CN116742661B - 一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置 - Google Patents

一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及配电网的三相不平衡治理领域，具体是一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，本发明解决了配电网中由不平衡交流负载导致的负荷并网点电压三相不平衡这一问题。本发明装置在拓扑上由三相电压型PWM桥式整流器接直流负载构成，在控制策略上采取三个独立的下垂控制，并结合电压电流双闭环控制策略触发三相电压型PWM桥式整流器，在变换器可承受的范围内独立控制三相整流器传输的各相功率，使交流负荷并网点电压不平衡度降低，实现了对不平衡配网三相不平衡的治理。本发明为一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，具有良好的实用性。

Description

一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置
技术领域
本发明涉及配电网的三相不平衡治理领域，具体是一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置。
背景技术
现在由于市区单相充电桩比较多，初期安装时虽能基本平均分配在三相电源上，但是由于客户充电选择的桩点比较随机，不能平均分配在三相电源，导致配电台区三相不平衡严重。随着充电高峰的来临，会出现电压一相高、一相低，电压偏移严重的现象。最终引起充电桩电压保护闭锁，无法正常工作。
基于三相不平衡的治理方法可分为三类：
1)相间电容补偿：相间电容补偿是指在补偿装置中使用一定数量单相电力电容器，通过检测三相电流来进行分别计算并控制各相电容器的投入数量来达到补偿目的，因此可以使各相的无功电流均获得良好的补偿；
2)电力电子变流器型补偿：利用电力电子换流器在三相之间转移有功功率，从而解决变压器三相绕组负荷不平衡问题，其中，电力电子型三相负荷自动调节装置是利用无功发生器(SVG)在相间注入不同的无功电流来降低不平衡度；
3)换相开关：通过将配网中的一部分单相负荷加装换相器，使其变为可控负荷；主控器检测三相负荷的平衡状况，实时的对单相负荷做出优化决策，使整个台区的负荷均衡的分布在三相供电线路上。
下垂控制是三相全桥变换器的常用控制方法之一。根据变换器控制目标，可采用与传统发电机相似的下垂曲线来实现变换器的功率控制。原理是逆变电源检测出各自输出功率的大小，对有功无功两个部分进行独立的解耦控制，利用下垂特性推出其输出电压幅值与频率的参考值，从而合理地分配***的有功和无功功率。然而，传统下垂控制中，求取三相变换器传输总功率后，可计算三相电压幅值和相位的参考值。此时，三相参考电压具有幅值相等、相位相差120°的特点。但在交流母线电压工作在不平衡状态时，各相传输功率并不能独立控制，控制环节中的电压参考仍呈现三相对称特点，与实际三相电压存在较大偏差。控制电压参考将会导致控制精度降低，甚至出现控制失稳的情况发生。综上，提出一种可实现三相独立可控的下垂控制，对于抑制全桥变换器三相电压不平衡提供了一种便捷有效的方法。
发明内容
本发明为了解决传统下垂控制中三相不能独立控制而导致控制精度低的问题，提供了一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，该装置在拓扑上由三相电压型PWM桥式整流器接直流负载构成，在控制策略上采取三个独立的下垂控制，并结合电压电流双闭环控制策略触发三相电压型PWM桥式整流器，在整流器可承受的范围内独立控制三相整流器传输的各相功率，使交流负荷并网点电压不平衡度降低，实现了对不平衡配网三相不平衡的治理。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，其拓扑结构由以IGBT反并联二极管为开关器件的三相电压型PWM桥式整流器接一直流负载构成。整流器的输出侧经电容器C与直流负载并联，输入侧通过LC滤波装置连接到不平衡治理源。
通过对下垂模型的数学推导及理解，认识到下垂特性的实质即是一种线性的对应关系。虽然通常应用于对逆变器的控制中，但通过设计合适的整流器模型，经过下垂特性的推算可知，电压与功率间这种形式的对应关系同样能够运用在对整流器的控制中。
