CN109962480A - 静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用 - Google Patents

静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用，在αβ静止坐标系下利用电网电压及其延时90°的信号，得到中点箝位型三电平静止无功发生器输出电流的参考值，避免正负序分离和锁相环算法，利用PI控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电压外环，实现控制直流侧电压稳定；利用E‑PR控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电流内环，实现内环电流的跟踪控制，通过比例控制调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器的中点电位的平衡控制。

Description

静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用
技术领域
本公开涉及一种静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
中点箝位型(Neural Point Clamped，NPC)三电平变换器具有器件耐压要求低、输出波形谐波少、开关频率低、转换效率高等优点，适用于中高压输入的场合。
然而，电能在电网传输中，无功功率不仅会造成输电线路和配电变压器中的额外电能损耗，还会在电压末端引起较大的电压偏差或闪变，导致电网电压的不稳定。因此，对电网进行合理的无功补偿是降低电能损耗、稳定电网电压和提高电网电能质量的关键措施。静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)可迅速改变无功功率的大小和方向，具有更快的调节速度，更宽的调节范围，能够连续调节无功功率。而NPC三电平SVG，因其特有的结构优势，可有效地抑制电网电压的波动和闪变，降低电压的偏差，从而增强电网电压的稳定性，已被广泛应用于电网输配电侧(如变电站、风场等)和用电侧(如冶金、石化行业、矿山及电气化铁路等)场合。
在电网不平衡时，传统的基于平衡算法的NPC三电平SVG输出电流畸变，无功功率产生两倍频脉动。这导致***损耗增加，***性能降低。在电网不平衡时，常用基于正负序分离的方法在正负序旋转坐标系分别控制正负序分量。该方法需要正负序分离、锁相环等复杂计算，这增加了***控制的复杂度，增加了控制延时，降低了***的控制性能。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种静止无功发生器无锁相环控制***、方法及应用，本公开能够消除电网不平衡时无功功率的波动，直流侧中点电位的平衡控制，实现SVG输出电流的正弦化，降低并网电流的总谐波含量(Total Harmonic Distortion，THD)。同时能够去除锁相环技术，大大减小锁相环引起的计算量，显著提高了响应速度，降低了数字延迟对控制性能的影响。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种静止无功发生器无锁相环控制***，用于控制中点箝位型三电平静止无功发生器，被配置为：
在αβ静止坐标系下利用电网电压及其延时90°的信号，得到中点箝位型三电平静止无功发生器输出电流的参考值，避免正负序分离和锁相环算法，利用PI控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电压外环，实现控制直流侧电压稳定；利用E-PR控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电流内环，实现内环电流的跟踪控制，通过比例控制调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器的中点电位的平衡控制。
作为进一步的限定，所述中点箝位型三电平静止无功发生器包括交流侧和直流侧，其中：
所述交流侧包括三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的功率开关管，形成串联组，两个二极管串联后与串联组中位于中间的两个功率开关管并联，交流侧串联组的中点通过滤波器能够连接至交流电源；
直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，所述中性点与该相两个二极管的中间点连接，每相串联组的中间点连接对应的滤波器。
作为进一步的限定，所述中点箝位型三电平静止无功发生器通过电抗器连接电网。
作为进一步的限定，所述直流侧采用PI控制器，其输出为有功功率的参考。
作为进一步的限定，所述直流侧采用比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器中点电位的平衡控制。
一种静止无功发生器无锁相环控制方法，包括：
在αβ静止坐标系下利用电网电压及其延时90°的信号，得到中点箝位型三电平静止无功发生器输出电流的参考值，避免正负序分离和锁相环算法，利用PI控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电压外环，实现控制直流侧电压稳定；利用E-PR控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电流内环，实现内环电流的跟踪控制，通过比例控制调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器的中点电位的平衡控制。
作为一种可选择的方案，在αβ静止坐标系下，利用电网电压及其延时90°的值和有功、无功功率的参考值，根据消除无功功率波动的原理，计算得到电流的参考值。
作为进一步的限定，电网电压延时90°的值，利用分数延迟滤波器近似由固定采样率引起的分数延迟。
作为进一步的限定，采用E-PR控制器实现内环电流的跟踪。
