CN105006828B - 一种并网变流器负序电流补偿方法 - Google Patents
一种并网变流器负序电流补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种并网变流器负序电流补偿方法，通过采样并网变流器直流母线电压，对该采样值进行平方计算、陷波滤波和平方根计算，滤除直流母线电压波动分量，通过直流母线交直流有功功率的解耦，对并网变流器直流母线电压进行闭环控制。一方面，本发明解决了并网变流器实施负序电流补偿时，直流母线交流有功功率波动对直流母线电压、并网电流控制产生扰动的问题，有效提升了直流母线电压的控制精度和并网电流的电能质量。另一方面，本发明通过并网变流器直流母线交直流有功功率的解耦，实现了负序电流补偿过程中直流母线电压最大波动幅值的精确计算。
Description
技术领域
本发明涉及基于直流母线交直流有功解耦的并网变流器负序电流补偿策略，属于电力电子应用技术领域。
背景技术
由于电网故障、三相不对称负载或电源三相并网电流不对称性的存在，负载或电源通过电网接入点向电力***注入负序电流，显著影响电网电压的三相对称性，甚至导致电网故障的进一步严重化。通过并网变流器可以检测特定电网接入点的负序电流，并实现负序电流补偿。但是由于负序补偿电流的输出、并网变流器输出的瞬时功率存在交流脉动，使得并网变流器直流母线电压存在脉动，导致并网变流器的电流闭环控制性能下降甚至控制失败。
目前并网变流器的负序电流补偿，考虑到直流母线电容的滤波效果，多直接采样并网变流器的直流母线电压进行闭环反馈控制。一方面，此类方法导致直流功率与交流功率控制环之间存在强耦合，导致并网变流器输出电流畸变率高；另一方面，并网变流器难以对直流母线电压波动幅值进行约束，易产生***失控。
在此前提下，通过并网变流器在负序电流补偿过程中的交、直流功率解耦和电压调制的K系数校正，实现直流母线电压直流分量对指令量的跟随控制、以及直流母线电压波动幅值的可控，对于提升并网变流器输出电流的电能质量、负序电流补偿效果、直流母线电压控制精度、并网变流器控制稳定性和电网稳定性，均有显著意义。
发明内容
本发明针对上述技术难题，采样并网变流器直流母线电压瞬时值，提取直流母线电压直流分量作为直流功率控制环的反馈量，通过直流母线电压波动系数对电流控制闭环的电压输出进行K系数校正；并在直流母线电压脉动允许幅值给定、负序补偿电流幅值和相位给定的条件下，给出正序无功电流指令的约束计算方法。本发明一方面实现了直流功率与交流功率控制的解耦，解决了负序电流补偿过程中直流母线电压控制难度大、变流器输出电流畸变率高的问题；另一方面突破了负序补偿电流指令量合理给定范围难以确定的技术难题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种并网变流器负序电流补偿方法，其特征是：
采样并网变流器直流母线电压，对该采样值进行平方计算、陷波滤波和平方根计算，滤除直流母线电压波动分量，通过直流母线交直流有功功率的解耦，对并网变流器直流母线电压进行闭环控制。
包括以下步骤：
1)采样并网变流器直流母线电压经平方计算得到将该信号作为陷波滤波器输入，滤除直流母线电压交变分量，将陷波滤波器输出进行平方根计算得到的直流分量
2)以作为直流母线电压指令量，以作为直流母线有功功率PI调节控制器GPI(s)的反馈，通过控制器得到直流母线有功功率直流量指令
3)计算电网负序电压与负序补偿指令电流相位差给定负序补偿电流指令幅值得到同步旋转坐标系负序d轴、q轴补偿电流指令 计算同步旋转坐标系正序d轴电流指令量
4)令正序d轴与三相静止A轴之间夹角为θp，负序d轴与三相静止A轴之间夹角为θn，通过空间矢量计算，得瞬时有功功率交流分量Pac：
