CN103944171A - 一种角接链式svg的环流控制方法 - Google Patents

Abstract

一种角接链式SVG的环流控制方法，所述的环流控制方法由采用电纳平衡原理的前馈控制器，和采用网侧电流闭环的反馈控制器组合而成，使得链式SVG装置可以在电网电压不对称条件下对三相不平衡负载进行无功和负序补偿。所述的网侧电流闭环控制是通过检测补偿后的电网侧电流中残余的无功和负序分量，并在同步旋转坐标系下分别对其进行比例积分控制，将残余分量逐渐衰减到零，从而自动补偿电网电压不平衡对无功和负序补偿效果造成的影响。所述的环流控制方法将前馈控制和反馈控制相结合，使得SVG装置能够在保持快速的动态响应的同时，实现良好的稳态补偿效果，并能抵御电网电压不平衡造成的影响。

Description

一种角接链式SVG的环流控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及角接链式SVG装置的环流控制方法。

背景技术

链式SVG分为角接和星接两种基本拓扑，研究表明，星接链式SVG不具备负序补偿能力，即使采用特殊的控制方法，也只能进行非常有限的负序补偿，因而星接链式SVG通常只应用于无功补偿领域；而角接链式SVG则能够同时进行无功、负序和谐波补偿，但是角接链式SVG在进行负序补偿时，会面临特殊的环流控制问题。

由于拓扑上的特点，角接链式SVG进行负序补偿或在电压不对称条件下运行时，三相之间会出现有功流动，造成相间直流电容电压失去平衡。在角接结构的三角形内，可以存在同时流过三相的零序电流，也就是环流。环流并不影响角接装置的输出电流，但是会影响三相之间的功率流动。环流形成一个额外的自由度，为相间功率再平衡提供了条件，这是角接链式SVG能够实现负序补偿和不对称运行的根本原因。

目前常用的环流控制方法包括零序电流注入法和电纳平衡原理两种。零序电流注入法是用解析的方法推导求解所需的零序电流(也就是三角形内的环流)的幅值和相位，并将这个零序电流叠加到SVG装置各相输出电流的目标值中，从而实现相间功率平衡。电纳平衡原理则是利用电路分析的方法，直接求取SVG装置各相所需的补偿电纳，从而得到各相的无功电流目标值。电纳平衡原理并不直接求取环流的大小和幅值，但是其三相目标电流中自动包含了用于平衡相间有功功率的环流分量。

实际的工业配电网中，负载的情况极为复杂。电弧炉等大型工业负载在运行过程中，三相电流独立地无规则的剧烈变化，产生大量负序电流；同时，由于负载剧烈波动，对电网形成无功冲击，造成三相电网电压严重不平衡。要对电弧炉等工业负载进行无功和负序补偿，不仅要求补偿装置能对负载的负序电流进行补偿，还要求补偿装置能够应对一定的电网电压不平衡条件，抵御负序电压对补偿效果造成的不利影响。然而，上述两种常用的环流控制方法都是在电网电压三相对称的条件下得出的结论，在电网电压不对称时，其基本原理不再成立，补偿效果受到很大影响，无法满足配电网中大型工业负载的应用需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决电网电压不对称条件下，采用传统环流控制方法的SVG装置无法实现有效的无功和负序补偿的问题。本发明提出一种角接链式SVG的环流控制方法，所述的环流控制方法由采用电纳平衡原理的前馈控制器，和采用网侧电流闭环的反馈控制器组合而成。所述的环流控制方法将网侧电流闭环控制和电纳平衡原理相结合，使得链式SVG装置可以在电网电压不对称条件下对三相不平衡负载进行无功和负序补偿。

本申请具体采用以下技术方案。

一种角接链式SVG的环流控制***，其特征在于：所述环流控制***包括采用电纳平衡原理的前馈控制器，和采用网侧电流闭环的反馈控制器，反馈控制器的输入信号为网侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc，输出信号为校正分量i_ea、i_eb、i_ec；前馈控制器的输入信号为负载三相电流i_ra、i_rb、i_rc与校正分量i_ea、i_eb、i_ec之和，输出信号为角接链式SVG三相输出电流的目标值。

