CN113422367B - 高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，对混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压进行控制；利用电压电流双闭环控制，根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流作为参考电流，得到控制级联H桥单元和多电平单元所需的调制波。本发明提出的基于负序注入的相间电压控制，可以在负载和电压不平衡的工况下，使得相间直流侧电压仍能保持平衡，提高系统的稳定性和输出电流的电能质量。

Description

高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法
技术领域
本发明属于电力滤波器相间电压控制技术领域，具体涉及一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着电力电子技术的飞速发展，大量电力电子设备和非线性负载已广泛应用于工业和日常生活中，这不可避免地会带来谐波电流，从而使电流失真并降低电能质量。因此，有效补偿电网谐波对电网的高效稳定运行具有重要意义，高压电能净化装备经常被应用于电网，以保证电网的稳定运行。
与无源滤波器相比，有源电力滤波器(APF)可以快速跟踪并动态补偿不同幅度和频率的谐波。在现有的多电平APF中，中性点钳位拓扑，飞跨电容式拓扑和级联H桥拓扑是使用最广泛的传统多电平APF。其中，由于主电路设计简单，易于实现模块化，基于H桥级联的APF被广泛应用。
然而，基于H桥级联的APF需要大量的功率器件和直流电容器，拓扑成本较高且开关损耗较大。部分技术方案采用作为一种高压电能净化装备的混合式级联有源功率滤波器(HCAPF)来解决此问题，它由几个级联H桥单元和一个三相两电平单元组成。HCAPF对功率器件的需求量和对直流侧电容的要求降低，从而降低了成本和损耗。HCAPF的稳定运行需要相间直流侧电压保持平衡，目前针对HCAPF的相间电压控制基本为基于零序注入的控制策略。然而，由于HCAPF往往只需输出需补偿的谐波分量，输出的基波电压很小，此时零序电压调节能力有限。同时，HCAPF通常工作在负载和电压不平衡的工况条件下，这会导致三相的直流电压严重失衡。此时，如果使用零序电压来调整HCAPF每一相吸收的有功功率，会导致直流侧电压大范围波动，使得输出失真。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，本发明解决了由于HCAPF输出基波电压较小，导致基于零序注入法的相间电压控制策略调节能力受限的问题，可以在负载和电压不平衡的工况下，使得相间直流侧电压仍能保持平衡，提高系统的稳定性和输出电流的电能质量。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，包括以下步骤：
对混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压进行控制；
利用电压电流双闭环控制，根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流作为参考电流，得到控制级联H桥单元和多电平单元所需的调制波。
作为可选择的实施方式，混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压的四层控制包括电压外环控制，相间电压控制、相内电压控制和混合电压控制。
作为进一步的限定，所述相间电压控制过程包括：建立混合式级联有源功率滤波器的数学模型，分析影响混合式级联有源功率滤波器相间电压的因素，计算需要注入的负序电压，将其注入到调制波中，通过重新分配三相有功功率来实现混合式级联有源功率滤波器的相间电压平衡。
作为可选择的实施方式，利用电压电流双闭环控制的具体过程包括：将混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压与参考值做差，反馈到电压外环控制环节，作为电流内环的有功电流参考值；
根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流，经坐标转换后，与电压外环输出的有功电流参考值相加，经电流内环控制和坐标变换，得到调制波。