作为进一步的限定，采用比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电位的平衡控制。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的静止无功发生器无锁相环控制方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的静止无功发生器无锁相环控制方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、在αβ静止坐标系下，利用电网电压、电流及其延迟90°的值和有功、无功功率的参考值得到电流的参考值，该电流参考值具有消除无功功率波动，保证无功功率恒定的特点。为了得到延时90°的信号，利用分数延迟滤波器近似由固定采样率引起的分数延迟，提高了***的响应速度。
2、该方法无需锁相环技术，避免了不平衡电网条件下锁相引起的困难和误差，大大减少了计算量，提高了控制的精度。
3、该方法无需正负序分离，避免了正负序分离引起的复杂计算，节省了计算时间。
4、电流内环采用E-PR控制器，提高了响应速度，降低了数字延迟对控制性能的影响。
5、直流侧电压外环采用PI控制器，实现直流母线电压的稳定控制；
6、直流侧中点电压通过比例控制器调节冗余小矢量的作用时间实现中点电位的平衡控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为NPC三电平SVG主电路拓扑；
图2为NPC三电平SVG空间矢量图；
图3为电网不平衡时NPC三电平SVG控制框图；
图4为电网不平衡时NPC三电平SVG无锁相环控制***输出波形。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例一种基于电网不平衡条件下NPC三电平SVG无锁相环控制***及方法，消除了电网不平衡时无功功率的波动，实现SVG输出电流的正弦化，降低并网电流的THD；同时去除了锁相环技术和电压电流正负序分离，避免了锁相环和正负序分离引起的复杂计算，大大减小锁相环引起的误差；电流内环采用E-PR控制器降低了数字延迟对控制性能的影响。
本实施例的重点在于：
***采用电压电流双闭环控制，整个控制在两相静止αβ坐标系下实施。电压外环控制直流侧电压，使得直流侧电压稳定；电流内环实现电流的跟踪控制；通过比例控制器调节冗余小矢量的作用时间实现直流侧中点电位的平衡控制。
电压外环根据直流侧电压的参考值和实际的采样值Vdc采用比例积分(Proportional Integral，PI)控制器控制直流侧电压，使其稳定，外环输出为有功功率的参考p*。
电流内环根据三相电流采样值iabc经过Clark变换得到两相电流值iαβ，与两相电流参考值进行作差比较，通过E-PR控制器实现内环电流的跟踪控制。与传统控制器相比，该控制器具有延迟时间小，跟踪性能更好的优势。
电流参考的计算方法具体描述为：利用电网电压eαβ及其延迟90°的值e'αβ和有功、无功功率的参考值p*，q*，计算电流内环中电流的参考得到的参考值具有消除无功功率的脉动，保证无功功率恒定的特性。该计算方法无需正负序分离，无需锁相环技术，避免了电网不平衡时，正负序分离引起的复杂计算，锁相困难和不准确的问题，大大减少了计算量，节省了计算时间，提高了控制的精度。为了得到延时90°的信号，利用分数延迟滤波器近似由固定采样率引起的分数延迟，提高了***的响应速度。
采集直流侧上下两个电容的电压VC1和VC2，通过比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，控制中点电位的平衡。
具体的，本实施例基于NPC三电平SVG，为了实现上述目的，采用如下技术方案：
本实施例控制的对象为NPC三电平SVG***，图1给出了NPC三电平SVG的主电路拓扑，包括以下部分：(1)三相电网ea，eb，ec；(2)12个开关管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4，Sb1，Sb2，Sb3，Sb4，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4；(3)6个二极管Da1，Da2，Db1，Db2，Dc1，Dc2；(4)直流侧电容C1，C2。直流侧串联的两个滤波电容给出了中性点Ο，每相桥臂中两个串联的二极管连接在正负半桥臂之间，其中点连接至电容中性点Ο，每相桥臂均能输出三种电平状态。
在图1中，根据基尔霍夫电压定律，得到NPC三电平SVG的数学模型为
其中，L和R表示电抗器的电感和等效串联电阻，ea，eb，ec是三相电网电压，ua，ub，uc是NPC三电平SVG的桥臂输出电压。
在不平衡电网条件下，电网电压和电流可分别表示为
其中，分别为电网电压和电流在αβ静止坐标系下的正负序分量。在αβ静止坐标系下，可用电压、电流及其它们延时90°的信号eαβ，e'αβ，iαβ，i'αβ来表示，即：
根据电网不平衡时电压和电流的表达式得到NPC三电平SVG传递的功率为：
其中，
NPC三电平SVG的控制目标是消除电网不平衡时无功功率的波动，保证无功功率的恒定，实现SVG输出电流的正弦化和直流侧电压的稳定及中点电位的平衡。当无功波动为零时，需满足po＝p*，qo＝q*，qs2＝qc2＝0，即：
所以，电流的参考值可表示为：
该电流参考值在αβ静止坐标系下，利用电网电压及其延迟90°的值和有功、无功功率的参考值计算得到，该电流参考值具有消除无功功率波动，保证无功功率恒定的特点。参考电流的计算无需正负序分离和锁相环技术，减小了计算量、复杂度。为了得到延时90°的信号，利用分数延迟滤波器近似由固定采样率引起的分数延迟，提高了***的响应速度。
图2为NPC三电平SVG空间电压矢量图，根据空间电压矢量的幅值，空间电压矢量可以分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和零矢量对中点电位没有影响，而中矢量和小矢量对中点电位有影响。但是中矢量对中点电位的影响不确定其与电流方向有关，而冗余的正负小矢量对中点电位的影响相反，故本实施例，通过比例控制器调节冗余小矢量的作用时间来实现直流侧中点电位的平衡控制。
图3为NPC三电平SVG***控制框图。本***采用电压电流双闭环控制，整个控制在两相静止坐标系即αβ静止坐标系下实施。
