CN114069649A - 一种基于负序电流和零序电压注入的级联式svg的直流侧电压平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，属于电力电子及其控制技术领域。本发明首先将三相直流侧电压反馈值与平均值作差，然后经PI调节并进行Clark坐标变换得到三相功率偏差量，并计算注入负序电流与零序电压在三相中产生的功率偏差，使之与原有功率偏差相互抵消达到直流侧电压均衡，进而计算出所需注入负序电流与零序电压的表达式。当电网不平衡度较小时采用零序电压注入法，可维持相间电压均衡并补偿负序电流，电网不平衡度较大时采用负序电流注入法，在不平衡度较大时仍然可以维持相间电压均衡。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子及其控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法。
背景技术
电能是当今社会非常重要的一种能源，工业化与现代化的发展离不开电能，因此电能质量直接关系到国家的发展与人民的生活。随着工业化水平的不断进步，电力系统中用电设备的种类也在逐渐增多，各种感性、非线性与不平衡负载接入在电网中对电能质量带来不利的影响。为提高电力系统的功率因数，消除无功、负序等对电网的影响，无功功率的补偿成为当前研究的热点。静止无功发生器(SVG)作为一种无功功率补偿装置因其体积小、响应速度快、容易模块化、经济性好等显著优势而广泛应用于输电系统的补偿中。
受开关器件的耐压等级影响，目前大多数SVG都只能应用于低压供电系统，随着大容量电力电子负载的增多，需要提高SVG的电压等级与容量。目前多电平逆变技术在高电压、大容量方面得到了越来越广泛的应用，常见的有二极管钳位型多电平逆变器与级联H桥型多电平逆变器，因此可以将H桥多电平逆变技术应用于SVG来提高SVG的电压等级与容量。
在实际运行中，电网会存在不平衡的工况，级联H桥的直流电容相互独立，电网不平衡时使得三相级联模块能量交换不均衡，引起级联式SVG三相直流侧电压不平衡，严重时会使系统不能正常工作，直流侧电容电压平衡问题成为级联H桥型SVG设备控制技术的关键所在。
期刊《电力科学与工程》第34卷，第6期，第1-8页，提出了一种自适应PI控制方法维持级联SVG直流侧电压稳定，通过各相SVG直流侧的电压反馈值分别进行自适应PI控制，各相通过PI外环调节直流侧与电网之间有功功率的交换，使直流侧电容从电网充电或对电网放电达到直流侧电压均衡，并通过仿真与实验验证了方法的有效性。但该方法的不足在于：只考虑了电网平衡时直流侧电压均衡控制，未对电网电压发生不平衡时分相PI控制的补偿能力进行分析。
期刊《中国电机工程学报》第40卷，第9期，第2924-2932页，提出了一种改进型零序电压注入法来维持级联式H桥SVG三相直流侧电压均衡，该方法通过构造零序电压的虚拟正交分量得到零序电压在dq旋转坐标系下的表达式，分析了dq坐标系下零序电压与直流侧电压偏差之间的关系，得出在dq坐标系下，零序电压与直流侧电压偏差存在线性关系，进而对零序电压注入法的计算公式进行了简化。但此篇文章所提出的零序电压注入法只针对SVG补偿网侧正序无功电流的情况，并未考虑SVG补偿网侧负序电流的情况。当SVG补偿网侧负序电流时，零序电压注入法在不平衡度较大的工况下无法维持相间电压均衡。
期刊《中国电机工程学报》第32卷，第34期，第36-41页，提出了基于负序电流的SVG三相直流电压均衡的控制方式，通过注入负序电流使三相直流侧功率分配达到电压均衡，并给出了负序电流的计算公式，通过仿真和实验验证了所述方法的有效性与合理性。但此方法计算所需注入的负序电流计算公式复杂，式中包含大量的三角函数运算，并且额外注入负序电流会对电网产生影响。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对级联式SVG系统中电网不平衡等工况下，级联式SVG直流侧电压不能保持均衡的问题。本发明提出一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，首先三相直流侧电压反馈值与平均值作差，然后经PI调节并进行Clark坐标变换得到三相功率偏差量，并计算注入负序电流与零序电压在三相中产生的功率偏差，使之与原有功率偏差相互抵消达到直流侧电压均衡，进而计算出所需注入负序电流与零序电压的表达式。当电网不平衡度较小时采用零序电压注入法，可维持相间电压均衡并补偿负序电流，电网不平衡度较大时采用负序电流注入法，在不平衡度较大时仍然可以维持相间电压均衡。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一、根据级联式SVG三相各H桥直流侧电压计算三相直流电压均值Udc_av，将电压均值与电压给定值Uref比较后经PI调节作为正序有功电流给定值
