專利名稱：基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種配電靜止同步補(bǔ)償器控制方法，特別涉及一種基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法。

背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中整流器、電弧爐、電氣化鐵路等負(fù)荷不斷增加。這些負(fù)荷的沖擊性和不平衡性的用電特性，引起了配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡等一系列電能質(zhì)量問題。另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。低劣的供電質(zhì)量將導(dǎo)致低劣的產(chǎn)品質(zhì)量，特別是在重要工業(yè)生產(chǎn)過程中，供電的突然中斷將會(huì)給企業(yè)、社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電能質(zhì)量問題已不僅僅是電力系統(tǒng)中電壓和頻率等的基本技術(shù)問題，它已被提升為關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)及設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，關(guān)系電氣環(huán)境工程保護(hù)，關(guān)系整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益和發(fā)展戰(zhàn)略。解決電能質(zhì)量問題的有效途徑是在電網(wǎng)中安裝無功補(bǔ)償裝置。配電靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)代表了未來電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也是一種重要的“用戶電力技術(shù)”設(shè)備，能綜合的解決配電網(wǎng)中的多種電能質(zhì)量問題。在中低壓配電系統(tǒng)中，配電靜止同步補(bǔ)償器通常采用基于VSI-SPWM結(jié)構(gòu)的電路拓?fù)?。一般在設(shè)計(jì)DSTATCOM電壓控制器時(shí)都假設(shè)電網(wǎng)電壓是三相對(duì)稱的，在這種條件下設(shè)計(jì)出的控制器在電網(wǎng)電壓平衡時(shí)有良好的性能。然而，實(shí)際電網(wǎng)中不平衡情況普遍存在，當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)基于對(duì)稱假設(shè)的控制器性能會(huì)變差，更嚴(yán)重的情況還會(huì)燒壞DSTATCOM裝置。DSTATCOM的不平衡控制可以提高DSTATCOM在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱條件下的生存能力，具有重要意義。


發(fā)明內(nèi)容
為克服配電網(wǎng)電壓不平衡給設(shè)計(jì)DSTATCOM控制器帶來的影響，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是所述基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法分別進(jìn)行正序控制和負(fù)序控制，根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式推導(dǎo)出d-q正序及負(fù)序坐標(biāo)系中電流-電壓的轉(zhuǎn)換公式，從而得到正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)，最后將正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)相疊加后作為DSTATCOM輸出電壓調(diào)制信號(hào)，經(jīng)三角載波調(diào)制后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制智能功率模塊IPM的動(dòng)作產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電壓，其中正序控制中，公共連接點(diǎn)PCC電壓指令值Upcc*、直流側(cè)電容電壓指令值Udc*分別與實(shí)際測(cè)量值的誤差經(jīng)增量式PI調(diào)節(jié)后分別形成正序無功指令電流信號(hào)iq*+和正序有功指令電流信號(hào)id*+；正序無功指令電流信號(hào)iq*+及正序有功指令電流信號(hào)id*+經(jīng)正序電流-電壓轉(zhuǎn)換后，得到正序無功指令電壓信號(hào)eq*+及正序有功指令電壓信號(hào)ed*+；eq*+，ed*+經(jīng)dq+/abc變換后得到正序電壓調(diào)制信號(hào)；負(fù)序控制方法中，公共連接點(diǎn)PCC電壓經(jīng)過abc/dq-變換，然后用二次諧波濾除法提取PCC電壓的負(fù)序分量，PCC電壓的負(fù)序分量跟指令信號(hào)0的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，形成DSTATCOM逆變器輸出負(fù)序無功指令電流指令信號(hào)iq*-和負(fù)序有功指令電流信號(hào)id*-；iq*-，id*-經(jīng)負(fù)序電流-電壓轉(zhuǎn)換后，得到負(fù)序無功指令電壓信號(hào)eq*-和負(fù)序有功指令電壓信號(hào)ed*-，再經(jīng)dq-/abc變換后得到負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)。