所谓基于下垂控制的三相不平衡治理策略即基于交流负荷并网点电压的不平衡情况制定治理装置对各相功率的不平衡消耗策略，运用低压配电网中的下垂特性将功率参考值转换为电压参考值，最终由电压电流双闭环中的PI控制整定得到三相PWM整流器的电压驱动指令。具体如下：
首先由功率计算模块将采集到的交流负荷并网点的电压uabc与流入治理装置的电流iabc通过功率计算式1和功率计算式2得出输入到治理装置的有功功率Pabc和无功功率Qabc；有功功率Pabc和无功功率Qabc将被送入到下垂控制模块中，根据低压配电网的下垂特性方程3和下垂特性方程4得出治理装置入口处电压的幅值Uabc与频率ωabc；治理装置入口电压同时也是交流负载并网点的电压，从后续设计角度来看，下垂控制模块的输出量最终将作为电压环的参考电压Uref通过电压电流双闭环由经典的PI控制整定得出三相电压型PWM桥式整流器的电压驱动信号Vαβ_ref。且由于最终的治理目标是将交流负荷并网点电压的不平衡度降低，因此电压环的参考电压需尽可能对称，则电压合成模块中三相参考电压的相位被设计为[0 -2π/3 2π/3]；
所述的功率计算式1为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的实部作为传输的有功功率，ua、ub、uc分别为交流负荷并网点的a相电压、b相电压和c相电压，ia、ib、ic分别为流入治理装置的a相电流、b相电流和c相电流，Pa、Pb、Pc分别为治理装置的a相有功功率、b相有功功率和c相有功功率。
功率计算式2为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的虚部作为传输的无功功率；Qa、Qb、Qc分别为治理装置的a相无功功率、b相无功功率和c相无功功率。
下垂特性计算式3为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压幅值基准值、b相电压幅值基准值、c相电压幅值基准值；ma、mb、mc分别为a相U-P下垂特性系数、b相U-P下垂特性系数、c相U-P下垂特性系数；/>分别为治理装置的输入侧a相有功功率基准值、b相有功功率基准值、c相有功功率基准值。
下垂特性计算式4为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压频率的基准值、b相电压频率的基准值、c相电压频率的基准值；na、nb、nc分别为a相ω-Q下垂特性系数、b相ω-Q下垂特性系数、c相ω-Q下垂特性系数；/>分别为治理装置的输入侧a相无功功率基准值、b相无功功率基准值、c相无功功率基准值。
上述的一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，功率计算、下垂控制驱动以及整流桥PWM调制均通过DSP微处理器实现。
上述的一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，通过下垂控制将治理三相不平衡的功率指令转换为电压指令，并结合电压电流双闭环控制实现对于三相电压型PWM桥式整流器的触发。
本发明所提出的一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，根据“对于并网点电压高的一相，治理装置更多去消耗该相的功率可使该相电压降低”的治理思路，通过下垂控制将治理三相不平衡的功率指令转换为并网点的电压指令。相比于控制不平衡功率指令的输出，控制不平衡电压指令的输出显然更容易实现且效果更好。最终运用经典的电压电流双闭环控制，通过PI控制整定出整流器的电压驱动信号。在保证了直流负荷消耗总功率确定的同时，实现了变换器交流侧各相输入功率的可控。
附图说明
图1是治理装置采用的三相电压型PWM桥式整流器的电路拓扑图。
图2是简化的低压配电网的单相电路拓扑图。
图3是在投入治理装置后的配电网三相不平衡***的电路拓扑图。
图4是所设计治理装置采用的控制策略框图。
图1中：三相电压型PWM桥式整流器由以IGBT反并联二极管为开关器件的三相桥式电路和直流负载构成。其主要部件由输入侧滤波装置、三对IGBT开关器件、直流侧滤波电容组成。为避免短路故障，三相桥内部上下两个功率开关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，其对应下桥臂功率开关管关断。