本申请公开的一种角接链式SVG的环流控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将电网侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc输入到所述反馈控制器，并利用锁相环得到三相电压正序分量的相位角θ，即实现电压定向；

(2)以工频对应的旋转角ωt+θ对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行坐标变换，得到正序电流的d轴和q轴分量，其中q轴对应无功分量；

(3)将变换后的正序q轴分量i_qp输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_qp；正序d轴分量I’_dp置为零，并以旋转角度ωt+θ对I’_dp和I’_qp进行dq-abc反变换；

(4)以－ωt为旋转角对对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq旋转坐标变换，得到负序的d轴和q轴分量；

(5)将变换后的负序d、q轴分量i_dn、i_qn分别输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_dn、I’_qn，并以旋转角度－ωt对I’_dn和I’_qn进行dq-abc反变换；

(6)将上述步骤(3)和步骤(5)中反变换的结果相加，得到校正分量i_ea、i_eb、i_ec；

(7)将校正分量i_ea、i_eb、i_ec和三相负载电流i_ra、i_rb、i_rc相加，作为前馈控制器的输入信号i’_ra、i’_rb、i’_rc；

(8)分别计算三相电网AB、BC、CA相之间的补偿导纳目标值B^* _ab、B^* _bc、B^* _ca；

(9)根据所述的AB、BC和CA相的补偿导纳目标值，以及三相电网AB、BC和CA的线电压，计算得到角接SVG装置AB、BC和CA相的目标电流的瞬时值i^* _ab、i^* _bc、i^* _ac。

本发明所述的网侧电流闭环控制器通过检测补偿后的电网侧电流中残余的无功和负序分量，在同步旋转坐标系下分别对其进行比例积分控制，将残余分量逐渐衰减到零，从而自动补偿电网电压不平衡对无功和负序补偿效果造成的影响，实现理想的稳态补偿效果；同时，所述的前馈控制器采用电纳平衡原理，利用负载电流的瞬时值进行前馈控制，保证SVG装置在负载变化时具有快速动态响应能力。因此，本发明所述的环流控制方法能够使角接SVG装置在保持快速的动态响应速度的同时，实现良好的稳态补偿效果，并能抵御电网电压不平衡造成的影响。

附图说明

图1是本发明所提出的链式SVG装置的环流控制***总体框图；

图2为本发明公开的角接链式SVG环流控制方法流程示意图；

图3为本发明公开的角接链式SVG装置环流控制***框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

在图1所示的总体控制框图中，左下角方框中为反馈控制器的子框图，右上角方框为前馈控制器的子框图。其中反馈控制器的输入信号为网侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc，输出信号为校正分量i_ea、i_eb、i_ec；前馈控制器的输入信号为负载三相电流i_ra、i_rb、i_rc与校正分量i_ea、i_eb、i_ec之和，输出信号为角接链式SVG三相输出电流的目标值i*_ab、i*_bc、i*_ac。在电网电压不对称时，通过这个校正分量来抵消负序电压的影响，消除补偿结果的偏差；而在电网电压对称时，校正分量变得非常小，控制***近似退回到电纳平衡补偿的过程。事实上，由于校正分量引入了闭环反馈，在电网电压对称时，也可以有效消除开环结构的控制误差。

图2所示为本发明公开的环流控制方法流程图，具体包括以下步骤：

(1)将电网侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc输入到所述反馈控制器，并利用锁相环(Phase LockLoop，PLL)得到三相电压正序分量的相位角θ，即实现电压定向；

(2)按照电压定向对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq旋转坐标变换，旋转角度为ωt+θ(ω为工频角频率)，得到正序的d轴和q轴分量；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dp}}\\ i_{\mathrm{qp}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{2}}\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})& \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})& -\sin (\mathrm{\ω}+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]$

