CN102694385A - D-statcom的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法 - Google Patents

D-statcom的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法 Download PDF

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CN102694385A CN2012101722557A CN201210172255A CN102694385A CN 102694385 A CN102694385 A CN 102694385A CN 2012101722557 A CN2012101722557 A CN 2012101722557A CN 201210172255 A CN201210172255 A CN 201210172255A CN 102694385 A CN102694385 A CN 102694385A
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杨振宇
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Abstract

本发明涉及一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法，包括如下步骤：求取一组相电流向量
Figure 2012101722557100004DEST_PATH_IMAGE002
，该组相电流向量在满足D-STATCOM装置的相电流不超过补偿极限，且相电流和线电流满足基尔霍夫电流定律的条件下，使该组相电流向量中的三相电流瞬时值的绝对值尽可能均衡；对该组相电流向量
Figure 881428DEST_PATH_IMAGE002
进行限幅处理后得出向量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；进而在得出该向量
Figure 342497DEST_PATH_IMAGE004
与D-STATCOM实际输出的补偿相电流向量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的偏差值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
后，将该偏差值经比例积分PI调节器调节后输出调制波信号，然后对该调制波信号采用载波移相脉宽调制算法进行处理并产生相应的多电平PWM脉冲，该多电平PWM脉冲对D-STATCOM中的级联型变流器进行控制，以获得相应的平衡限幅相电流。

Description

D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法
技术领域
本发明涉及三相全控整流的技术领域，具体是一种D-STATCOM（配电网静止无功同步发生器）的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法。
背景技术
三相三角形连接的级联型D-STATCOM的并网结构包括CPU单元、主体部分和并网部分；主体部分由级联型变流器和连接电抗组成，并网部分包括电网和负载。级联型变流器每一相都有n个功率单元，即a1～an、b1～bn、c1～cn，同相中的n个功率单元串联后再各自与连接电抗串连，即a1～an与                                               
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE002
、b1～bn与
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE004
、c1～cn与
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE006
串联；且与c1相连、与a1相连、
Figure 63802DEST_PATH_IMAGE006
与b1相连，形成三相三角形首尾连接。所述D-STATCOM的三相上设有测量相电流的第一电流互感器组，并网处设测量线电流
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE010
的第二电流互感器组，在负载侧设有测量负载电流
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE012
的第三电流互感器组，在电网侧设有测量***电流
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE014
的第四电流互感器组，以及测量电网a的相电压
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE016
的电压互感器。
D-STATCOM对不对称负荷进行补偿的目的是使得电网侧电流
Figure 396694DEST_PATH_IMAGE014
三相对称，且功率因数为1。此时装置输出的三相补偿线电流
Figure 211067DEST_PATH_IMAGE010
的三相分量的绝对值可能相差很大，对应的装置输出的三相相电流可能也相差很大，并且某一相或者几相分量可能超过装置的相电流补偿极限，为保证装置安全运行并能充分利用其补偿容量，其输出三相相电流
Figure 113612DEST_PATH_IMAGE008
需要进行最优化平衡限幅控制。
在中国发明专利说明书CN102222925.A中公开了一种D-STATCOM不对称补偿电流的平衡方法，但是经过最优化平衡算法获得三相相电流仍可能超过装置的相电流补偿极限，如何对相电流进行限幅处理，并且三相相电流和线电流仍需满足基尔霍夫电流定律的约束，即
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE018
                     式(7)
以充分利用装置的补偿容量并保证装置安全运行，其中，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE020
经限幅处理后的相电压向量和线电压向量的约束矩阵，
Figure 182019DEST_PATH_IMAGE020
取值与具体的限幅算法有关；
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE024