图2中：E∠δ为电源电压，Z∠θ为线路阻抗，由于研究的是低压配电网中的下垂特性，线路阻抗呈阻性，R为线路阻值；RL为交流负荷，U∠φ为交流负荷并网点电压，同时也是治理装置的输入电压；S为注入治理装置的复功率，P、Q为输入到治理装置的有功功率和无功功率。
图3中：ua、ub、uc为交流负荷并网点三相电压，va、vb、vc为整流器各桥臂的中点电压。所设计的不平衡治理装置的核心器件是三相电压型PWM整流器，整流器输入侧采用LC滤波器(便于后续电压电流双闭环中PI参数的整定)，输出侧经稳压电容Cdc接一直流负载Rdc。
图4中：Pabc为输入到治理装置的有功功率，Qabc为输入到治理装置的无功功率，Uabc为治理装置入口处的电压幅值，ωabc为治理装置入口处的电压频率，Uref为合成的交流负荷并网点的参考电压，Vαβ_ref为由电压电流双闭环输出的三相电压型PWM桥式整流器的驱动电压。功率计算模块中，通过对流入治理装置电流与并网点电压的计算，得到输入治理装置的功率。下垂控制模块则根据低压配电网中的U-P与ω-Q的下垂特性得出装置入口处的电压幅值与频率。电压电流双闭环模块将得到的交流负荷并网点的参考电压作为电压环参考电压并由经典的PI控制整定得到整流器的电压驱动信号。
具体实施方式
推导低压配电网中的下垂特性关系，基于下垂控制得到的参考电压值将作为电压电流双闭环中电压环的参考电压，并结合整流器的拓扑对双闭环中的PI参数进行整定。双闭环的输出经过PWM调制将得到整流器的电压驱动信号。
S为注入治理装置的复功率，等于电压相量乘以电流相量的共轭，通常认为配电网***正常运行时，大电网电压与交流负荷并网点电压的相位差(δ-φ)相差不大，基于此对式(5)进行化简得
分别以并网点电压的相角φ和幅值U为变量对式(6)中的有功功率P、无功功率Q表达式求偏导数，得到两变量对有功功率P以及无功功率Q的变化关系。由分析可知低压配电网中P与U的相关性大于其与φ的相关性，即P对U的影响远大于对φ的影响；Q与φ的相关性大于其与U的相关性，即Q对φ的影响远大于对U的影响。所以在后续制定控制策略时，常采取U-P与ω-Q这两组下垂特性方程。
所述三相电压型PWM整流器由以IGBT反并联二极管为开关器件的三相桥式电路构成。其主要部件由输入侧三相滤波装置、三对IGBT开关器件、直流侧滤波电容组成。
本发明为一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，其所述方法具体展开如下：
在功率计算模块中，通过功率计算式1和功率计算式2对流入治理装置电流与并网点电压的计算，得到输入治理装置的功率。下垂控制模块则根据低压配电网中的U-P与ω-Q的下垂特性方程3和下垂特性方程4得出装置入口处的电压幅值与频率。电压电流双闭环模块将得到的交流负荷并网点的参考电压作为电压环参考电压，并由经典的PI控制整定得到三相整流器的电压驱动信号。
功率计算式1为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的实部作为传输的有功功率，ua、ub、uc分别为交流负荷并网点的a相电压、b相电压和c相电压，ia、ib、ic分别为流入治理装置的a相电流、b相电流和c相电流，Pa、Pb、Pc分别为治理装置的a相有功功率、b相有功功率和c相有功功率；
功率计算式2为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的虚部作为传输的无功功率；Qa、Qb、Qc分别为治理装置的a相无功功率、b相无功功率和c相无功功率；
下垂特性方程3为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压幅值基准值、b相电压幅值基准值、c相电压幅值基准值，由于线路阻抗上的压降相对不大，故幅值基准通常取网侧电压幅值311V；ma、mb、mc分别为a相U-P下垂特性系数、b相U-P下垂特性系数、c相U-P下垂特性系数，有多种整定方法；/>分别为治理装置的输入侧a相有功功率基准值、b相有功功率基准值、c相有功功率基准值，其设定参考交流负荷并网点电压的高低，电压高的一相有功功率基准值大一些，电压低的一相有功功率基准值小一些，需始终满足Pn为直流负载的额定功率。
