CN113922394A - 重复pi双闭环控制方法及功率平衡系统 - Google Patents

重复pi双闭环控制方法及功率平衡系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种重复PI双闭环控制方法及功率平衡系统，属于配电网功率平衡技术领域；重复PI双闭环控制方法通过增加零线基波电流的计算，并在后续通过重复控制理论增加零线电流的控制，能够更加有效的平衡三相功率，更加有效的控制住因为三相功率不平衡而造成的零线电流过大问题，具有输出直流电压控制精度高、功率平衡效果好、系统可靠性高等突出优点；重复PI双闭环控制功率平衡系统通过增加零线的电压采样互感器和输出电流互感器，从而增加零线控制通道，而采用三相四桥臂变流器结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制。

Description

重复PI双闭环控制方法及功率平衡系统
技术领域
本发明涉及一种重复PI双闭环控制方法及功率平衡系统，属于配电网功率平衡技术领域。
背景技术
随着电网日益复杂、非线性和冲击性负载增加，配电网中无功功率、谐波、三相不平衡等问题越来越严重。目前市场上的三相电流平衡设备，特别是大功率三相有功平衡设备仍然以无源无功补偿装置为主，少部分对安装条件要求较高的采用有源电力滤波器和静止无功发生器。无源无功补偿装置本身有很大缺陷，不能达到最优化的不平衡补偿要求，因此需要发展有源电力电子技术的三相功率平衡系统。
三相功率平衡系统是一种用于动态无功补偿、滤除谐波、平衡三相负载的新型电力电子装置。该装置具有体积小、效率高、可靠性好的特点，主要应用于无功功率不平衡、电压质量低、线损严重的配电网中，通过动态补偿无功、平衡三相负载、滤除低次电流谐波，改善配电网电能质量、提高变压器的利用率、降低线损。三相功率平衡系统是随着现代电力电子技术发展起来的高科技装备，是电力系统三相电流不平衡、有功转移、无功补偿、谐波治理的最终和最优解决方案。随着电力电子技术的进步和生产规模的扩大，动态无功发生及三相功率平衡系统的成本逐渐下降，其巨大的技术优势、强大功能、更高的适应性、更简单的安装方式，必将最终取代无功补偿装置占据市场主流。
目前市场的功率平衡系统都是沿用了有源滤波器的拓扑结构，主要的拓扑结构有三种，一种是三相三线制拓扑，零线接在直流侧电容的中间点，这种拓扑结构可以实现三相四线的补偿功能，但是对直流侧电压的控制要求比较高，容易产生直流电容电压拉偏；一种是三单相构成的四线制拓扑结构，这种结构对零线的补偿能力有了很大的提高，功率平衡的调节能力优于第一种方式，但是这种拓扑多用了三组IGBT，因此硬件成本增加不少；第三种，就是三相四线制的8管拓扑结构，不仅减少了IGBT的使用，在拓扑结构上增加了零线电流控制的灵活性；不仅能够精准的控制输出直流电压，对补偿输出有很好的跟踪特性，补偿效果好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种重复PI双闭环控制方法及功率平衡系统，采用零线电流控制通道，更有效的解决有功功率平衡问题，是一种功能与成本双优选的功率平衡系统。
本发明所述的重复PI双闭环控制方法，包括：
获得三相系统电源电压的电压值的电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
将三相静态坐标系下三相负载电流进行COS和SIN序列经过park正反变换，得到三相负载基波电流，计算三相负载电流之和得到零线基波电流；
四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
通过增加零线基波电流的计算，并在后续通过重复控制理论增加零线电流的控制，能够更加有效的平衡三相功率，更加有效的控制住因为三相功率不平衡而造成的零线电流过大问题，具有输出直流电压控制精度高、功率平衡效果好、系统可靠性高等突出优点。
优选地，具体包括：
电压采样变换：采样三相系统电源电压的电压值，经过一个工频周期的锁存后，经过锁相环PLL得到电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
四相基波电流计算：采样三相负载电流，并根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波，再根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park反变换，得到三相负载基波电流，计算四相基波电流计算中的三相负载电流之和得到零线基波电流；
四相补偿目标电流计算：四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
内环电流控制输出目标值计算：采样四相输出电流，以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
重复控制目标值计算：根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
生成触发脉冲序列：将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
优选地，所述IGBT共四组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
优选地，所述将重复控制目标值通过回路电压定律计算的公式具体如下：
四组IGBT每个桥臂的开关函数如下：
Figure BDA0003312447560000031
式中：ka，kb，kc，kn表示四个桥臂的开关状态；
根据回路电压定律可得出，四个桥臂的回路电压方程如下：
Figure BDA0003312447560000032
式中：usa、usb、usc表示三相交流电源，ica、icb、icc为装置输出的补偿电流，ila、ilb、ilc、iln为非线性负载的电流，uca、ucb、ucc、ucn为逆变桥的输出电压，Udc为直流侧电容电压，C为直流侧电容值，L为电感值，R为电感等效的阻抗。
本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，
还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，
在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；
在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；
在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；
控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的驱动接口；负载侧穿接对负载电流ila、ilb、ilc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。
通过增加零线的电压采样互感器和输出电流互感器，从而增加零线控制通道，而采用三相四桥臂变流器结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制。
优选地，所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
采用8管四组IGBT拓扑结构，进一步的既增加了控制的稳定性，进一步的又增加了直流侧直流电压的稳定控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡方法，基于零线电流控制，通过增加零线电流的控制，能够更加有效的平衡三相功率，更加有效的控制住因为三相功率不平衡而造成的零线电流过大问题；具有输出直流电压控制精度高、功率平衡效果好、系统可靠性高等突出优点。
本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统，通过增加零线控制通道，而采用8管四组IGBT拓扑结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制；通过对零线电流的控制让功率平衡系统运行更加平稳，控制精度大大提高，电能质量的治理效果大大改善。
附图说明
图1为本发明所述的重复PI双闭环控制方法的流程图；
图2为本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统的结构示意图；
图3为本发明所述的三相四桥臂变流器的结构拓扑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明所述的重复PI双闭环控制方法，包括：
获得三相系统电源电压的电压值的电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