(3)将变换后的正序q轴分量i_qp输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_qp；正序d轴分量I’_dp置为零，并以旋转角度ωt+θ对I’_dp和I’_qp进行dq-abc反变换；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ap}}^{\′}\\ i_{\mathrm{bp}}^{\′}\\ i_{\mathrm{cp}}^{\′}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dp}}^{\′}\\ I_{\mathrm{qp}}^{\′}\end{array}\right]$

(4)以－ωt为旋转角对对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq旋转坐标变换，得到负序的d轴和q轴分量；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dn}}\\ i_{\mathrm{qn}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos (-\mathrm{\ωt})& \cos (-\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (-\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin (-\mathrm{\ωt})& -\sin (-\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (-\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]$

(5)将变换后的负序d、q轴分量i_dn、i_qn分别输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_dn、I’_qn，并以旋转角度－ωt对I’_dn和I’_qn进行dq-abc反变换；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{an}}^{\′}\\ i_{\mathrm{bn}}^{\′}\\ i_{\mathrm{cn}}^{\′}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos (-\mathrm{\ωt})& -\sin (-\mathrm{\ωt})\\ \cos (-\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (-\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (-\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (-\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dn}}^{\′}\\ I_{\mathrm{qn}}^{\′}\end{array}\right]$

(6)将上述步骤(3)和步骤(5)中反变换的结果相加，得到校正分量i_ea、i_eb、i_ec；

(7)将校正分量i_ea、i_eb、i_ec和三相负载电流i_ra、i_rb、i_rc相加，作为前馈控制器的输入信号i’_ra、i’_rb、i’_rc。

(8)按照下述积分表达式，分别计算AB、BC、CA之间的补偿导纳B^* _ab、B^* _bc、B^* _ca；

a)将所述前馈控制器输入信号的A相i’_ra与电网B、C相之间的线电压u_bc，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第一项积分平均值；

b)将所述前馈控制器输入信号的B相i’_rb与电网C、A相之间的线电压u_ca，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第二项积分平均值；

c)将所述前馈控制器输入信号的C相i’_rc与电网A、B相之间的线电压u_ab，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第三项积分平均值。

d)将所述的第一项积分平均值与第二项积分平均值相加，再与第三相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到AB相的补偿导纳目标值B^* _ab；

e)将所述的第二项积分平均值与第三项积分平均值相加，再与第一相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到BC相的补偿导纳目标值B^* _bc；

f)将所述的第三项积分平均值与第一项积分平均值相加，再与第二相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到CA相的补偿导纳目标值B^* _ca。

$B_{\mathrm{ab}}^{*}=\frac{1}{3\sqrt{3}{U}^2}[\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{bc}}{i}_{\mathrm{ra}}^{\′}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ca}}{i}_{\mathrm{rb}}^{\′}\mathrm{dt}-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ab}}{i}_{\mathrm{rc}}^{\′}\mathrm{dt}]$

$B_{\mathrm{bc}}^{*}=\frac{1}{3\sqrt{3}{U}^2}[\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ca}}{i}_{\mathrm{rb}}^{\′}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ab}}{i}_{\mathrm{rc}}^{\′}\mathrm{dt}-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{bc}}{i}_{\mathrm{ra}}^{\′}\mathrm{dt}]$

$B_{\mathrm{ca}}^{*}=\frac{1}{3\sqrt{3}{U}^2}[\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ab}}{i}_{\mathrm{rc}}^{\′}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{bc}}{i}_{\mathrm{ra}}^{\′}\mathrm{dt}-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ca}}{i}_{\mathrm{rb}}^{\′}\mathrm{dt}]$

(9)根据所述的AB、BC和CA相的电纳目标值，以及三相电网AB、BC和CA的线电压，计算得到角接SVG装置AB、BC和CA相的目标电流的瞬时值i^* _ab、i^* _bc、i^* _ac。