获得电压外环；
步骤二、利用负载正序无功电流和步骤一中的正序有功电流给定值
来设计正序电流内环；
步骤三、计算级联式SVG两相静止坐标系下的功率偏差ΔPαβ；
步骤四、分别计算负序电流注入法所需注入的负序电流值，和零序电压注入法所需注入的电压；
步骤五、实时检测零序电压注入法下的调制度M，并根据调制度切换选择为负序电流注入法或零序电压注入法。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，当注入负序电流或零序电压时级联式SVG三相直流侧电压功率重新分配，从而维持三相相间电压的均衡，有效地解决了在电网电压不对称时级联式SVG直流侧各相电压不均衡的问题。
(2)本发明的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，通过采用坐标变换将三相之间的功率变化量与所需注入的三相负序电流量转化到两相静止坐标系下，从而很容易得出所需注入负序电流的幅值与初相位，简化了负序电流计算的公式，使控制方法容易实现，具有工程实际价值。
(3)本发明的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，在电网不平衡度较小时采用零序电压注入法维持相间电压均衡，此时可以补偿电网中含有的负序电流，在电网不平衡度较大时，实时检测零序电压注入法的调制度，出现过调制时切换至负序电流注入法，可有效避免在严重不平衡的情况下零序电压注入法无法维持相间电压均衡的问题。
附图说明
图1为本发明中三电平星接级联式SVG电路拓扑图；
图2为本发明中负序电流零序电压切换控制框图；
图3为本发明中负序电流与零序电压计算框图；
图4为本发明中基于零序电压注入时级联式SVG直流侧电压波形图；
图5为本发明中基于零序电压注入时网侧补偿后电流波形图；
图6为本发明中基于负序电流注入时级联式SVG直流侧电压波形图；
图7为本发明中基于负序电流注入时网侧补偿后电流波形图；
图8为本发明中负序电流与零序电压切换注入时级联式SVG直流侧电压波形图；
图9为本发明中负序电流与零序电压切换注入时网侧补偿后电流波形图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，在级联式SVG控制电路中设计新型控制系统，该系统采用负序电流注入与零序电压注入法相互切换的控制策略维持级联SVG相间电压均衡，包括直流侧总体电压外环，正序负序解耦电流内环，负序电流注入模块、零序电压注入模块和SPWM模块，并进行了综合设计，保证模块之间的协调运行。具体步骤为：
步骤一、三电平星形级联式SVG的主电路如图1所示，首先测量级联式SVG三相各H桥直流侧电压，并计算三相直流电压均值Udc_av，结合图2，将电压均值与电压给定值Uref经PI调节作为正序有功电流给定值
得到电压外环：
步骤二、设计正序电流内环：为补偿网侧的无功电流，正序电流内环的给定值分别为电压外环的输出值与负载电流中的正序无功分量。首先将三相负载侧的电流进行Park变换，在正向Park变换中，电流的正序分量会转化为直流量，负序分量转化为100Hz的交流分量，采用二阶陷波滤波器滤除100Hz分量可得到负载电流的正序有功分量与正序无功分量。其中Park变换的公式为：
滤除Park变换后电流q轴中的100Hz分量，得到负载电流中含有的正序无功分量
将其作为SVG正序无功电流给定值并加入前馈控制，得到SVG正序电流环表达式如下：
式中，icdp为SVG输出正序有功电流，icqp为SVG输出正序无功电流，ω为网侧电压的角频率，L为SVG与电网之间的电感值，edp、eqp分别为网侧电压的正序d轴、正序q轴分量。
同样，当采用零序电压注入法时，此时负序电流环给定值
为负载电流经反向Park变换并滤波后得到的负序电流d、q轴分量，加入前馈控制可得零序电压注入法下的SVG交流侧负序调制电压
和
表达式如下：
