一种基于改进dq法的静止无功发生器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子设备控制，尤其涉及一种基于改进dq法的静止无功发生器及其控制方法。

背景技术：

1、随着我国经济社会持续发展，各行业对电能的需求日益提高，对电能质量也提出了更高要求。然而，配电网中大量感性设备的投入运行，消耗了系统中的容性无功功率，导致无功功率严重缺失，进而引发电压跌落、功率因数降低、线路网损增加等问题。近年来，随着各地产业升级转型，生产及生活用电负荷快速增长，感性设备的大量使用使得线路末端电压降落明显，系统网损居高不下，严重影响了电能的正常供给和利用效率。

2、低电压问题直接影响工业生产和居民用电。在工业场景中，电压波动将降低产品合格率，严重时甚至导致设备报废；在用电侧，电压偏低会使照明设备无法正常工作，部分家用电器产生谐波，影响电网的电能质量。当前，低电压问题已成为配电网运行中亟待解决的重要课题。

3、目前，配电网低电压治理的常用技术手段主要包括调节变压器分接头和安装无功补偿装置。调节变压器分接头的方式调节范围有限，难以适应无功功率的动态变化。在无功补偿方面，目前普遍采用并联电容器组进行补偿。电容器补偿方式结构简单、成本较低，但其局限性也十分突出：难以根据电网实际无功需求实现动态调节，在电网出现谐波时可能引发谐振击穿电容，造成电力事故。也有部分场合采用晶闸管控制电抗器进行无功补偿，但其补偿容量呈阶梯式变化，响应速度慢，且自身会产生谐波污染电网。

4、随着电力电子技术的发展，静止无功发生器（static var generator，svg）因其优越的动态补偿性能，成为无功补偿领域的重要研究方向。svg基于电压源型逆变器，通过调节输出电压的幅值和相位，可实现无功功率的连续、快速调节。在无功功率检测方面，基于瞬时无功功率理论的dq法因不受电压畸变影响、检测精度较高，被广泛应用于svg的指令电流提取。然而，现有dq法在锁相环环节存在检测延迟问题，导致无功补偿精度降低；同时，svg的电流内环控制中d轴与q轴分量存在强耦合，使得控制策略设计复杂。此外，电压外环控制中直流侧电压易受系统损耗影响而产生波动，影响装置稳定运行。在变流器调制方面，传统pwm调制策略开关损耗较大，尤其在频繁投切工况下系统可靠性降低。

5、针对上述svg在无功补偿中存在的检测延迟、控制耦合及开关损耗等问题，有必要对其控制策略和装置结构进行深入研究，开发一种补偿精度高、动态响应快、运行可靠的svg装置，以满足配电网无功补偿的实际工程需求。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种基于改进dq法的静止无功发生器及其控制方法，用于解决现有dq法因锁相环延迟导致无功检测精度低、电流内环d轴与q轴分量耦合导致控制策略复杂、以及直流侧电压易波动影响装置稳定运行的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于改进dq法的静止无功发生器的控制方法，包括：