本發(fā)明把DSTATCOM經(jīng)LC濾波器濾波后并入電網(wǎng)來調(diào)整和平衡配電網(wǎng)電壓。其中配電靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM的主電路拓?fù)洳捎没赩SI-SPWM的結(jié)構(gòu)，經(jīng)LC濾波器濾波后再通過耦合變壓器并入配電網(wǎng)。通過對(duì)配電網(wǎng)電壓不平衡條件下DSTATCOM的負(fù)序等效電路分析，提出了一種新的基于瞬時(shí)功率平衡的正、負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法。所述雙環(huán)是指正序電壓控制環(huán)及負(fù)序電壓控制環(huán)。其中正序電壓控制環(huán)用來控制公共連接點(diǎn)電壓為給定值，負(fù)序電壓控制環(huán)用來實(shí)現(xiàn)公共連接點(diǎn)電壓三相不對(duì)稱控制。
本發(fā)明所述基于瞬時(shí)功率平衡的DSTATCOM正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法，維持了直流側(cè)電容電壓和PCC電壓恒定，并且實(shí)現(xiàn)了公共連接點(diǎn)電壓三相不平衡控制；該控制方法根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式推導(dǎo)出d-q正序及負(fù)序坐標(biāo)系中電流-電壓的轉(zhuǎn)換，從而避免了傳統(tǒng)電流控制方法中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且不需要電流傳感器，進(jìn)而降低了成本?；谠摽刂品椒ǖ腄STATCOM裝置可以有效抑制配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)及閃變，補(bǔ)償配電網(wǎng)三相電壓不平衡，可以有效改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。



圖1是本發(fā)明的主電路原理圖； 圖2是本發(fā)明所述控制方法原理圖； 圖3是本發(fā)明的負(fù)序等效電路； 圖4是本發(fā)明的負(fù)序電流分量指令信號(hào)流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的工作原理進(jìn)行詳細(xì)描述 如圖1所示，本發(fā)明將基于VSI-SPWM結(jié)構(gòu)的DSTATCOM經(jīng)LC濾波器濾波后再通過耦合變壓器并入電網(wǎng)來調(diào)整和平衡配電網(wǎng)電壓。DSTATCOM的主電路由三相電壓型逆變器組成。功率開關(guān)器件采用絕緣柵雙極晶體管IGBT，直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電容器C，為逆變器的工作提供直流電壓支撐。為了濾除功率開關(guān)器件引起的高頻毛刺，在DSTATCOM的輸出電路中采用了LC濾波電路。DSTATCOM與電網(wǎng)的連接采用耦合變壓器，變壓器的變比為1∶2。本發(fā)明采用基于瞬時(shí)功率平衡的正、負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法來調(diào)整和平衡配電網(wǎng)電壓。
如圖2所示，本發(fā)明包括基于瞬時(shí)功率平衡的正序電壓控制環(huán)及負(fù)序電壓控制環(huán)。其中，正序電壓控制環(huán)用來調(diào)整公共連接點(diǎn)電壓及直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在給定值附近；負(fù)序電壓控制環(huán)用來實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓三相不平衡控制。
在圖2的正序電壓控制環(huán)中，由瞬時(shí)功率平衡思想可以推導(dǎo)出正序d-q坐標(biāo)系下電流-電壓的轉(zhuǎn)換。公共連接點(diǎn)PCC電壓指令值Upcc*與實(shí)際測(cè)量值的誤差經(jīng)增量式PI調(diào)節(jié)后形成正序無功指令電流信號(hào)iq*+；直流側(cè)電容電壓指令值Udc*與實(shí)際測(cè)量值的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成正序有功指令電流信號(hào)id*+；正序無功指令電流信號(hào)iq*+及正序有功指令電流信號(hào)id*+經(jīng)正序電流-電壓轉(zhuǎn)換后，得到正序無功指令電壓信號(hào)eq*+及正序有功指令電壓信號(hào)ed*+。eq*+，ed*+經(jīng)dq+/abc變換后得到正序電壓調(diào)制信號(hào)。