Pac＝Pc2cos(θn-θp)+Ps2sin(θn-θp) (1)
设其中，和分别为同步旋转坐标系正序d轴电流指令、正序q轴电流指令、负序d轴补偿电流指令和负序q轴补偿电流指令；和分别为同步旋转坐标系正序d轴电压指令、正序q轴电压指令、负序d轴电压指令和负序q轴电压指令；
根据给定的变流器直流母线电压的允许波动最大幅值及式(1)得：
将和带入式(2)，得正序无功电流补偿的约束条件为：
5)令同步dq旋转坐标系中变流器并网电流最大幅值为IN_dq，根据容量限制求解不等式方程得到的数值区间为其中N为正有理数或无理数；
6)根据式(3)，求取同步旋转坐标系中正序q轴电流指令量的数值区间，按输出最大感性无功或消纳最小感性无功的原则确定该指令量；
7)同步旋转坐标系下正负序电流控制方程由式(4)、式(5)给出：
式中：
式中，u表示电压，Δu表示电压前馈项，其上标中的“'”表示该电压为电压控制项，其下标中“con”表示变流器输出值，其下标中的d、q分别表示同步旋转坐标系d轴、同步旋转坐标系q轴，下标中的p、n分别表示正序分量、负序分量，上标中的p、n分别表示该分量位于正序同步旋转坐标系、负序同步旋转坐标系；R表示并网线路电阻，L表示并网线路电感；
8)根据式(4)、式(5)解析表达式，通过正负序各dq轴的PI调节器GPI(s)进行闭环控制，得到正负序各dq轴的控制电压和
通过正负序各dq轴控制电压与前馈项的计算，并乘以直流母线电压波动系数K进行校正，得到正负序各dq轴的变流器输出电压和
通过两相旋转坐标系-两相静止坐标系坐标变换，分别得到变流器正负序输出电压在α、β静止坐标系中的分量和其中，上标α、β分别表示该分量位于α、β静止坐标系；
通过α、β轴正负序输出电压合成，得到并网变流器输出电压空间矢量，并进行脉宽调制。
陷波滤波器的传递函数为其中Q为品质因数，ω1为电网电压同步角频率。
步骤3)中，
通过公式计算得到同步旋转坐标系正序d轴电流指令量
步骤6)中，若依据式(3)得到数值区间表达式为则设定正序q轴电流指令量
若依据式(3)得到数值区间表达式为A、B为正有理数或无理数，则设定正序q轴电流指令量且[-N,N]∩{[-∞,A]∪[B,+∞]}为非空集和。
本发明所达到的有益效果：
本发明通过采样并网变流器直流母线电压，对该观测值进行平方计算、陷波滤波和平方根计算，滤除由于正负序电压电流产生的交流功率导致的直流母线电压波动分量，通过直流母线交直流有功功率的解耦，实现了基于直流母线直流分量反馈的并网变流器直流母线电压闭环控制。由于负序电流补偿会导致直流母线电压波动，本发明通过直流母线电压实际观测量与直流分量的比值，得到直流母线电压波动系数K，并在并网电流控制器中进行串联，该串联系数显著降低了直流母线电压波动对并网变流控制的扰动。
一方面，本发明解决了并网变流器实施负序电流补偿时，直流母线交流有功功率波动对直流母线电压、并网电流控制产生扰动的问题，有效提升了直流母线电压的控制精度和并网电流的电能质量。另一方面，本发明通过并网变流器直流母线交直流有功功率的解耦，实现了负序电流补偿过程中直流母线电压最大波动幅值的精确计算。本发明在负序补偿电流幅值相位给定、计算得出同步旋转坐标系正序d轴电流指令的条件下，为同步旋转坐标系正序无功电流(正序q轴电流)指令量的确定提供了解析方法。
附图说明
图1并网变流器硬件拓扑；
图2同步旋转坐标系正负序指令电流计算方法；
图3基于正负序电压定向的并网变流器电流控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
1)并网变流器硬件拓扑如图1所示。令同步旋转坐标系中正序q轴电压令同步旋转坐标系中负序q轴电压式中，下标“g”表示电网侧物理量，“d”表示同步旋转坐标系d轴，“q”表示同步旋转坐标系q轴，“p”表示正序分量，“n”表示负序分量；上标“p”表示该分量位于正序同步旋转坐标系，上标“n”表示该分量位于负序同步旋转坐标系。