作为进一步的限定，所述坐标转换为abc/dq变换，得到dq轴下的谐波电流参考值。
作为可选择的实施方式，所述多电平单元包括三相两电平单元、中点钳位式多电平和T型多电平中的一种。
一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡系统，包括：
直流侧电压控制器，被配置为对混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压进行控制；
双闭环控制器，被配置为利用电压电流双闭环控制，根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流作为参考电流，得到控制级联H桥单元和多电平单元所需的调制波；
控制执行系统，被配置为按照所述调制波控制混合式级联有源功率滤波器相应的元件。
作为可选择的实施方式，所述控制执行系统包括保护电路、驱动电路、采样调理电路和控制电路，所述采样调理电路，用于采集混合式级联有源功率滤波器的信息，并传输给控制电路，所述控制电路与保护电路通信，以进行过流和过压保护，所述控制电路还连接驱动电路，所述控制电路的PWM信号经过驱动电路进行隔离放大后送到相应开关管的控制极，控制开关管的开通与关断。
作为进一步的限定，混合式级联有源功率滤波器的信息包括直流侧的电压、混合式级联有源功率滤波器的输出电流、负载电流和三相电网电压值。
作为进一步的限定，所述双闭环控制器包括电压外环控制器和电流内环控制器，所述电压外环控制器被配置为控制整个直流母线电压，电压采样信号和参考值做差后反馈到电压外环控制器中，输出作为电流内环的有功电流参考值；根据瞬时有功功率和无功功率理论计算谐波电流的参考值，并进行坐标转换，结合有功电流参考值，生成电流内环参考值；
所述电流内环控制器，被配置为根据电流内环参考值和混合式级联有源功率滤波器的输出电流采样值做差，进过转换后得到调制波。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明不用增加HCAPF的结构，功率器件少，拓扑成本和系统损耗低，可以实现高质量的谐波补偿。
传统零序控制策略中，HCAPF输出的基波分量往往较小，导致传统零序控制策略应用于HCAPF时的调节能力受限，本发明提出的基于负序注入的控制策略不受基波分量影响，具有更强的调节能力。
传统零序控制策略在不平衡工况的情况下会导致直流侧电压不平衡不稳定，本发明提出的方法基于负序电压注入，能够快速准确的保持相间直流侧电压平衡稳定。
本发明适用于HCAPF三相三线和三相四线系统，适用于不同工况，实用性强。三相两电平单元可改为中点钳位式、T型等多电平拓扑，该方法均可实现对相间电压的控制，应用场景广泛。
本发明可根据不同应用场景，选择不同的H桥数目，实现对不同电压等级的需求，而该方法不因H桥数目的改变而失效，可广泛应用于各种电压等级，均可实现对HCAPF相间电压的平衡控制，拓展性较好，实用性强。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本实施例的HCAPF拓扑结构图；
图2为本发明针对HCAPF系统的控制框图；
图3(a)-(d)为HCAPF的谐波补偿效果示意图；
图4(a)-(b)为基于负序注入的相间电压控制策略在不平衡电网下的稳态效果；
图5(a)-(d)为基于负序注入的相间电压控制策略的动态效果。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
由于基于H桥级联的APF需要大量的功率器件和直流电容器，拓扑成本较高且开关损耗较大。本文采用高压电能净化装备来解决此问题，在本实施例部分，以混合式级联有源功率滤波器(HCAPF)为代表来进行说明，它由几个级联H桥单元和一个三相两电平单元组成。HCAPF对功率器件的需求量和对直流侧电容的要求降低，从而降低了成本和损耗。但是传统基于零序注入的电压控制策略并不适用于HCAPF，由于输出电压的基波含量较少，且经常处于不平衡的工况中，此时的零序注入法调节能力有限且会影响相间电压稳定。为了有效控制HCAPF的相间电压平衡和稳定，本发明提出了一种基于负序电压注入的相间电压控制策略，通过注入负序电压来重新分配三相有功功率，实现相间电压平衡。
本发明在不增加成本、几乎不增加控制和调制难度的前提下，实现HCAPF相间电压稳定控制，保证其稳定运行，达到良好的谐波补偿效果。本发明改善了系统直流电压稳定性，提高了系统的效率和安全性。