$i_{\mathrm{ab}}^{*}=-{\mathrm{ju}}_{\mathrm{ab}}{B}_{\mathrm{ab}}^{*}$

$i_{\mathrm{bc}}^{*}=-{\mathrm{ju}}_{\mathrm{bc}}{B}_{\mathrm{bc}}^{*}$

$i_{\mathrm{ca}}^{*}=-{\mathrm{ju}}_{\mathrm{ca}}{B}_{\mathrm{ca}}^{*}$

在图3所示的环流控制方法***框图中，SVG的目标补偿电流是由两部分构成：第一部分是按经典电纳平衡原理从负载电流(i_ra、i_rb、i_rc)的实时采样值直接计算得到的补偿分量；第二部分是通过dq坐标系下PI调节器反馈控制的输出(i_ea、i_eb、i_ec)经电纳平衡原理计算得到的校正量。其中第一部分是目标补偿电流的主要分量，校正量所占的比例较小。因此，这种控制方法既能保持电纳平衡原理这种开环控制所具有的响应速度快的优点，同时又能够消除不平衡电压等外部扰动对开环控制造成的影响，实现较好的稳态补偿效果。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种角接链式SVG的环流控制***，其特征在于：所述环流控制***包括采用电纳平衡原理的前馈控制器，和采用网侧电流闭环的反馈控制器，反馈控制器的输入信号为网侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc，输出信号为校正分量i_ea、i_eb、i_ec；前馈控制器的输入信号为负载三相电流i_ra、i_rb、i_rc与校正分量i_ea、i_eb、i_ec之和，输出信号为角接链式SVG三相输出电流的目标值。

2.一种基于权利要求1所述的环流控制***的角接链式SVG的环流控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将电网侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc输入到所述反馈控制器，并利用锁相环得到三相电压正序分量的相位角θ，即实现电压定向；

(2)以工频对应的旋转角ωt+θ对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行坐标变换，得到正序电流的d轴和q轴分量，其中q轴对应无功分量；

(3)将变换后的正序q轴分量i_qp输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_qp；正序d轴分量I’_dp置为零，并以旋转角度ωt+θ对I’_dp和I’_qp进行dq-abc反变换；

(4)以－ωt为旋转角对对三相电网电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq旋转坐标变换，得到负序的d轴和q轴分量；

(5)将变换后的负序d、q轴分量i_dn、i_qn分别输入到比例积分控制器，得到输出信号I’_dn、I’_qn，并以旋转角度－ωt对I’_dn和I’_qn进行dq-abc反变换；

(6)将上述步骤(3)和步骤(5)中反变换的结果相加，得到校正分量i_ea、i_eb、i_ec；

(7)将校正分量i_ea、i_eb、i_ec和三相负载电流i_ra、i_rb、i_rc相加，作为前馈控制器的输入信号i’_ra、i’_rb、i’_rc；

(8)分别计算三相电网AB、BC、CA相之间的补偿导纳目标值B^* _ab、B^* _bc、B^* _ca；

(9)根据所述的AB、BC和CA相的补偿导纳目标值，以及三相电网AB、BC和CA的线电压，计算得到角接SVG装置AB、BC和CA相的目标电流的瞬时值i^* _ab、i^* _bc、i^* _ac。

3.根据权利要求2所述的环流控制***的角接链式SVG的环流控制方法，其特征在于：所述步骤(8)包括：

a)将所述前馈控制器输入信号的A相i’_ra与电网B、C相之间的线电压u_bc，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第一项积分平均值；

b)将所述前馈控制器输入信号的B相i’_rb与电网C、A相之间的线电压u_ca，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第二项积分平均值；

c)将所述前馈控制器输入信号的C相i’_rc与电网A、B相之间的线电压u_ab，在一个工频周期内进行积分并求平均值，得到第三项积分平均值。

d)将所述的第一项积分平均值与第二项积分平均值相加，再与第三相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到AB相的补偿导纳目标值B^* _ab；

e)将所述的第二项积分平均值与第三项积分平均值相加，再与第一相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到BC相的补偿导纳目标值B^* _bc；

f)将所述的第三项积分平均值与第一项积分平均值相加，再与第二相积分平均值作差，然后将差值除以相电压的平方，再除以三倍的根号三，得到CA相的补偿导纳目标值B^* _ca。