一种H桥级联式配电网静止同步补偿器的控制方法

一种h桥级联式配电网静止同步补偿器的控制方法
技术领域
1.本发明属于补偿器设备技术领域，尤其是一种h桥级联式配电网静止同步补偿器。


背景技术：

2.随着国民经济的快速发展，电能成为了人类正常工作生活不可或缺的物质基础，而伴随着科技水平的高速发展，越来越多的电子设备，尤其是一些高精密度电子设备对电能质量的要求很高，电能质量问题逐步成为了人们关注的焦点。
3.配电网处于电力系统的终端，是与电力用户直接相连的终端电网，其电能质量的高低直接影响到居民生活用电及企业生产用电。然而，配电系统中接入了大量的非线性负荷，包括电力电子变流器、高频电弧炉、电气化铁路等，这些非线性负荷具有功率因数低、启动电流大、容易导致三相不平衡等特点，造成配电网电能质量严重下降。另一方面，配电网中运行的配电变压器等设备，会消耗无功功率，无功功率的增加对电力系统造成了额外的负担，不仅增大了配网系统设备容量，而且会导致功率因数下降等。
4.针对上述问题，中国专利授权号：cn106849126b，名称为：一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置及控制方法，公开了一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置及控制方法,其具体实现可由预充电路、控制模块、功率模块、保护模块及人机交互界面构成。中国专利授权号：cn106549400b，名称为：一种基于电压预测的配电静止同步补偿器的控制方法，该方法首先建立dstatcom的单相等效电路，然后利用二阶拉格朗日插值法来计算(k 2)时刻电流参考值及电网电压采样值,通过预测参考电流及周期平均误差得到下一拍输出电流，最后通过对上述三个量的预测得到下一拍预测参考电压矢量。然而，上述两种方法只能应用于小功率场所，在高压、大功率场所并不适用。
5.十九世纪八十年代，欧洲科学家首次提出柔性配电技术，其根据用户对电能质量的要求，提出采用dvr、dstatcom、ups等设备，实现对电力系统中的谐波、三相不平衡、无功功率等抑制和补偿，从而提高电力系统中的电能质量问题。其中dstatcom能够同时对配电网中的谐波电流和无功功率进行补偿，能够解决配电网中的大部分电能质量问题，得到了广泛应用。随着配电网负荷的变大，对dstatcom容量提出了新要求，而h桥级联型dstatcom易于模块化、数字化实现等优点，在实际工业生产中广泛应用。因此对h桥级联型dstatcom进行研究具有重要的理论意义和实用价值。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种h桥级联式配电网静止同步补偿器的控制方法，能够解决随着非线性负载及电力电子设备的大量接入，配电网中的谐波和无功功率等电能质量问题。
7.本发明所采用的技术方案如下：
8.一种h桥级联式配电网静止同步补偿器的控制方法，包括如下步骤：
9.s1、基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器的拓扑结构，分别建立h桥级联型式
配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系、αβ两相静止坐标系、dq两相同步旋转坐标系下的数学模型；
10.s2、针对h桥级联型式配电网静止同步补偿器，设计基于参考矢量移相叠加空间矢量调制方法；
11.s3、对h桥级联型式配电网静止同步补偿器的交流侧采用功率解耦控制；对h桥级联型式配电网静止同步补偿器的直流侧电容电压进行平衡控制。
12.进一步，h桥级联型式配电网静止同步补偿器a、b、c三相对应着相同的拓扑结构；每一相的拓扑结构均由n个h桥单元级联得到。
13.进一步，每个h桥单元的前端均并联一个直流侧电容c；在同一相的拓扑结构中，首个h桥单元的输入端连接l、r，n个h桥单元之间依次串联；a、b、c三相的第n个h桥单元的输出相互连接。
14.进一步，基于h桥级联式dstatcom拓扑结构，建立h桥级联型式配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系的数学模型；所述数学模型表示为：
[0015][0016]
其中，l代表等效电感，r代表等效电阻，t为时间变量，n为每相的拓扑结构中h桥单元的个数；v
dc
为基本电平；ea,eb,ec分别代表dstatcom接入点a、b、c三相电网的反电动势，v