图1为HCAPF拓扑结构图。以HCAPF的A相为例，包括以下部分：(1)N个相同的级联H桥单元，每个H桥单元包含四个开关管San1，San2，San3，San4；(2)在星型连接点处连结两电平单元，包含两个开关管ST1，ST2；(3)每个H桥单元一个直流侧电容Can，两电平单元共含有一个直流侧电容CT。每个开关管由控制系统中的控制器通过调理电路和驱动电路直接控制。HCAPF的输出端通过电感连接到非线性负载处进行谐波补偿，最终得到质量良好的并网电流。
所述控制系统包括保护电路、驱动电路、采样调理电路和控制电路，HCAPF的信号经过采样调理电路连接到控制器，所述控制器与保护电路通信，实现过流和过压保护，控制器连接驱动电路，控制器输出的PWM信号经过驱动电路的隔离放大送到开关管的控制极，控制开关管的开通与关断。
在实际应用中，可以根据电压等级的需要选择H桥的数量，适应不同电压等级的应用场合。此外，三相两电平单元可改为中点钳位式、T型等多电平拓扑，以适应不同场合的需求。HCAPF可以通过将三相H桥单元的直流侧中点和电网中点连接起来实现三相四线系统，本方法同样适用于三相四线系统，应用场景广泛。
所述采样调理电路采集与调理HCAPF直流侧的电压、HCAPF的输出电流，负载电流和三相电网电压值。
图2为本发明针对HCAPF系统的控制框图。
本文首先采用电压电流双闭环控制策略。电压外环采用比例积分(P I)控制器来控制整个直流母线电压，电压采样信号和参考值做差后反馈到电压外环控制器中，输出作为电流内环的有功电流参考值；此外，谐波电流的参考值(ihd，ihq)是根据瞬时有功功率和无功功率理论计算得出的，经abc/dq变换，得到dq轴下的谐波电流参考值，再与电压外环输出的有功电流参考值相加，作为电流内环参考值。
在电流内环中，采用P I控制器来精确跟踪参考电流。电流内环参考值和HCAPF的输出电流采样值做差后反馈到电流内环控制器中，经dq/abc反变换后，得到HCAPF的调制波。然后，将调制波mabc分为基波分量mF和谐波分量mH，分别作为级联H桥单元和两电平单元的参考电流。
进一步的，HCAPF的直流侧电压需要额外控制，包括相间电压控制、相内电压控制和混合电压控制。其中，相间电压控制采用本发明提出的基于负序注入的控制策略。首先采样HCAPF的直流电压，取每相的平均值与参考值做差后反馈到相间电压控制器，经提出的公式计算得到需要注入的负序电压，将其注入到调制波中后即可通过重新分配三相有功功率来实现HCAPF的相间电压平衡。
本发明提出的基于负序注入的相间电压控制具体如下所述：
如图2所示，设系统电压为：
Figure BDA0003154031680000091
其中，Up和Un分别为电压正序和负序分量的有效值；θ为负序电压和正序电压间的相位差。
由于HCAPF需要补偿高次谐波，因此流入HCAPF的电流可以表示为：
Figure BDA0003154031680000101
其中，Ixp和Ixn分别是电流正序和负序分量的有效值；φp和φn分别是正序电流和负序电流的初始相位角。
因此，每相的平均有功功率可以表示为：
Figure BDA0003154031680000102
其中，K为H桥单元和两电平单元的直流侧电压之比，N为级联H桥的数量。
将式(1)和式(2)带入式(3)中后，可以得到每相的平均功率模型：
Figure BDA0003154031680000103
因此，注入系统的总有功功率为：
Figure BDA0003154031680000104
式中1.15是由于两电平单元通过零序注入法将直流侧电压利用率提高到了1.15倍。
由式(4)可以看出，各相的有功功率由同序功率(SSP)和异序功率(DSP)组成，即Pk＝PkSSP+PkDSP。但是如式(5)所示，总有功功率仅由SSP决定，DSP只影响三相有功功率的分配，而不改变流入系统的总有功功率。因此，只有通过调整DSP来对每相进行有功功率再分配，才能平衡三相相间的直流电压。
由于式(4)中每相的DSP之和为0，所以三相不是相互独立的。因此，只要根据任意两相的功率差来调整负序电压的幅值和相位，就可以保证第三相的功率满足要求。根据式(4)中A相和B相的DSP可以求得负序分量为：
Figure BDA0003154031680000111
将式(6)代入式(2)中，可得负序电流参考值，如式(7)所示。
Figure BDA0003154031680000112
其中，
Figure BDA0003154031680000113