、、
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE028
分别为经限幅处理后a、b、c三相线电流及线电流向量。如何解决相电流的平衡限幅处理问题，是D-STATCOM的线电流不对称补偿中的技术难题。
此外，CPS-SPWM技术参考《CPS-SPWM技术在级联H桥型变流器上的具体实现方法》（《电源技术应用》，2006年2月，第9卷第2期），以及《载波相移SPWM级联H型变流器及其在有源电力滤波器中的应用》（《中国电机工程学报》，2006年5月，第26卷第10期）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在三相三角形连接的级联型D-STATCOM进行线电流不对称补偿时，为该D-STATCOM的三相相电流提供一种最优平衡限幅方法，以充分利用该装置的补偿容量并保证装置安全运行。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法，包括如下步骤：
步骤一：求取一组线电流所对应的平衡相电流；
分别用向量
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE032
表示D-STATCOM的一组线电流
Figure 788581DEST_PATH_IMAGE010
和与之对应的平衡相电流
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE034
，则
Figure 594994DEST_PATH_IMAGE032
可表示为：
                         式(1)
其中，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE038
，，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE044
取三相线电流瞬时值的绝对值的最大值，即
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE046
                           式(2)
步骤二：对步骤一所得平衡相电流
Figure 287006DEST_PATH_IMAGE032
进行限幅处理；
求取限幅比例因子k：k可表示为
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE048
                     式(3)
其中，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE050
为D-STATCOM的相电流补偿极限，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE052
取某一组平衡相电流瞬时值的绝对值的最大值，即
                         式(4)
求取经限幅处理后的平衡相电流向量
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE056
：
Figure 712434DEST_PATH_IMAGE056
可表示为
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE058
                       式(5)
步骤三：PWM脉冲的发生与装置控制；
获得步骤二所得向量
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE060
与D-STATCOM实际输出的补偿相电流向量
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE062
的偏差值
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE064
后，将该偏差值
Figure 111185DEST_PATH_IMAGE064
经比例积分PI调节器调节后输出调制波信号
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE066
，然后对该调制波信号
Figure 603346DEST_PATH_IMAGE066
采用载波移相脉宽调制算法进行处理并产生相应的多电平PWM脉冲，该多电平PWM脉冲对D-STATCOM中的级联型变流器进行控制，以产生相应的平衡限幅相电流。
本发明一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法中，对相电流进行限幅处理后，三相相电流和线电流仍应满足基尔霍夫电流定律的约束，即应当满足等式(7)的约束条件，于此，证明如下：
首先，证明
Figure 844972DEST_PATH_IMAGE060
满足等式(7)中的约束条件
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE068
；
将等式(1)代入等式(5)，得
        
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE070
            式(25)
由等式(3)可知，矩阵B满秩（
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE072
），则等式(25)可变换为
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE074
                      式(26)
即等式(7)中，
Figure 826089DEST_PATH_IMAGE020
取
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE076
，
Figure 2012101722557100002DEST_PATH_IMAGE078
与
Figure 531877DEST_PATH_IMAGE056
之间仍符合图1所示的基尔霍夫电流定律约束。
其次，证明等式(7)中约束条件
Figure DEST_PATH_IMAGE080
；
不失一般性，可令
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，。由等式(3)可知，若