2)如图2所示，采样变流器直流母线电压得到经平方计算得到将该信号作为陷波滤波器输入，滤除由于直流母线交流有功功率导致的直流母线电压交变分量，将陷波滤波器输出进行平方根计算得到的直流分量其中，陷波滤波器传递函数为其中Q为品质因数，ω1为电网电压同步角频率且ω1＝100π。以作为直流母线电压指令量，以作为直流母线有功功率PI调节控制器GPI(s)的反馈，通过控制器得到直流母线有功功率直流量指令
3)通过测量和反相计算，得到电网负序电压与负序补偿指令电流相位差给定负序补偿电流指令幅值得到同步旋转坐标系负序d、q轴补偿电流指令通过公式计算得到同步旋转坐标系正序d轴电流指令量
4)令正序d轴与三相静止A轴(两相静止α轴)之间夹角为θp，负序d轴与三相静止A轴(两相静止α轴)之间夹角为θn，通过空间矢量计算，可得瞬时有功功率交流分量表达式为：
Pac＝Pc2cos(θn-θp)+Ps2sin(θn-θp) (1)
式中：Pc2、Ps2分别为交流有功功率的余弦和正弦分量幅值， 其中，和分别为同步旋转坐标系正序d轴电流指令、正序q轴电流指令、负序d轴补偿电流指令和负序q轴补偿电流指令；和分别为同步旋转坐标系正序d轴电压指令、正序q轴电压指令、负序d轴电压指令和负序q轴电压指令。设Udc、Udc_average分别为变流器直流母线电压和直流分量，在直流母线有功功率直流分量受控的条件下，根据给定的变流器直流母线电压的允许波动最大幅值及式(1)可得：
将和带入式(2)，可得正序无功电流补偿的约束条件为：
5)根据步骤3)已知和、令同步dq旋转坐标系中变流器并网电流最大幅值为IN_dq，根据容量限制求解不等式方程得到的数值区间为其中N为正有理数或无理数。
6)根据式(3)，求取同步旋转坐标系中正序q轴电流指令量的数值区间，按输出最大感性无功或消纳最小感性无功的原则确定该指令量。根据二元一次方程解集特性，若依据式(3)得到数值区间表达式为则设定正序q轴电流指令量若依据式(3)得到数值区间表达式为A、B为正有理数或无理数，则设定正序q轴电流指令量且[-N,N]∩{[-∞,A]∪[B,+∞]}为非空集和。
7)同步旋转坐标系下正负序电流控制方程由式(4)、式(5)给出：
式中：
式中，u表示电压，上标“'”表示该电压为电压控制项(如图3所示PI调节器输出项)，Δu表示电压前馈项，其中的下标“con”表示变流器输出值，R表示图1所示的并网线路电阻(R＝Ra＝Rb＝Rc)，L表示图1所示的并网线路电感(L＝La＝Lb＝Lc)。
8)根据式(4)、式(5)解析表达式，得到如图3所示的基于正负序电压定向的并网变流器电流控制原理。图中，和分别为同步旋转坐标系正序d轴电流指令、正序q轴电流指令、负序d轴补偿电流指令和负序q轴补偿电流指令；和分别为同步旋转坐标系正序d轴电流观测值、正序q轴电流观测值、负序d轴电流观测值和负序q轴电流观测值。通过正负序各dq轴的PI调节器GPI(s)进行闭环控制，得到正负序各dq轴的控制电压 和通过正负序各dq轴控制电压与前馈项的算术计算，并乘以直流母线电压波动系数K进行校正，得到正负序各dq轴的变流器输出电压 和通过两相旋转坐标系-两相静止坐标系坐标变换，分别得到变流器正负序输出电压在α、β静止坐标系中的分量和其中，上标“α”、“β”分别表示该分量位于α、β静止坐标系。通过α、β轴正负序输出电压合成，得到并网变流器输出电压空间矢量，并进行脉宽调制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种并网变流器负序电流补偿方法，其特征是：