在圖2的負(fù)序電壓控制環(huán)中，通過建立配電網(wǎng)電壓不平衡情況下DSTATCOM的負(fù)序等效電路，再由瞬時(shí)功率平衡思想可以推導(dǎo)出負(fù)序d-q坐標(biāo)系中電流-電壓的轉(zhuǎn)換。公共連接點(diǎn)PCC電壓經(jīng)過abc/dq-變換，然后用二次諧波濾除法提取PCC電壓的負(fù)序分量，PCC電壓的負(fù)序分量跟指令信號(hào)0的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，形成DSTATCOM逆變器輸出電流負(fù)序分量的指令信號(hào)iq*-，id*-；iq*-，id*-經(jīng)負(fù)序電流-電壓轉(zhuǎn)換后，得到eq*-，ed*-，再經(jīng)dq-/abc變換后得到負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)。
在圖2的負(fù)序電壓控制環(huán)中，負(fù)序電流-電壓轉(zhuǎn)換的推導(dǎo)過程如下補(bǔ)償電網(wǎng)電壓中的負(fù)序分量時(shí)，DSTATCOM必須發(fā)出滿足要求的負(fù)序電流。此時(shí)，DSTATCOM的輸出電壓和輸出電流中不僅含有正序分量還含有負(fù)序分量。利用對(duì)稱分量法建立起不平衡補(bǔ)償時(shí)DSTATCOM的負(fù)序等效電路如圖3所示。
圖3中，ua，b，c-為PCC電壓的負(fù)序分量，e*-a，b，c為DSTATCOM輸出電壓的負(fù)序分量，i*-a，b，c為DSTATCOM輸出電流的負(fù)序分量。
對(duì)于如圖3所示的負(fù)序等效電路，DSTATCOM逆變器的輸出瞬時(shí)功率為 連接電抗器等效阻抗消耗的瞬時(shí)功率為 公共連接點(diǎn)的負(fù)序瞬時(shí)功率為 對(duì)于負(fù)序系統(tǒng)，由瞬時(shí)功率平衡原理可得 為使PCC電壓由不平衡變?yōu)槠胶猓枰度隓STATCOM進(jìn)行不平衡補(bǔ)償。關(guān)鍵步驟之一就是求出DSTATCOM需要發(fā)出的滿足要求的負(fù)序電流。
PCC電壓不平衡時(shí)，即(ud，q-為ua，b，c-在d-q負(fù)序坐標(biāo)系下的分量)。不平衡控制的目的是使PCC負(fù)序電壓變?yōu)?。欲使ua，b，c-為0，需使欲使可將ud-與uq-分別與其預(yù)期目標(biāo)0作差值再通過PI調(diào)節(jié)，這樣就得到了補(bǔ)償PCC電壓不平衡時(shí)DSTATCOM需要輸出的負(fù)序電流分量的指令信號(hào)i*d-、i*q-(如圖4所示)，即 關(guān)鍵步驟之二是求出d-q負(fù)序坐標(biāo)系中電流i*d-、i*q-到電壓e*d-、e*q-的轉(zhuǎn)換式。
(i*d-，i*q-)與(e*d-，e*q-)是一種一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系 由式(9)，(10)可得 聯(lián)立(1)-(8)及式(11)可得 式(12)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償PCC電壓不平衡時(shí)，在d-q負(fù)序坐標(biāo)系中電流i*d-、i*q-到電壓e*d-、e*q-的轉(zhuǎn)換。以i*d-、i*q-作為指令電流，那么e*d-、e*q-就是DSTATCOM的負(fù)序控制環(huán)電壓控制指令。
另外，根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式得到d-q正序坐標(biāo)系中電流-電壓轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)過程為 對(duì)于正序系統(tǒng)，根據(jù)功率平衡原理，逆變器輸出的功率應(yīng)等于注入系統(tǒng)的功率和輸出濾波器及連接電抗等效電阻、電抗消耗的功率之和，即 Pe＝Po+Pf(13) Qe＝Qo+Qf(14) 逆變器輸出的功率為 注入系統(tǒng)的功率為 輸出濾波器及連接電抗消耗的功率 聯(lián)立(13)-(20)式，選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與接入點(diǎn)(PCC)電壓矢量

重合，可得 ed＝idRf-iqωLf+u(21) eq＝iqRf+idωLf(22) 式子(21)、(22)實(shí)現(xiàn)了d-q正序坐標(biāo)系中電流id、iq到電壓ed、eq的轉(zhuǎn)換。