式中，icdn与icqn分别为SVG的负序dq轴电流，edn、eqn分别为网侧电压的负序dq轴分量。
步骤三、当电网存在不平衡时，电网电压中含有正序与负序分量，SVG的补偿电流中也含有正序与负序分量，则电压与电流的表达式为：
式中Up、Un分别为网侧正序、负序电压幅值，
为网侧负序电压初相位，Ip、In分别为补偿电流中的正序、负序电流幅值，θp、θn分别为补偿电流中的正序、负序电流初相位。
根据式(5)与式(6)可计算出补偿电流与电网电压之间产生的瞬时功率，对瞬时功率求一个周期均值可得到三相平均功率为：
式(7)中的三相平均功率包含三相相等的分量与三相不等的分量，由正序电压与负序电流、负序电压与正序电流之间相互作用产生的三相不等功率分量为：
因此可知，在电网电压与SVG补偿电流存在负序时，正序电压与负序电流、负序电压与正序电流相互作用会引起三相相间功率不均衡，所以会导致三相直流侧电压不平衡。考虑相间损耗差异等其它因素，因此可用三相直流侧电压与其均值作差，经PI调节后得到三相功率偏差ΔPabc：
由于三相功率差值之和为0，因此可对ΔPabc进行Clark变换得到两相静止坐标系下的功率偏差ΔPαβ，并进行化简可得：
步骤四、当采用负序电流注入法时，结合图3，负序电流的给定值为所需注入的负序电流值，假设注入负序电流的有效值与相位分别为In1与θn1，则注入三相负序电流指令值为：
则根据式(8)可知注入负序电流产生的功率变化为：
为简化负序电流的计算，将ΔPabcpn进行Clark变换，得到ΔPαβpn：
将注入负序电流引起的三相功率波动进行Clark变换并与原有三相功率偏差相互抵消，即可求出所需注入负序电流的有效值与相位：
由于PI控制器对交流量不能达到无静差控制，因此将所得负序电流经过-ωt的Park坐标变换得到负序电流的d轴与q轴分量，作为负序电流注入控制时SVG负序电流环的给定值
负序电流环经PI调节与前馈控制得到负序电流注入法下的SVG负序调制电压
和
当采用零序电压注入法时，结合图3，由步骤二的分析可知此时负序电流环给定值
为负载电流经反向Park变换得到的负序电流d、q轴分量。此时假设的注入零序电压为：
为简化零序电压计算公式，对ΔPabc0进行Clark变换可得：
则根据式(6)与式(15)可计算出注入零序电压产生的三相间功率差异为：
使注入零序电压产生的ΔPαβ抵消ΔPαβ，化简可得：
令
将式(18)代入式(15)可得零序电压注入的表达式为：
为对比负序电流注入法与零序电压注入法对不平衡功率的补偿能力，将负序电流等效到电压中，可得：
由于正序电流在电抗器上的电压降远小于网侧正序电压，即Up＞＞ωLIp，因此将式(20)与式(17)对比可知，负序电流注入法对不平衡的补偿能力相较于零序电压注入法要强的多，但是负序电流注入法会对电网电流注入额外的负序分量干扰电网。因此，在不平衡度较小时采用零序电压注入法可以补偿电网负序电流，在不平衡度较大时采用负序电流注入法可维持直流侧相间电压均衡。
步骤五、由于不平衡度增大时所需注入的零序电压增大，当所注入的零序电压过高时，受直流侧电压的影响，SVG无法输出足够大的电压，会产生过调制使得零序电压注入法无法继续维持相间电压均衡。因此需要在零序电压注入法无法维持相间电压均衡时切换至负序电流注入法。
实时检测零序电压注入法的调制波，当出现过调制时切换为负序电流注入法，判断条件为：
式中，uap、ubp、ucp为正序调制电压，uan、ubn0、ucn0为采用零序电压注入法时的负序调制电压，u0为注入的零序电压。
当M大于1时，出现过调制，此时切换为负序电流注入法，为防止系统在临界情况下反复切换，在此加入滞环比较，当调制度小于0.8时切换至零序电压注入法。通过切换控制方式可有效避免在不平衡度较小的情况下负序电流注入法对网侧电流产生干扰，在不平衡度较大时零序电压注入法无法维持相间电压均衡的问题。