下垂特性方程4为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压频率的基准值、b相电压频率的基准值、c相电压频率的基准值，由于f＝50Hz为低压配电网中的全局变量，故角频率基准通常取314rad/s；na、nb、nc分别为a相ω-Q下垂特性系数、b相ω-Q下垂特性系数、c相ω-Q下垂特性系数，有多种整定方法；/>分别为治理装置的输入侧a相无功功率基准值、b相无功功率基准值、c相无功功率基准值，其设定可根据上一步得到的三相有功功率基准值/>结合治理装置滤波部分(含无源器件)的设计，由功率因数角算得。
由采集到的交流负荷并网点的电压uabc与流入治理装置的电流iabc，经功率计算式1和功率计算式2得出输入到治理装置的有功功率Pabc和无功功率Qabc；之后在下垂控制模块中，根据低压配电网的下垂特性方程3和下垂特性方程4得出治理装置入口处电压的幅值Uabc与频率ωabc；最后将下垂控制模块的输出量结合相位指令合成电压环的参考电压Uref输入到电压电流双闭环中，由经典的PI控制整定得出三相PWM电压型整流器的电压驱动信号Vαβ_ref。

Claims (3)

1.一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，其特征在于：所述三相不平衡治理装置采用三相电压型PWM桥式整流器拓扑结构，其控制策略采用三相下垂控制方法，所述三相不平衡治理装置适用于低压配电网***，由于其线路阻抗呈阻性特性，故下垂控制采用U-P与ω-Q模式，所述三相下垂控制方法为：功率计算模块将采集到的交流负载并网点的电压uabc与电流iabc通过功率计算式1和功率计算式2得到各相有功功率Pabc和无功功率Qabc；下垂控制模块中根据低压配电网的下垂特性方程3和下垂特性方程4得到治理装置入口处电压的幅值Uabc与频率ωabc；下垂控制模块的输出量最终将作为电压环的参考电压Uref通过电压电流双闭环由PI控制整定得出三相电压型PWM桥式整流器的电压驱动信号Vαβ_ref；
所述的功率计算式1为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的实部作为传输的有功功率，ua、ub、uc分别为交流负荷并网点的a相电压、b相电压和c相电压，ia、ib、ic分别为流入治理装置的a相电流、b相电流和c相电流，Pa、Pb、Pc分别为治理装置的a相有功功率、b相有功功率和c相有功功率；
功率计算式2为
式中采用电压相量与电流相量共轭的乘积的虚部作为传输的无功功率；Qa、Qb、Qc分别为治理装置的a相无功功率、b相无功功率和c相无功功率；
下垂特性方程3为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压幅值基准值、b相电压幅值基准值、c相电压幅值基准值；ma、mb、mc分别为a相U-P下垂特性系数、b相U-P下垂特性系数、c相U-P下垂特性系数；/>分别为治理装置的输入侧a相有功功率基准值、b相有功功率基准值、c相有功功率基准值；
下垂特性方程4为
式中的分别为治理装置的输入侧a相电压频率基准值、b相电压频率基准值、c相电压频率基准值；na、nb、nc分别为a相ω-Q下垂特性系数、b相ω-Q下垂特性系数、c相ω-Q下垂特性系数；/>分别为治理装置的输入侧a相无功功率基准值、b相无功功率基准值、c相无功功率基准值。
2.根据权利要求1所述的一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，其特征在于：功率计算、下垂控制驱动以及整流桥PWM调制均通过DSP微处理器实现。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于三相下垂控制的三相不平衡治理装置，其特征在于：通过下垂控制将治理三相不平衡的功率指令转换为电压指令，并结合电压电流双闭环控制实现对于三相电压型PWM桥式整流器的触发。
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基于反馈阻抗的微电网下垂控制策略;杨涛;赵兴勇;王帅;;电网与清洁能源(第10期);34-39 *
范元亮 ; 苗逸群 ; .基于下垂控制结构微网小扰动稳定性分析.电力***保护与控制.2012,1-8. *

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