如图1所示，可以进一步求出调节相间电压所需的负序电压，如式(8)所示。
Figure BDA0003154031680000121
然后将负序电压叠加在电压电流双闭环控制提供的参考基波电流(mF)上，从而调整三相的有功功率，实现相间电压平衡。
最后，分别进行相内电压控制和混合控制来实现每个级联H桥的直流电压平衡和两个单元间的电压平衡。如图2所示，相内电压控制选择每个H桥单元的直流侧电压作为被控量，与给定的参考电压做差，经P I控制器后将输出信号叠加到调制波中。混合控制分别将级联H桥单元的直流侧电压平均值和两电平单元的直流侧电压与参考值做比较，同样分别经P I控制器后通过将输出信号叠加到调制波中。两个调制波分别经PWM后控制开关管的状态，实现系统的控制目标。
图3(a)和(b)为补偿前的电网电流和经傅里叶分析后得到的总谐波失真(THD)，可见未经补偿的电流受谐波干扰严重，THD为25.38％；经HCAPF补偿后，电流得到补偿，电能质量提高，THD降为1.35％，如图3(c)和(d)所示。
图4(a)-(b)为基于负序注入的相间电压控制策略在不平衡电网下的稳态效果。此时HCAPF处于图4(a)中不平衡的电网电压的工况下。从(b)中可以看出，由于不平衡的三相电网电压，HCAPF三相级联H桥单元的直流侧电压不能保持平衡，而当应用提出的控制策略后，三相电压迅速变为平衡。
图5(a)-(d)为基于负序注入的相间电压控制策略的动态效果。从(a)到(c)依次为负载电流、电网电流、三相两电平单元的直流侧电压和三相H桥单元的直流侧电压。从图中可以看出，当负载突变时，电网电流基本不受影响，仍然可以保持良好的电网电流。同时，提出的直流电压控制方法可以使得三相两电平单元和三相H桥单元的直流电压在负载突变时波动较小，且很快恢复平衡。
因此，采用本发明方法基于负序电压注入，能够实现HCAPF的相间电压稳定，解决了零序注入法受基波电压的限制，不受不平衡的工况影响，从而保证HCAPF能够在各种工况下保持高效的谐波电流补偿能力电流。本发明在不增加成本的前提下，提高了HCAPF的直流侧电压稳定性，提高了系统的安全性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，其特征是：包括以下步骤：
对混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压进行控制；混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压的控制包括电压外环控制、相间电压控制、相内电压控制和混合电压控制；
所述相间电压控制过程包括：建立混合式级联有源功率滤波器的数学模型，分析影响混合式级联有源功率滤波器相间电压的因素，计算需要注入的负序电压，将其注入到调制波中，通过重新分配三相有功功率来实现混合式级联有源功率滤波器的相间电压平衡；
每相的平均有功功率表示为：
Figure FDA0003693144540000011
其中，K为H桥单元和两电平单元的直流侧电压之比，N为级联H桥的数量；
将系统电压和流入HCAPF的电流带入每相的平均有功功率表达式中，得到每相的平均功率模型：
Figure FDA0003693144540000012
其中，Up和Un分别为电压正序和负序分量的有效值；θ为负序电压和正序电压间的相位差，
Figure FDA0003693144540000013
和
Figure FDA0003693144540000014
分别是正序电流和负序电流的初始相位角；
注入系统的总有功功率为：
Figure FDA0003693144540000021
式中1.15是由于两电平单元通过零序注入法将直流侧电压利用率提高到了1.15倍；
各相的有功功率由同序功率SSP和异序功率DSP组成，即Pk＝PkSSP+PkDSP；总有功功率仅由SSP决定，DSP只影响三相有功功率的分配，而不改变流入系统的总有功功率；
利用电压电流双闭环控制，根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流作为参考电流，得到控制级联H桥单元和多电平单元所需的调制波。
2.如权利要求1所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，其特征是：利用电压电流双闭环控制的具体过程包括：将混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压与参考值做差，反馈到电压外环控制环节，作为电流内环的有功电流参考值；