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，；，
Figure DEST_PATH_IMAGE096
。
若
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，；
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，。
最后，证明等式(7)中的约束条件
Figure DEST_PATH_IMAGE108
；
由等式(25)可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE110
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE112
。
综上，对相电流进行限幅处理后，三相相电流和线电流仍满足
Figure 181557DEST_PATH_IMAGE018
　　　　　　　式(7)
的约束条件，即仍满足基尔霍夫电流定律的约束。
本发明一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法，解决了D-STATCOM在对三相不对称负载进行补偿时，补偿装置三相相电流可能出现偏差较大、且极有可能超过装置补偿极限的问题。本发明的D-STATCOM无功补偿装置在采用三相三角形连接时，一组三相线电流可有无穷多组三相相电流与之对应的特点，采用最优化平衡算法，可取得一组最优化平衡三相相电流，其最大值为由所有满足等式(6)的相电流组中的最大值所组成的组合中的最小值。上述最优化平衡相电流通过限幅比例因子的调整，以获得一组三相尽可能平衡且不越限的相电流，从而充分地利用现有装置容量，并为D-STATCOM装置设计特别是所用元器件选型提供依据，进而保证装置安全运行。
附图说明
图1为三相三角形连接的级联型D-STATCOM的不对称补偿示意图；
图2为单相桥式变流器的功率单元的结构示意图。
图3为
Figure DEST_PATH_IMAGE114
算法框图。
图4为D-STATCOM的补偿相电流的PWM脉冲发生与装置控制示意图。
图5为级联H型变流器中一相的电路拓扑结构图。
图6为单相全桥模块的结构示意图。
图7为单相全桥模块的控制信号波形图。
 
图8为半周期移相仿真示意图。
图9为单相全桥模块的输出仿真示意图；
图10为单相全桥模块的三逻辑信号叠加后的输出仿真示意图；
图11为三相负载电流的仿真示意图；
图12为三相***电流及a相电压的仿真示意图；
图13为D-STATCOM的限幅线电流输出及未限幅线电流的仿真示意图；
图14为D-STATCOM的限幅相电流输出及未限幅相电流的仿真示意图；
其中，图3中的符号分别表示：—a相电压，PLL—锁相环，LPF—低通滤波器，
Figure DEST_PATH_IMAGE118
、
Figure DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure DEST_PATH_IMAGE122
—a、b、c三相负载电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
—负载电流α轴分量，—负载电流β轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure DEST_PATH_IMAGE130
、
Figure DEST_PATH_IMAGE132
—a、b、c三相补偿线电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE134
—补偿电流α轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE136
—补偿电流β轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE138
—Clarke变换矩阵，—Clarke反变换矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE142
—Park变换矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE144
—Park反变换矩阵，且
Figure 593035DEST_PATH_IMAGE138
、、
Figure 982876DEST_PATH_IMAGE142
和
Figure 816840DEST_PATH_IMAGE144
分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE146
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE150
。
具体实施方式
如图1所示，三相三角形连接的级联型D-STATCOM的并网结构包括CPU单元、主体部分和并网部分；主体部分由级联型变流器1和连接电抗2组成，并网部分包括电网3和负载4。本实施例的一种无功补偿装置D-STATCOM包括级联型变流器1、连接电抗2和CPU单元。所述级联型变流器1每一相都有n个功率单元，即a1～an、b1～bn、c1～cn，同相中的n个功率单元串联后再各自与连接电抗2串连，即a1～an与
Figure 580528DEST_PATH_IMAGE002
、b1～bn与
Figure 525350DEST_PATH_IMAGE004
、c1～cn与
Figure 877834DEST_PATH_IMAGE006
串联；且
Figure 633432DEST_PATH_IMAGE002
与c1相连、
Figure 71366DEST_PATH_IMAGE004
与a1相连、
Figure 554300DEST_PATH_IMAGE006
与b1相连，形成三相三角形首尾连接。CPU单元与级联型变流器1每个功率单元控制端相连；D-STATCOM的三相上设有测量相电流
Figure 26870DEST_PATH_IMAGE008
的第一电流互感器组，并网处设测量线电流
Figure 953369DEST_PATH_IMAGE010
的第二电流互感器组，在负载4侧设有测量负载电流
Figure 878599DEST_PATH_IMAGE012
的第三电流互感器组，在电网3侧设有测量***电流
Figure 165224DEST_PATH_IMAGE014
的第四电流互感器组，以及测量电网a的相电压
Figure 226721DEST_PATH_IMAGE016
的电压互感器。