将三相静态坐标系下三相负载电流进行COS和SIN序列经过park正反变换，得到三相负载基波电流，计算三相负载电流之和得到零线基波电流；
四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
通过增加零线基波电流的计算，并在后续通过重复控制理论增加零线电流的控制，能够更加有效的平衡三相功率，更加有效的控制住因为三相功率不平衡而造成的零线电流过大问题，具有输出直流电压控制精度高、功率平衡效果好、系统可靠性高等突出优点。
具体的，包括如下步骤：
步骤S1、电压采样变换：采样三相系统电源电压的电压值，经过一个工频周期的锁存后，经过锁相环PLL得到电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
步骤S2、四相基波电流计算：采样三相负载电流，并根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波，再根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park反变换，得到三相负载基波电流；计算四相基波电流计算中的三相负载电流之和得到零线基波电流；
步骤S3、四相补偿目标电流计算：四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
步骤S4、内环电流控制输出目标值计算：采样四相输出电流，以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
步骤S5、重复控制目标值计算：根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
步骤S6、生成触发脉冲序列：将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
如图3所示，所述IGBT共四组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
在此，所述将重复控制目标值通过回路电压定律计算的公式具体如下：
四组IGBT每个桥臂的开关函数如下：
Figure BDA0003312447560000051
式中：ka，kb，kc，kn表示四个桥臂的开关状态；
根据回路电压定律可得出，四个桥臂的回路电压方程如下：
Figure BDA0003312447560000061
式中：usa、usb、usc表示三相交流电源，ica、icb、icc为装置输出的补偿电流，ila、ilb、ilc、iln为非线性负载的电流，uca、ucb、ucc、ucn为逆变桥的输出电压，Udc为直流侧电容电压，C为直流侧电容值，L为电感值，R为电感等效的阻抗。
实施例2
如图2和图3所示，本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，
在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；
在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；
在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；
控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的四组IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动接口；另外负载侧穿接对负载电流ila、ilb、ilc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。
通过增加零线的电压采样互感器和输出电流互感器，从而增加零线控制通道，而采用三相四桥臂变流器结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制。
在此，所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
具体的，如图2所示，一种重复PI双闭环控制功率平衡系统，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn、与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器；
在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；
在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；
在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；
控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的四组IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动接口；另外负载侧穿接对负载电流ila、ilb、ilc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。
如图3所示，一种三相四桥臂变流器，包括8只IGBT绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、两组直流电容器组C1、C2；
S1、S2串联成一组，其中点连接到A相电流ica输出电缆；S3、S4串联成一组，其中点连接到B相电流icb输出电缆；S5、S6串联成一组，其中点连接到C相电流icc输出电缆；S7、S8串联成一组，其中点连接到N相电流icb输出电缆；四组IGBT绝缘栅双极型晶体管并联，其直流侧连接到C1、C2串联的直流电容组的两端。
采用8管四组IGBT拓扑结构，进一步的既增加了控制的稳定性，进一步的又增加了直流侧直流电压的稳定控制。
本发明所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统，工作过程如下：
步骤1)、根据三相四桥臂的功率平衡装置的变流器结构，其内部共有8个IGBT绝缘栅双极型晶体管，组成四个桥臂，每个桥臂的开关管互补导通，假设每个桥臂的开关函数如下：
Figure BDA0003312447560000071
式中：ka，kb，kc，kn表示四个桥臂的开关状态；
步骤2)、根据基于三相四桥臂的功率平衡装置的系统拓扑结构，并根据回路电压定律可得出，四个桥臂的回路电压方程如下：
Figure BDA0003312447560000081
式中：usa、usb、usc表示三相交流电源，ica、icb、icc为装置输出的补偿电流，ila、ilb、ilc、iln为非线性负载的电流，uca、ucb、ucc、ucn为逆变桥的输出电压，Udc为直流侧电容电压，C为直流侧电容值，L为电感值，R为电感等效的阻抗；
步骤3)、将经过系统电压采样互感器检测三相系统电源电压usa、usb、usc的电压值，采样值的电压值为离散数值，经过一个工频周期的锁存后，采样值为一个周期的离散数据序列，经过锁相环PLL得到电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
步骤4)、通过负载电流采样互感器检测三相负载电流ila、ilb、ilc，并根据步骤3中的COS和SIN序列经过park变换，包括C32变换和C变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波(LPF)，再根据步骤3中的COS和SIN序列经过park反变换，得到三相负载基波电流，三相瞬时值电流之和就可以得到零线基波电流，四相的基波电流与实际负载电流相减，便得到四相补偿目标电流ica、icb、icc、icn；
步骤5)、通过输出电流采样互感器的Ta、Tb、Tc、Tn输出端到控制系统的输出电流采样电路，检测出四相输出电流，以四相补偿目标电流ica、icb、icc、icn为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
步骤6)、根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值ica、icb、icc、icn和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；将重复控制目标值通过步骤2计算，可得到四组IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列，经IGBT驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和关断，从而控制变流器输出达到补偿目标值。