采样并网变流器直流母线电压，对该采样值进行平方计算、陷波滤波和平方根计算，滤除直流母线电压波动分量，通过直流母线交直流有功功率的解耦，对并网变流器直流母线电压进行闭环控制；
包括以下步骤：
1)采样并网变流器直流母线电压经平方计算得到将该信号作为陷波滤波器输入，滤除直流母线电压交变分量，将陷波滤波器输出进行平方根计算得到的直流分量
2)以作为直流母线电压指令量，以作为直流母线有功功率PI调节控制器GPI(s)的反馈，通过控制器得到直流母线有功功率直流量指令
3)计算电网负序电压与负序补偿指令电流相位差给定负序补偿电流指令幅值得到同步旋转坐标系负序d轴、q轴补偿电流指令 计算同步旋转坐标系正序d轴电流指令量
4)令正序d轴与三相静止A轴之间夹角为θp，负序d轴与三相静止A轴之间夹角为θn，通过空间矢量计算，得瞬时有功功率交流分量Pac：
Pac＝Pc2cos(θn-θp)+Ps2sin(θn-θp) (1)
式中其中，Pc2、Ps2分别为交流有功功率的余弦和正弦分量幅值，和分别为同步旋转坐标系正序d轴电流指令、正序q轴电流指令、负序d轴补偿电流指令和负序q轴补偿电流指令；和分别为同步旋转坐标系正序d轴电压指令、正序q轴电压指令、负序d轴电压指令和负序q轴电压指令；
根据给定的变流器直流母线电压的允许波动最大幅值及式(1)得：
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将和代入式(2)，得正序无功电流补偿的约束条件为：
Udc为变流器直流母线电压；ω1为电网电压同步角频率；
5)令同步旋转坐标系中变流器并网电流最大幅值为IN_dq，根据容量限制求解不等式方程得到的数值区间为其中N为正有理数或无理数；
6)根据式(3)，求取同步旋转坐标系中正序q轴电流指令量的数值区间，按输出最大感性无功或消纳最小感性无功的原则确定该指令量；
7)同步旋转坐标系下正负序电流控制方程由式(4)、式(5)给出：
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式中，u表示电压，Δu表示电压前馈项，其上标中的“'”表示该电压为电压控制项，其下标中“con”表示变流器输出值，其下标中的d、q分别表示同步旋转坐标系d轴、同步旋转坐标系q轴，下标中的p、n分别表示正序分量、负序分量，上标中的p、n分别表示该分量位于正序同步旋转坐标系、负序同步旋转坐标系；R表示并网线路电阻，L表示并网线路电感；
8)根据式(4)、式(5)解析表达式，通过正负序各dq轴的PI调节器GPI(s)进行闭环控制，得到正负序各d、q轴的控制电压和
通过正负序各dq轴控制电压与前馈项的计算，并乘以直流母线电压波动系数K进行校正，得到正负序各dq轴的变流器输出电压和
通过两相旋转坐标系-两相静止坐标系坐标变换，分别得到变流器正负序输出电压在α、β静止坐标系中的分量和其中，上标α、β分别表示该分量位于α、β静止坐标系；
通过α、β轴正负序输出电压合成，得到并网变流器输出电压空间矢量，并进行脉宽调制。
2.根据权利要求1所述的并网变流器负序电流补偿方法，其特征是，陷波滤波器的传递函数为其中Q为品质因数，ω1为电网电压同步角频率。
3.根据权利要求1所述的并网变流器负序电流补偿方法，其特征是，步骤3)中，
通过公式计算得到同步旋转坐标系正序d轴电流指令量
4.根据权利要求1所述的并网变流器负序电流补偿方法，其特征是，步骤6)中，若依据式(3)得到数值区间表达式为则设定正序q轴电流指令量
若依据式(3)得到数值区间表达式为A、B为正有理数或无理数，则设定正序q轴电流指令量且[-N,N]∩{[-∞,A]∪[B,+∞]}为非空集合。
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