ca
,v
cb
,v
cc
分别代表dstatcom逆变器a、b、c三相输出电压，i
ca
,i
cb
,i
cc
分别代表输入至dstatcom的a、b、c三相电流，c是电容；
[0017]
进一步，基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系，通过坐标变换获得αβ两相静止坐标系下的数学模型，表示为：
[0018][0019]
其中，e
α
、e
β
分别为α、β相的反电动势，i
cα
、i
cβ
分别为α、β相电流，v
cα
、v
cβ
分别为α、β相电压。
[0020]
进一步，基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器在αβ两相静止坐标系下的数学模型，通过矩阵变换得到dq两相同步旋转坐标系下的数学模型，表示为：
[0021][0022]
其中，ed、eq分别是dq坐标系中的反电动势；v
cd
、v
cq
分别是dq坐标系中电压，i
cd
、i
cq
分别是dq坐标系中电流；ωs为电源电角频率；
[0023]
进一步，参考矢量移相叠加空间矢量调制方法为：
[0024]
基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器的三相电压va、vb、vc，定义电网电压的空间电压矢量：
[0025][0026]
其中，常数α＝e
j2π/3
，j为虚数符号；
[0027]
定义开关函数sa，sb，sc，则三相电压va、vb、vc分别表示为：
[0028]
va＝v
dc
·
sa，vb＝v
dc
·
sb，vc＝v
dc
·
sc[0029]
进一步得电压空间矢量如下式所示：
[0030][0031]
当采用空间矢量脉宽调制技术(svpwm)调制过程中，采用伏秒平衡原理，对于目标参考电压合成指令满足如下关系式：
[0032][0033]
上式中t1，t2，t3分别为v1，v2，v3矢量对应的作用时间，ts代表svpwm采样周期，v
ref
为基准电压；根据上式即可推导出各个基矢量的作用时间，然后根据矢量与开关状态之间的对应关系即可得到脉冲输出系列波形；最后确定开关状态序列和对应的占空比。
[0034]
进一步，功率解耦控制方法：
[0035]
对h桥级联型式配电网静止同步补偿器dq坐标系的数学模型作拉氏变换，得到：
[0036][0037]
其中，s是复频率符号，i
cd
(s)、i
cq
(s)分别是拉氏变换后的d，q轴输入电流；ed(s)、eq(s)分别是拉氏变换后的d，q轴感应电动势；v
cd
、v
cq
分别是拉氏变换后的d，q轴输出电压；
[0038]
引入中间变量δvd(s)和δvq(s)，得：
[0039][0040]
采用pi控制器，得如下关系式：
[0041][0042]
式中，k
dp
、k
di
、k
qp
、k
qi
分别代表dq轴pi控制器的比例和积分系数；i
cd*
、i
cq*
分别代表d、q轴电流分量的给定值；
[0043]
分别计算d、q轴电流环开环传递函数k
op
(s)，对电流环开环传递函数k
op
(s)依据零极点对消原则处理后，得到电流环闭环传递函数，最终计算得出d、q轴电流环pi调节器参数。
[0044]
进一步，通过对h桥级联型dstatcom直流侧电容电压进行总体、相间、相内三层平衡控制实现其直流侧电容电压的平衡；对有功电流给定值调节，从而对总体电容电压平衡控制；对每一相的调制信号进行控制，从而实现对各相有功功率的平衡调节；对单个h桥单元控制，使单个h桥单元电压与所在相的平均电容电压相同，实现相内平衡控制。
[0045]
本发明的有益效果：
[0046]
1.本发明所设计的h桥级联型dstatcom具有易于模块化、数字化实现等优点，且dstatcom调节速度快，可靠性高、体积小，装置本身输出谐波含量低，成为了配电网无功功率补偿和谐波抑制研究的热点，可适用于高压、大功率等场合。
[0047]
2.本文则通过对h桥级联型dstatcom直流侧电容电压进行总体、相间、相内三层平衡控制实现其直流侧电容电压的平衡。本发明控制dstatcom自身能量平衡，补偿系统整体从电网中吸收的有功功率；控制各级联单元间有功交换，使单元间电容电压平衡。
附图说明
[0048]
图1是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的h桥单元结构示意图；