如图2所示，所述级联型变流器1的每个功率单元包括两组IGBT单元和直流滤波电容C；各组IGBT单元包括上IGBT模块和下IGBT模块两个IGBT模块；所述上IGBT模块和下IGBT模块均包括：IGBT和续流二极管，所述续流二极管的阳极接IGBT的发射极，所述续流二极管的阴极接IGBT的集电极，每个IGBT的栅极即为所述三相全控整流桥A的整流控制端；所述上IGBT模块中IGBT的发射极接下IGBT模块中IGBT的集电极；所述每个上IGBT模块中IGBT的集电极均接所述直流滤波电容C的正极，所述每个下IGBT模块中IGBT的发射极均接所述直流滤波电容C的负极；所述每组IGBT单元中下IGBT模块的接点Y均与后一个功率单元的上IGBT模块的接点X相连，即每组IGBT单元中上IGBT模块的接点X均与前一个功率单元的下IGBT模块的接点Y相连。
本实施例一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法，CPU单元通过所述负载侧电流互感器检测三相负载瞬时电流
Figure 511072DEST_PATH_IMAGE012
。如图3所示，根据
Figure 736648DEST_PATH_IMAGE114
算法，由三相负载电流
Figure 764647DEST_PATH_IMAGE012
获得D-STATCOM所需补偿的三相线电流
Figure 8546DEST_PATH_IMAGE010
。
步骤一：求取三相线电流
Figure 198219DEST_PATH_IMAGE010
所对应的最优平衡相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE152
。分别用向量
Figure 911091DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 539519DEST_PATH_IMAGE032
表示D-STATCOM的一组线电流
Figure 841187DEST_PATH_IMAGE010
和与之对应的平衡相电流
Figure 14811DEST_PATH_IMAGE034
，则
Figure 401930DEST_PATH_IMAGE032
可表示为：
Figure 834048DEST_PATH_IMAGE036
                         式(1)
其中，
Figure 724644DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 521698DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，
Figure 937724DEST_PATH_IMAGE044
取三相线电流瞬时值的绝对值的最大值，即
Figure DEST_PATH_IMAGE156
                           式(2)
在上述获得的所需补偿三相线电流瞬时值
Figure 173533DEST_PATH_IMAGE010
中，
当
Figure DEST_PATH_IMAGE158
最大，即
Figure DEST_PATH_IMAGE160
时，则最优平衡相电流由等式(1)表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE162
                   式(8)
当
Figure DEST_PATH_IMAGE164
最大，即
Figure DEST_PATH_IMAGE166
时，则最优平衡相电流可由等式(1)表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE168
                   式(9)
当
Figure DEST_PATH_IMAGE170
最大，即
Figure DEST_PATH_IMAGE172
时，则最优平衡相电流
Figure 812084DEST_PATH_IMAGE152
可由等式(1)表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE174
                  式(10)
步骤二：对步骤一所得平衡相电流
Figure 586005DEST_PATH_IMAGE032
进行限幅处理，得出平衡限幅相电流
Figure 264243DEST_PATH_IMAGE056
；
求取限幅比例因子k， 
Figure 403100DEST_PATH_IMAGE048
                     式(3)
即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE176
大于装置相电流补偿极限
Figure DEST_PATH_IMAGE178
时，则限幅比例因子k取
Figure DEST_PATH_IMAGE180
；当
Figure 861894DEST_PATH_IMAGE052
小于等于装置相电流补偿极限时，则限幅比例因子k取1。
    将上述所得最优平衡相电流瞬时值
Figure 159200DEST_PATH_IMAGE152
与限幅比例因子k作乘积，求取平衡限幅相电流向量
Figure 468959DEST_PATH_IMAGE056
， 
Figure 352732DEST_PATH_IMAGE058
                       式(5)
得到限幅处理后的最优平衡相电流瞬时值，即
                       式(11)
步骤三：PWM脉冲的发生与装置控制；
获得步骤二所得向量
Figure 468456DEST_PATH_IMAGE060
与D-STATCOM实际输出的补偿相电流向量
Figure 121285DEST_PATH_IMAGE062
的偏差值
Figure 601945DEST_PATH_IMAGE064
后，将该偏差值
Figure 956703DEST_PATH_IMAGE064
经比例积分PI调节器调节后输出调制波信号
Figure 813801DEST_PATH_IMAGE066
，然后对该调制波信号采用载波移相脉宽调制算法进行处理并产生相应的多电平PWM脉冲，该多电平PWM脉冲对D-STATCOM中的级联型变流器进行控制，以产生相应的平衡限幅相电流。
如图4所示，D-STATCOM的补偿相电流的PWM脉冲发生与装置控制示意图。CPS-SPWM技术是多重化技术和SPWM技术的有机结合。该技术能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性。CPS-SPWM调制技术适用于级联H桥型变流器。级联H型变流器中一相的电路拓扑结构如图5所示。
