和无功分量进行直流PI运算，后经过旋转坐标逆变换，得到二次补偿的调制波；
将所述一次补偿的调制波和二次补偿的调制波相加，后经过PWM调制得到变换器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，所述计算负载电流的公式为：
Figure FDA0002926236430000011
式(1)中，ilx是X相负载电流，ilx1是滞后于X相负载电流90度的虚拟电流，ilxd是X相负载电流有功分量，ilxq是X相负载电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位。
3.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，所述计算网侧电流的公式为：
Figure FDA0002926236430000012
式(2)中，isx是X相网侧电流，isx1是滞后于X相网侧电流90度的虚拟电流，isxd是X相网侧电流有功分量，isxq是X相网侧电流无功分量，ωxt是X相网侧电压的相位。
4.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，根据网侧电流的状态对负载电流的有功分量和无功分量进行处理包括以下步骤：
判断网侧电流是否平衡，当网侧电流平衡时，A相补偿电流参考值有功分量为B相负载电流有功分量的一半减去A相负载电流有功分量的一半；A相补偿电流参考值无功分量为A相负载电流无功分量的相反数；B相补偿电流参考值有功分量为A相负载电流有功分量的一半减去B相负载电流有功分量的一半；B相补偿电流参考值无功分量为B相负载电流无功分量的相反数；当网侧电流不平衡时，则继续判断网侧电流是否平衡。
5.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，处理后的负载电流的有功分量和无功分量经过旋转坐标逆变换，得到补偿电流参考值的计算公式为：
Figure FDA0002926236430000021
式(3)中，icaref是A相补偿电流参考值，icaref1是滞后于A相补偿电流参考值90度的虚拟电流；B相补偿电流参考值icbref同采用式(3)进行计算。
6.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，所述交流PI运算的计算公式为：
Figure FDA0002926236430000022
式(4)中，νra1为A相的一次补偿的调制波，νrb1为B相的一次补偿的调制波；Kpa为A相一次补偿电流环的比例系数，Kia为A相一次补偿电流环的积分系数，Kpb为B相一次补偿电流环的比例系数，Kib为B相一次补偿电流环的积分系数，s为复频率。
7.根据权利要求1所述的交直交变换器的有功均衡方法，其特征在于，所述直流PI运算与旋转坐标逆运算的计算公式为：
Figure FDA0002926236430000031
式(5)中，νra2为A相的二次补偿的调制波，νrb2为B相的二次补偿的调制波；Kpa2为A相二次补偿电流环的比例系数，Kia2为A相二次补偿电流环的积分系数，s为复频率，isad为A相的网侧电流有功分量，isbd为B相的网侧电流有功分量。
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