3、获取配电网的三相电压信号和三相负载电流信号；

4、根据所述三相电压信号提取实时相位，利用所述实时相位对所述三相负载电流信号进行dq坐标变换，并对变换后的电流分量进行低通滤波，提取基波正序无功电流分量；

5、根据所述基波正序无功电流分量生成无功补偿指令电流；

6、根据直流侧电压实际值与给定参考值的偏差，生成有功电流调节量，将所述有功电流调节量叠加至所述无功补偿指令电流，得到综合指令电流；

7、对所述综合指令电流与实时反馈电流的偏差进行解耦控制，生成驱动信号控制变流器输出补偿电流。

8、优选地，所述根据所述三相电压信号提取实时相位，包括：

9、获取a相电压瞬时值，对所述a相电压瞬时值进行求导运算，根据所述a相电压瞬时值和所述a相电压导数计算与a相电压保持同步的实时相位：

10、，

11、其中，为a相电压瞬时值，为a相电压导数；

12、将所述实时相位替代锁相环输出相位，补偿检测相位误差。

13、优选地，所述利用所述实时相位对所述三相负载电流信号进行dq坐标变换，包括：

14、根据所述实时相位计算对应的正弦值和余弦值；

15、基于变换矩阵将三相负载电流信号从abc坐标系变换至dq旋转坐标系：

16、，

17、其中，、、为三相负载电流瞬时值，为d轴电流分量，为q轴电流分量，为变换矩阵。

18、优选地，所述对变换后的电流分量进行低通滤波，提取基波正序无功电流分量，包括：

19、将所述d轴电流分量和所述q轴电流分量分别经低通滤波器滤除高频交流分量，得到直流分量和；

20、将所述q轴电流分量的直流分量作为所述基波正序无功电流分量。

21、优选地，所述根据所述基波正序无功电流分量生成无功补偿指令电流，包括：

22、对所述基波正序无功电流分量进行坐标反变换，将其从dq坐标系变换至abc坐标系，得到三相无功补偿指令电流：

23、，

24、其中，、、为三相无功补偿指令电流。

25、优选地，所述根据直流侧电压实际值与给定参考值的偏差，生成有功电流调节量，包括：

26、将所述直流侧电压实际值与给定参考值的差值经比例积分控制调节，得到有功电流调节量：

27、，

28、其中，为比例系数，为积分系数。

29、优选地，所述对所述综合指令电流与实时反馈电流的偏差进行解耦控制，包括：

30、根据旋转坐标系下的svg数学模型，将d轴电压指令和q轴电压指令分别设置为：

31、，，

32、其中，、为电网电压在dq坐标系下的d轴分量和q轴分量，为电网角频率，为滤波电感值，、为d轴和q轴电流指令值，、为d轴和q轴电流反馈值，、、、为pi调节参数，以消除d轴与q轴之间的电流耦合影响。

33、本发明实施例还提供了一种基于改进dq法的静止无功发生器，包括：

34、采集模块，用于获取配电网的三相电压信号和三相负载电流信号；

35、控制器，与所述采集模块连接，被配置为执行如下步骤：根据所述三相电压信号提取实时相位，利用所述实时相位对所述三相负载电流信号进行dq坐标变换，并对变换后的电流分量进行低通滤波，提取基波正序无功电流分量；根据所述基波正序无功电流分量生成无功补偿指令电流；根据直流侧电压实际值与给定参考值的偏差生成有功电流调节量，将所述有功电流调节量叠加至所述无功补偿指令电流得到综合指令电流；对所述综合指令电流与实时反馈电流的偏差进行解耦控制，生成驱动信号；

36、功率模块，与所述控制器连接，用于根据所述驱动信号控制变流器中开关管的通断，向配电网输出补偿电流。

37、优选地，所述功率模块包括变流器、滤波电感和直流侧储能电容，所述变流器的交流侧经所述滤波电感接入配电网，所述直流侧储能电容并联于所述变流器的直流侧两端；所述变流器包括三相桥臂，每相桥臂由上桥臂开关管和下桥臂开关管串联构成。

38、优选地，所述采集模块包括信号采集单元和信号处理单元，所述信号采集单元用于采集所述三相电压信号和所述三相负载电流信号，所述信号处理单元用于对采集的信号进行滤波、放大及电平转换处理，并将处理后的信号输入至所述控制器。

39、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

40、第一，本发明采用改进dq法，通过对a相电压瞬时值进行求导运算，计算与电网电压保持同步的实时相位θ1替代传统锁相环输出相位，有效补偿了锁相环固有延迟引入的相位误差，使相位提取不受电压畸变或不平衡的影响，提高了无功电流检测的精度，进而提升了svg的无功补偿效果。仿真和实验结果表明，采用本发明控制策略后系统功率因数由0.8提高至0.94以上。

41、第二，本发明对电流内环实施解耦控制，通过在d轴和q轴电压指令中分别设置前馈补偿项消除d轴与q轴之间的电流耦合影响，使二者能够实现独立控制，降低了控制策略的设计复杂度，同时提高了电流跟踪精度和系统的动态响应速度。实验结果表明，在负荷突然变化的暂态工况下，本发明装置能够快速达到稳定状态。

42、第三，本发明在电压外环控制中引入直流侧电压闭环pi调节，将直流侧电压实际值与给定参考值的偏差经比例积分控制生成有功电流调节量，叠加至无功补偿指令电流中，使svg在补偿无功功率的同时从电网吸收少量有功功率以补偿装置自身损耗，有效维持了直流侧电压的恒定，避免了电压波动导致的补偿误差甚至系统崩溃，提高了装置运行的可靠性和稳定性。