CPS-SPWM调制算法具体为：在如图6所示结构的单相全桥模块中，频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE186
，周期为
Figure DEST_PATH_IMAGE188
的三角波
Figure DEST_PATH_IMAGE190
与频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE192
的调制波的交点作为开关、
Figure DEST_PATH_IMAGE196
的开关点，而且
Figure 842205DEST_PATH_IMAGE194
、
Figure 949838DEST_PATH_IMAGE196
的门极信号互补如图7中g1、g4所示。三角波
Figure DEST_PATH_IMAGE198
与
Figure 158097DEST_PATH_IMAGE190
幅值相等，相位相反。
Figure DEST_PATH_IMAGE200
中与调制波的交点作为开关
Figure 769206DEST_PATH_IMAGE194
、
Figure 857248DEST_PATH_IMAGE196
的开关点，如图7中 g2、g3所示。在n个单相全桥模块采用相同的调制波时，三角波
Figure DEST_PATH_IMAGE202
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE206
…、
Figure DEST_PATH_IMAGE208
的相位依次相差
Figure DEST_PATH_IMAGE210
，即“半周期移相”。以n等于4为例，其半周期移相仿真示意图如图8所示；每个模块的输出仿真示意图如图9所示；每个模块的输出都是两个三角波与调制波相交产生的PWM信号的叠加，是三逻辑信号，叠加后输出如图10所示。
如图11、12、13、14所示的仿真结果是在以下前提条件中进行：D-STATCOM每相5个功率单元串联，每相串联一个50mH电感，直流电容C的电压控制在600V，负载由一个三相对称的(10+j50)kVA感性负载，一个直流回路串入(12Ω+10mH)的阻感性负载的三相控整流桥，分别在0.04s和0.1s投入运行。三相负载电流的仿真示意图如图11所示，三相***电流及a相电压的仿真示意图如图12所示，D-STATCOM的限幅线电流输出及未限幅线电流的仿真示意图如图13所示，D-STATCOM的限幅相电流输出及未限幅相电流的仿真示意图如图14所示。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种D-STATCOM的线电流不对称补偿的相电流平衡限幅方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：求取一组线电流所对应的平衡相电流；
分别用向量                                               
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE004
表示D-STATCOM的一组线电流和与之对应的平衡相电流
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE008
，则
Figure 277403DEST_PATH_IMAGE004
可表示为：
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE010
                             式(1)
其中，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE018
取三相线电流瞬时值的绝对值的最大值，即
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE020
                       式(2)
步骤二：对步骤一所得平衡相电流进行限幅处理；
求取限幅比例因子k：k可表示为
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE022
                  式(3)
其中，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE024
为D-STATCOM的相电流补偿极限，
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE026
取某一组平衡相电流瞬时值的绝对值的最大值，即
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE028
                      式(4)
求取经限幅处理后的平衡相电流向量
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 505702DEST_PATH_IMAGE030
可表示为
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE032
                             式(5)
步骤三：PWM脉冲的发生与装置控制；
获得步骤二所得向量
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE034
与D-STATCOM实际输出的补偿相电流向量
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE036
的偏差值
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE038
后，将该偏差值
Figure 657589DEST_PATH_IMAGE038
经比例积分PI调节器调节后输出调制波信号
Figure 2012101722557100001DEST_PATH_IMAGE040
，然后对该调制波信号
Figure 474235DEST_PATH_IMAGE040
采用载波移相脉宽调制算法进行处理并产生相应的多电平PWM脉冲，该多电平PWM脉冲对D-STATCOM中的级联型变流器进行控制，以产生相应的平衡限幅相电流。
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