[0049]
图2是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的等效拓扑结构示意图；
[0050]
图3是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的系统模型示意图；
[0051]
图4是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的电流解耦控制模型示意图；
[0052]
图5是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的前馈解耦控制结构示意图；
[0053]
图6是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的相间平衡控制框图；
[0054]
图7是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器的相内平衡控制框图；
[0055]
图8是本发明h桥级联型式配电网静止同步补偿器直流侧电容电压平衡控制框图；
[0056]
图9是本发明的空间矢量调制脉冲序列波形。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058]
一种h桥级联式配电网静止同步补偿器的控制方法，包括如下步骤：
[0059]
s1、基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器的拓扑结构，分别建立h桥级联型式配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系、αβ两相静止坐标系、dq两相同步旋转坐标系下的数学模型。
[0060]
1、h桥级联型式配电网静止同步补偿器的拓扑结构
[0061]
h桥级联型式配电网静止同步补偿器的基本单元是h桥单元，h桥单元包括4个开关元器件(例如s
1-4
的mos-fet)构成“h”型电路；其中，c、v
dc
、i
dc
、vo、io分别代表h桥单元直流侧母线电容、母线电容两端电压、放电电流、h桥单元输出电压、h桥单元输出电流。
[0062]
基于上述h桥单元，本技术构建了如图2所示的h桥级联型式配电网静止同步补偿器的拓扑结构，该h桥级联型式配电网静止同步补偿器a、b、c三相对应着相同的拓扑结构，每一相的拓扑结构均由n个h桥单元级联得到，具体地，每个h桥单元的前端均并联一个直流侧电容c；在同一相的拓扑结构中，首个h桥单元的输入端连接l、r，n个h桥单元之间依次串
联；a、b、c三相的第n个h桥单元的输出相互连接。
[0063]
图1中各字符的含义如下，ea,eb,ec分别代表dstatcom接入点a、b、c三相电网的反电动势，v
ca
,v
cb
,v
cc
分别代表dstatcom逆变器a、b、c三相输出电压，i
ca
,i
cb
,i
cc
分别代表输入至dstatcom的a、b、c三相电流，l代表等效电感，r代表等效电阻，c
ai
、c
bi
、c
ci
分别代表a、b、c三相的拓扑结构中第i个h桥单元直流侧电容，i＝1、2、
…
、n；v
dcai
、v
dcbi
、v
dcci
分别代表a、b、c三相的拓扑结构中第i个h桥单元电容电压，i＝1、2、
…
、n。
[0064]
2、h桥级联型式配电网静止同步补偿器的数学模型
[0065]
2.1、基于h桥级联式dstatcom拓扑结构，建立h桥级联型式配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系的数学模型，具体如下：
[0066]
由kvl定律构建dstatcom在三相abc静止坐标系中的电压方程如下式：
[0067][0068]
h桥级联型式配电网静止同步补偿器中等效电阻损耗表现为直流侧电容电压变化，因此可得如下所示关系式：
[0069][0070]
其中，t为时间变量，n为每相的拓扑结构中h桥单元的个数；v
dc
为基本电平；
[0071]
结合(1)(2)两式可构建dstatcom数学模型如下式所示。
[0072][0073]
2.2、基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器在三相abc静止坐标系，通过坐标变换获得αβ两相静止坐标系下的数学模型。
[0074]