Claims (6)

1.一种重复PI双闭环控制方法，其特征在于，包括：
获得三相系统电源电压的电压值的电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
将三相静态坐标系下三相负载电流进行COS和SIN序列经过park正反变换，得到三相负载基波电流，计算三相负载电流之和得到零线基波电流；
四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的重复PI双闭环控制方法，其特征在于，具体包括：
电压采样变换：采样三相系统电源电压的电压值，经过一个工频周期的锁存后，经过锁相环PLL得到电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；
四相基波电流计算：采样三相负载电流，并根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波，再根据电压采样变换中的COS和SIN序列经过park反变换，得到三相负载基波电流，计算四相基波电流计算中的三相负载电流之和得到零线基波电流；
四相补偿目标电流计算：四相的基波电流与四相基波电流计算中的三相负载电流相减，便得到四相补偿目标电流；
内环电流控制输出目标值计算：采样四相输出电流，以四相补偿目标电流为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；
重复控制目标值计算：根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；
生成触发脉冲序列：将重复控制目标值通过回路电压定律计算，可得到IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列。
3.根据权利要求1所述的重复PI双闭环控制方法，其特征在于，所述IGBT共四组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
4.根据权利要求3所述的重复PI双闭环控制方法，其特征在于，所述将重复控制目标值通过回路电压定律计算的公式具体如下：
四组IGBT每个桥臂的开关函数如下：
Figure FDA0003312447550000021
式中：ka，kb，kc，kn表示四个桥臂的开关状态；
根据回路电压定律可得出，四个桥臂的回路电压方程如下：
Figure FDA0003312447550000022
式中：usa、usb、usc表示三相交流电源，ica、icb、icc为装置输出的补偿电流，ila、ilb、ilc、iln为非线性负载的电流，uca、ucb、ucc、ucn为逆变桥的输出电压，Udc为直流侧电容电压，C为直流侧电容值，L为电感值，R为电感等效的阻抗。
5.一种应用权利要求1-4任一项所述的重复PI双闭环控制方法的重复PI双闭环控制功率平衡系统，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，其特征在于，
还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，
在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；
在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；
在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；
控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的驱动接口；负载侧穿接对负载电流ila、ilb、ilc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。
6.根据权利要求5所述的重复PI双闭环控制功率平衡系统，其特征在于：所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。
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