本实施例的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法的设计过程通过Matlab/Simulink仿真平台进行了仿真验证。通过仿真验证了负序电流和零序电压注入切换可在电网或负载不平衡度较小的情况下采用零序电压注入法，在不平衡度较大时采用负序电流注入法维持相间电压均衡。仿真将零序电压注入法，负序电流注入法、零序电压与负序电流切换控制法的波形进行了对比分析，在仿真的0.4s时，电网C相电压跌落至原有的50％；在仿真的0.6s时，电网C相电压跳变为0；在0.8s时，负载A相突减为原有值的一半。在零序电压注入法下SVG直流侧电压仿真结果如图4所示，根据仿真波形图可以看出，零序电压注入法在不平衡度较小时可以维持相间电压均衡，但是在不平衡度较大时无法维持相间电压均衡，三相呈现发散状态。图5为基于零序电压注入法时，SVG补偿后网侧的电流，可见零序电压注入法下可以补偿网侧的正序无功电流与负序电流，补偿后的三相电流对称，但在不平衡严重的情况下，随着三相直流侧相间电压发散的程度增大，补偿电流终将失稳。图6为基于负序电流注入法时，SVG三相直流侧电压的仿真波形，可看出相较于零序电压注入法，负序电流注入法补偿直流侧不平衡的能力更强。图7为负序电流注入法补偿后的网侧电流波形，可以看出负序电流注入法在补偿相间直流侧电压均衡的同时却向电网注入了负序电流，网侧三相电流不对称，此时SVG只补偿网侧正序无功电流。图8为切换控制策略的直流侧电压波形，图9为补偿后的网侧电流波形，在0.6秒之前不平衡度较小时采用零序电压注入法，在0.6秒后不平衡度过大，检测出此时若采用零序电压注入则会产生过调制，故切换为负序电流注入法，可见该控制策略可维持直流侧电压均衡并在不平衡度较小时补偿网侧负序电流。
本实施例在传统的SVG控制的基础上，采用了负序电流与零序电压相互切换的控制策略。在网侧电压发生严重不对称或者缺相时，三相直流侧电压仍然可以维持均衡，从而克服了零序电压注入法在电网或负载不平衡度过大时无法维持相间电压均衡的问题，并且在不平衡度较小时，避免采用负序电流注入法向网侧注入额外负序电流。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一、根据级联式SVG三相各H桥直流侧电压计算三相直流电压均值Udc_av，将电压均值与电压给定值Uref比较后经PI调节作为正序有功电流给定值
获得电压外环；
步骤二、利用负载正序无功电流和步骤一中的正序有功电流给定值
来设计正序电流内环；
步骤三、计算级联式SVG两相静止坐标系下的功率偏差ΔPαβ；
步骤四、分别计算负序电流注入法所需注入的负序电流值，和零序电压注入法所需注入的电压；
步骤五、实时检测零序电压注入法下的调制度M，并根据调制度切换选择为负序电流注入法或零序电压注入法。
2.根据权利要求1所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，
所述的步骤二中，检测负载电流经Park旋转坐标变换后得到负载正序无功电流与负序电流，负载正序无功电流作为SVG正序无功电流给定值
与步骤一中的正序有功电流给定值
构成正序电流环，经调节得到输出
负序电流iLdn、iLqn作为零序电压注入法下的SVG负序电流给定
经调节得到输出
所述的步骤三中，将三相直流侧电压实测值与电压均值作差，经PI调节后得到各相功率偏差量ΔPabc，并对该偏差量进行Clark坐标变换得到ΔPαβ；
所述的步骤四中，根据步骤三获得的功率偏差量ΔPαβ计算出所需注入的负序电流in与零序电压u0，并将负序电流进行Park坐标变换后得到SVG负序电流环的给定值
与
并通过负序电流环调节得到基于负序电流注入法下的负序调制电压
与
3.根据权利要求2所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述的步骤一中，电压均值与给定值经PI调节后构成SVG的电压外环，将电压外环的输出作为SVG正序电流环的有功给定值
得到电压外环：
式中，Kpu、Kiu为电压外环PI控制器的比例、积分增益，
为积分环节，Uref为直流侧电压给定值，Udc_av为三相直流侧电压均值。
4.根据权利要求3所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤二中，负载电流经过ωt的Park变换后经二阶陷波滤波器滤波后得到正序电流iLdp与iLqp，变换公式为：
将iLqp作为SVG正序电流环的无功给定值
正序电流环对电流偏差进行PI调节和前馈控制可得到两个输出值
和
并将其作为SVG交流侧正序调制电压，即SVG正序电流环；
同样，负载电流经过-ωt的Park变换后经二阶陷波滤波器滤波后得到负序电流iLdn与iLqn，iLdn与iLqn作为零序电压注入时的负序电流环给定值
用于补偿网侧中的负序电流，负序电流环经PI调节与前馈控制得到零序电压注入法下的SVG交流侧负序调制电压
和