设电力系统一侧电压、电流空间矢量如下式所示：
[0075][0076]
其中，es为电力系统一侧电压，is为电力系统一侧电流；α为一常数；
[0077]
则abc静止坐标系到αβ两相静止坐标系之间的变换关系如下式所示。
[0078][0079]
在abc静止坐标系中的电压方程进行矩阵c
3s/2s
变换，可得dstatcom在αβ两相静止坐标系下数学模型如下式所示：
[0080][0081]
其中，e
α
、e
β
分别为α、β相的反电动势，i
cα
为α相电流，i
cβ
为β相电流，v
cα
为α相电压，v
cβ
为β相电压，
[0082]
2.3、基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器在αβ两相静止坐标系下的数学模型，通过矩阵变换得到dq两相同步旋转坐标系下的数学模型。
[0083]
将d轴定位于电网电压合成空间矢量方向，初始位置重合于a轴，则可得αβ坐标系向dq坐标系的变换矩阵c
2s/2r
如下式所示。
[0084][0085]
其中，ωs为电源电角频率；
[0086]
αβ坐标系变量与dq坐标系中变量变换关系如下
[0087][0088]
其中，ed、eq分别是dq坐标系中的反电动势；v
cd
、v
cq
分别是dq坐标系中电压，i
cd
、i
cq
分别是dq坐标系中电流；
[0089]
对dstatcom在αβ坐标系下数学模型按照式(8)进行矩阵变换，可得下式：
[0090][0091]
而
[0092][0093]
合并以上两式可得：
[0094][0095]
上式即为dstatcom在dq坐标系中数学模型。
[0096]
s2、针对h桥级联型式配电网静止同步补偿器，设计基于参考矢量移相叠加空间矢
量调制方法；
[0097]
假设电网电压为理想的正弦波电压，其表达式如下式所示。
[0098][0099]
其中，vm为电压幅值；ωs为电源电角频率；va、vb、vc分别为h桥级联型dstatcom的abc三相的电压。
[0100]
定义电网电压的空间电压矢量如下式
[0101][0102]
其中，j为虚数符号。
[0103]
联立(12)(13)可得：
[0104][0105]
定义开关函数sa，sb，sc，其分别代表abc三相各桥臂输出状态，则abc三相每相的电压计算公式如下式所示。
[0106]
va＝v
dc
·
sa，vb＝v
dc
·
sb，vc＝v
dc
·
scꢀꢀꢀ
(15)
[0107]
式中，这里x为a，b或c。
[0108]
进一步可得输出的电压空间矢量如下式所示：
[0109][0110]
把(15)(16)两式合并，可以得到输出的8个基本空间矢量，其中零矢量有2个。当采用空间矢量脉宽调制技术(svpwm)调制过程中，采用伏秒平衡原理，对于目标参考电压合成指令满足如下关系式：
[0111][0112]
上式中t1，t2，t3分别为v1，v2，v3矢量对应的作用时间，ts代表svpwm采样周期，v
ref
为基准电压。根据上式即可推导出各个基矢量的作用时间，然后根据矢量与开关状态之间的对应关系即可得到脉冲输出系列波形如图9。最后确定开关状态序列和对应的占空比。
[0113]
s3、对h桥级联型式配电网静止同步补偿器的交流侧采用功率解耦控制；对h桥级联型式配电网静止同步补偿器的直流侧电容电压进行平衡控制，具体控制方法如下：
[0114]
s3.1、功率解耦控制方法
[0115]
基于h桥级联型式配电网静止同步补偿器dq坐标系的数学模型：
[0116][0117]
其中，i
cd
、i
cq
分别是dq轴上的电流，ed、eq分别是dq轴上输入的反电动势，v
cd
、v
cq
分别是dq轴上输出电压，ωs是电源电角频率。
[0118]
对式(18)等号两侧同时作拉氏变换，可得下式。
[0119][0120]
其中，s是复频率符号，i
cd
(s)、i
cq
(s)分别是拉氏变换后的d，q轴输入电流；ed(s)、eq(s)分别是拉氏变换后的d，q轴感应电动势；v
cd
、v
cq
分别是拉氏变换后的d，q轴输出电压；
[0121]
根据式(19)可得h桥级联型dstatcom系统模型如图3所示；基于图3所示的系统模型，对h桥级联型dstatcom逆变器输出电压v
cd
、v
cq
进行控制，即可控制dstatcom交流侧电流有功电流i
cd
、无功电流i
cq
，从而改变dstatcom与电网之间的功率和交换。然而，电抗l使得i
cd
和i
cq