根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流，经坐标转换后，与电压外环输出的有功电流参考值相加，经电流内环控制和坐标变换，得到调制波。
3.如权利要求2所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，其特征是：所述坐标转换为abc/dq变换，得到dq轴下的谐波电流参考值。
4.如权利要求1所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡方法，其特征是：所述多电平单元包括三相两电平单元、中点钳位式多电平和T型多电平中的一种。
5.一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡系统，其特征是：包括：
直流侧电压控制器，被配置为对混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压的控制进行控制；混合式级联有源功率滤波器的直流侧电压的控制包括电压外环控制、相间电压控制、相内电压控制和混合电压控制；
所述相间电压控制过程包括：建立混合式级联有源功率滤波器的数学模型，分析影响混合式级联有源功率滤波器相间电压的因素，计算需要注入的负序电压，将其注入到调制波中，通过重新分配三相有功功率来实现混合式级联有源功率滤波器的相间电压平衡；
每相的平均有功功率表示为：
Figure FDA0003693144540000031
其中，K为H桥单元和两电平单元的直流侧电压之比，N为级联H桥的数量；
将系统电压和流入HCAPF的电流带入每相的平均有功功率表达式中，得到每相的平均功率模型：
Figure FDA0003693144540000041
其中，Up和Un分别为电压正序和负序分量的有效值；θ为负序电压和正序电压间的相位差，
Figure FDA0003693144540000042
和
Figure FDA0003693144540000043
分别是正序电流和负序电流的初始相位角；
注入系统的总有功功率为：
Figure FDA0003693144540000044
式中1.15是由于两电平单元通过零序注入法将直流侧电压利用率提高到了1.15倍；
各相的有功功率由同序功率SSP和异序功率DSP组成，即Pk＝PkSSP+PkDSP；总有功功率仅由SSP决定，DSP只影响三相有功功率的分配，而不改变流入系统的总有功功率；
双闭环控制器，被配置为利用电压电流双闭环控制，根据瞬时无功理论，计算需要补偿的谐波电流作为参考电流，得到控制级联H桥单元和多电平单元所需的调制波；
控制执行系统，被配置为按照所述调制波控制混合式级联有源功率滤波器相应的元件。
6.如权利要求5所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡系统，其特征是：所述控制执行系统包括保护电路、驱动电路、采样调理电路和控制电路，所述采样调理电路，用于采集混合式级联有源功率滤波器的信息，并传输给控制电路，所述控制电路与保护电路通信，以进行过流和过压保护，所述控制电路还连接驱动电路，所述控制电路的PWM信号经过驱动电路进行隔离放大后送到相应开关管的控制极，控制开关管的开通与关断。
7.如权利要求6所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡系统，其特征是：混合式级联有源功率滤波器的信息包括直流侧的电压、混合式级联有源功率滤波器的输出电流、负载电流和三相电网电压值。
8.如权利要求6所述的一种高压电能净化装备的负序电压注入四层电容电压均衡系统，其特征是：所述双闭环控制器包括电压外环控制器和电流内环控制器，所述电压外环控制器被配置为控制整个直流母线电压，电压采样信号和参考值做差后反馈到电压外环控制器中，输出作为电流内环的有功电流参考值；根据瞬时有功功率和无功功率理论计算谐波电流的参考值，并进行坐标转换，结合有功电流参考值，生成电流内环参考值；
所述电流内环控制器，被配置为根据电流内环参考值和混合式级联有源功率滤波器的输出电流采样值做差，经过转换后得到调制波。
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