电压外环根据直流侧电压的参考值和实际的采样值Vdc采用PI控制器控制直流侧电压，使其稳定，外环输出为有功功率的参考p*。
电流内环根据三相电流采样值iabc经过Clark变换得到两相电流值iαβ，与两相电流参考值进行作差比较，通过E-PR控制器实现内环电流的跟踪控制。与传统控制器相比，该控制器具有延迟时间小，跟踪性能更好的优势。
传统的PR控制器在设置的谐振频率下具有较高的增益，能够实现谐波电流的抑制。然而，由数字控制、采样和脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)单元引起的延迟时间会在补偿高次谐波时降低传统PR控制器的性能。为了克服这些问题，本实施例方法提出了一种E-PR控制器，用于实现NPC三电平SVG的电流控制。相比于传统PR控制器，它的显著优势是可以通过选择合适的控制器增益抵消延迟时间。其传递函数为：
采集直流侧上下两个电容的电压VC1和VC2，通过比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，控制中点电位的平衡。
图4为电网不平衡时NPC三电平SVG无锁相环控制***的输出波形，依次为电网电压、电网电流、有功功率和无功功率。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行本实施例提供的NPC三电平SVG无锁相环控制方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行本实施例提供的NPC三电平SVG无锁相环控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种静止无功发生器无锁相环控制***，其特征是：用于控制中点箝位型三电平静止无功发生器，被配置为：
在αβ静止坐标系下利用电网电压及其延时90°的信号，得到中点箝位型三电平静止无功发生器输出电流的参考值，避免正负序分离和锁相环算法，利用PI控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电压外环，实现控制直流侧电压稳定；利用E-PR控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电流内环，实现内环电流的跟踪控制，通过比例控制调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器的中点电位的平衡控制。
2.如权利要求1所述的一种静止无功发生器无锁相环控制***，其特征是：所述中点箝位型三电平静止无功发生器包括交流侧和直流侧，其中：
所述交流侧包括三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的功率开关管，形成串联组，两个二极管串联后与串联组中位于中间的两个功率开关管并联，交流侧串联组的中点通过滤波器能够连接至交流电源；
直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，所述中性点与该相两个二极管的中间点连接，每相串联组的中间点连接对应的滤波器。
3.如权利要求2所述的一种静止无功发生器无锁相环控制***，其特征是：所述直流侧采用PI控制器，其输出为有功功率的参考。
4.如权利要求2所述的一种静止无功发生器无锁相环控制***，其特征是：所述直流侧采用比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器中点电位的平衡控制。
5.一种静止无功发生器无锁相环控制方法，其特征是：在αβ静止坐标系下利用电网电压及其延时90°的信号，得到中点箝位型三电平静止无功发生器输出电流的参考值，避免正负序分离和锁相环算法，利用PI控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电压外环，实现控制直流侧电压稳定；利用E-PR控制中点箝位型三电平静止无功发生器的电流内环，实现内环电流的跟踪控制，通过比例控制调节冗余小矢量的作用时间，实现中点箝位型三电平静止无功发生器的中点电位的平衡控制。
6.如权利要求5所述的一种静止无功发生器无锁相环控制方法，其特征是：在αβ静止坐标系下，利用电网电压及其延时90°的值和有功、无功功率的参考值，根据消除无功功率波动的原理，计算得到电流的参考值。
7.如权利要求5所述的一种静止无功发生器无锁相环控制方法，其特征是：电网电压延时90°的值，利用分数延迟滤波器近似由固定采样率引起的分数延迟。
8.如权利要求5所述的一种静止无功发生器无锁相环控制方法，其特征是：采用E-PR控制器实现内环电流的跟踪；
或/和，采用比例控制器调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电位的平衡控制。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求5-8中任一项所述的静止无功发生器无锁相环控制方法。
10.一种终端设备，其特征是，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求5-8中所述的静止无功发生器无锁相环控制方法。
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Assignee: SHANDONG TAIKAI POWER ELECTRONIC Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG University

Contract record no.: X2022980013010

Denomination of invention: Non-phase-locked loop control system, method and application of static var generator

Granted publication date: 20210226

License type: Common License

Record date: 20220822