间存在耦合项ωli
cq
和ωli
cd
，导致i
cd
和i
cq
相互影响，难以实现二者的独立控制。为此，需要引入前馈解耦控制，实现i
cd
和i
cq
之间的解耦。
[0122]
引入中间变量δvd(s)和δvq(s)，根据式(13)可得：
[0123][0124]
合并(19)(20)两式，可得δvd(s)和δvq(s)计算式
[0125][0126]
采用pi控制器，可得如下关系式：
[0127][0128]
式中，k
dp
、k
di
、k
qp
、k
qi
分别代表dq轴pi控制器的比例和积分系数；i
cd*
、i
cq*
分别代表d、q轴电流分量的给定值。引入前馈解耦后，进一步可得h桥级联型dstatcom电流解耦控制模型，如图4所示。
[0129]
结合图5所示的前馈解耦控制结构示意图，d、q轴电流环结构相同，其参数设计过程类似，以d轴电流环设计为例进行分析：d轴电流环开环传递函数k
op
(s)公式如下式所示。
[0130][0131]
依据零极点对消原则得到：
[0132][0133]
进而可得d轴电流环闭环传递函数计算式如下式所示。
[0134][0135]
其中，τ为一变量，表示为k
p
为比例符号。
[0136]
由式(25)可见，电流环被简化为一阶惯性环节，而则可计算得出d轴电流环pi调节器参数如下式所示。
[0137][0138]
引入δvd、δvq后，实现了有功电流i
cd
、无功电流i
cq
间的解耦控制。
[0139]
通常情况下τ可取值3/ωc，ωc代表开关角频率。在对h桥级联型dstatcom进行控制时，给定值可以由瞬时功率理论将无功电流取反获得，给定值可以由电压外环获得。进而可得h桥级联型dstatcom前馈解耦控制框图，如图5。
[0140]
s3.2、平衡控制
[0141]
本技术通过对h桥级联型dstatcom直流侧电容电压进行总体、相间、相内三层平衡控制实现其直流侧电容电压的平衡。
[0142]
直流侧电容电压总体控制：是对有功电流给定值调节，从而对总体电容电压平衡控制，表示为：
[0143][0144]
其中，k
pv
、k
iv
分别代表pi调节器的比例、积分系数；v
dc_av
代表全部直流侧电容电压平均值，有功电压给定值；
[0145]
相间平衡控制：对每一相的调制信号进行控制，从而实现对各相有功功率的平衡调节；
[0146]
以dstatcom的a相为例，其n个h桥单元电容电压平均值如下式(28)所示。
[0147][0148]
其对应的相间控制量计算公式如下式(29)所示。
[0149]vbda
＝k1[i
cd-k2(v
dc_av-v
dca_av
)]sinωst
ꢀꢀꢀ
(29)
[0150]
上式(29)中id、sinωst、k1、k2分别代表电流环有功电流值、a相同相的锁相环信号、比例系数。
[0151]
对于其他b、c两相的控制，需要将a相同相的锁相环信号sinωst分别替换为即可，进而可得相间平衡控制结构框图，如图6所示。
[0152]
相内平衡控制：对单个h桥单元控制，使单个h桥单元电压与所在相的平均电容电压相同，控制结构如图7所示。
[0153]
上图中v
dcai
、v
dcbi
、v
dcci
分别代表a、b、c三相各个h桥单元电容电压，其中i的取值范围是1～n。进而可得单个h桥单元相内平衡控制公式如下式(30)所示。
[0154]vbqai
＝k3(v
dca_av-v
dcai
)cosωst
ꢀꢀꢀ
(30)
[0155]
h桥级联型dstatcom直流侧电容电压总体控制、相间平衡控制、相内平衡控制具体实现过程如图8所示。
[0156]
dstatcom设备主要是用于进行谐波和无功功率补偿的，而实现这种补偿的核心是采用合适的交流侧电流控制策略。
[0157]
虽然h桥级联型dstatcom具有易于模块化、数字化实现等优点，在高压、大功率场合得到广泛应用，但是其直流侧母线电容电压的不平衡问题是不容忽视的。如果不能够有效抑制直流侧母线电容电压这种不平衡，会导致h桥级联型dstatcom输出电压发生畸变，严重情况下可能会导致dstatcom输出电压不平衡，有可能导致整个dstatcom系统发生崩溃。本文则通过对h桥级联型dstatcom直流侧电容电压进行总体控制、相间平衡控制、相内平衡控制的三层控制实现其直流侧电容电压的平衡。
[0158]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。