表达式如下：
其中，Kp、Ki为电流内环PI控制器的调节参数，icdp、icqp分别为SVG输出正序有功、无功电流，icdn与icqn分别为SVG的负序dq轴电流，ω为网侧电压的角频率，L为SVG与电网之间的电感值，edp、eqp分别为网侧电压的正序dq轴分量，edn、eqn分别为网侧电压的负序dq轴分量。
5.根据权利要求4所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述的步骤三中，不平衡工况下电网电压与SVG输出的补偿电流中含有正序、负序分量；此时电网电压为：
SVG输出补偿电流为：
式中Up、Un分别为网侧正序、负序电压幅值，
为网侧负序电压初相位，Ip、In分别为补偿电流中的正序、负序电流幅值，θp、θn分别为补偿电流中的正序、负序电流初相位；
根据式(5)与式(6)可计算出补偿电流与电网电压之间产生的瞬时功率，对瞬时功率求一个周期均值可得到三相平均功率为：
式(7)中的三相平均功率包含三相相等的分量与三相不等的分量，由正序电压与负序电流、负序电压与正序电流之间相互作用产生的三相不等功率分量为：
可见在不平衡工况下由于各相的功率不相等而导致直流侧电压不均衡，考虑相间损耗差异等其它因素，因此可用三相直流侧电压与其均值作差，经PI调节后得到三相功率偏差ΔPabc：
由于三相功率差值之和为0，因此可对ΔPabc进行Clark变换得到两相静止坐标系下的功率偏差ΔPαβ，并进行化简可得：
6.根据权利要求5所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤四中，对于负序电流注入法，SVG中输出的负序电流为此处注入的负序电流：
由式(8)可知负序电流在三相间引起的功率变化为：
为简化负序电流的计算，将ΔPabcpn进行Clark变换，得到ΔPαβpn：
使补偿功率与原有偏差功率相抵消，即可求出所需注入负序电流的有效值与相位：
将负序电流有效值与相位代入式(11)中，可得三相所需注入的负序电流表达式，由于PI控制器对交流量不能达到无静差控制，故将所得负序电流经-ωt的Park坐标变换得到负序电流的d轴与q轴分量，作为负序电流注入控制时SVG负序电流环的给定值
负序电流环经PI调节与前馈控制得到负序电流注入法下的SVG负序调制电压
和
7.根据权利要求6所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤四中，当采用零序电压注入法时，假设注入的零序电压为：
式中，U0为注入的零序电压有效值，
为注入零序电压的初相位；
则根据式(6)与式(15)可计算出注入零序电压产生的三相间功率差异为：
为简化零序电压计算公式，对ΔPabc0进行Clark变换可得：
使注入零序电压产生的ΔPαβ0抵消ΔPαβ，化简可得：
令
将式(18)代入式(15)可得零序电压注入的表达式为：
8.根据权利要求7所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤四中，为对比负序电流注入法与零序电压注入法对不平衡功率的补偿能力，将负序电流等效到电压中，可得：
由于正序电流在电抗器上的电压降远小于网侧正序电压，因此将式(17)与式(20)对比可知，负序电流注入法对不平衡的补偿能力相较于零序电压注入法要强的多，但是负序电流注入法会对电网电流注入额外的负序分量干扰电网；因此，在不平衡度较小时采用零序电压注入法可以补偿电网负序电流，在不平衡度较大时采用负序电流注入法可维持直流侧相间电压均衡。
9.根据权利要求8所述的一种基于负序电流和零序电压注入的级联式SVG的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于：所述步骤五中，由式(19)可知在不平衡度增大时采用零序电压注入法，所需注入的零序电压也会增大；实时检测零序电压的调制波，出现过调制时切换为负序电流注入法，判断条件为：
式中，uap、ubp、ucp为正序调制电压，uan0、ubn0、ucn0为采用零序电压注入法时的负序调制电压，u0为注入的零序电压；
当M大于1时，出现过调制，此时切换为负序电流注入法，为防止系统在临界情况下反复切换，在此加入滞环，当调制度小于0.8时切换回零序电压注入法。
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