正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)相疊加后作為DSTATCOM輸出電壓調(diào)制信號(hào)，經(jīng)三角載波調(diào)制后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制智能功率模塊(IPM)的動(dòng)作產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電壓，從而維持了直流側(cè)電容電壓和PCC電壓恒定，并且用來實(shí)現(xiàn)公共連接點(diǎn)電壓三相不平衡控制。
權(quán)利要求
1.一種基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法，其特征在于，所述控制方法由正序控制環(huán)和負(fù)序控制環(huán)構(gòu)成，根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式推導(dǎo)出d-q正序及負(fù)序坐標(biāo)系中電流一電壓的轉(zhuǎn)換公式，從而得到正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)，最后將正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)相疊加后作為DSTATCOM輸出電壓調(diào)制信號(hào)，經(jīng)三角載波調(diào)制后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制智能功率模塊IPM的動(dòng)作產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電壓，其中正序控制得到正序電壓調(diào)制信號(hào)的步驟包括公共連接點(diǎn)PCC電壓指令值Upcc*、直流側(cè)電容電壓指令值Udc*分別與實(shí)際測(cè)量值的誤差經(jīng)增量式PI調(diào)節(jié)后分別形成正序無功指令電流信號(hào)iq*+和正序有功指令電流信號(hào)id*+；正序無功指令電流信號(hào)iq*+及正序有功指令電流信號(hào)id*+經(jīng)正序電流-電壓轉(zhuǎn)換后，得到正序無功指令電壓信號(hào)eq*+及正序有功指令電壓信號(hào)ed*+；eq*+，ed*+經(jīng)dq+/abc變換后得到正序電壓調(diào)制信號(hào);其中負(fù)序控制得到負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)的步驟包括公共連接點(diǎn)PCC電壓經(jīng)過
變換，然后用二次諧波濾除法提取PCC電壓的負(fù)序分量，PCC電壓的負(fù)序分量跟指令信號(hào)0的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，形成DSTATCOM逆變器輸出負(fù)序無功指令電流指令信號(hào)iq*-和負(fù)序有功指令電流信號(hào)id*-；iq*-，id*-經(jīng)負(fù)序電流一電壓轉(zhuǎn)換后，得到負(fù)序無功指令電壓信號(hào)eq*-和負(fù)序有功指令電壓信號(hào)ed*-，再經(jīng)dq-/abc變換后得到負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法，其特征在于，所述負(fù)序電流．電壓轉(zhuǎn)換的過程如下
1)首先利用對(duì)稱分量法建立起不平衡補(bǔ)償時(shí)DSTATCOM的負(fù)序等效電路；
DSTATCOM逆變器的輸出瞬時(shí)功率為
連接電抗器等效阻抗消耗的瞬時(shí)功率為
公共連接點(diǎn)的負(fù)序瞬時(shí)功率為
對(duì)于負(fù)序系統(tǒng)，由瞬時(shí)功率平衡原理可得
PCC電壓不平衡時(shí)，即(ud，q-為ua，b，c-在d-q負(fù)序坐標(biāo)系下的分量)；欲使將ud-與uq-分別與其預(yù)期目標(biāo)0作差值再通過PI調(diào)節(jié)，得到補(bǔ)償PCC電壓不平衡時(shí)DSTATCOM需要輸出的負(fù)序電流分量的指令信號(hào)i*d-、i*q-，即
2)求出d-q負(fù)序坐標(biāo)系中電流i*d-、i*q-到電壓e*d-、e*q-的轉(zhuǎn)換式(i*d-，i*q-)與(e*d-，e*q-)是一種一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系
由式(9)，(10)可得
聯(lián)立(1)-(8)及式(11)可得
式(12)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償PCC電壓不平衡時(shí)，在d-q負(fù)序坐標(biāo)系中電流i*d-、
i*q-到電壓e*d-、e*q-的轉(zhuǎn)換，以i*d-、i*q-作為指令電流，那么e*d-、e*q-就是DSTATCOM的負(fù)序控制環(huán)電壓控制指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法，其特征在于，所述正序電流-電壓轉(zhuǎn)換的過程為
對(duì)于正序系統(tǒng)，逆變器輸出的功率應(yīng)等于注入系統(tǒng)的功率和輸出濾波器及連接電抗等效電阻、電抗消耗的功率之和，即
Pe＝Po+Pf(13)
Qe＝Qo+Qf(14)
逆變器輸出的功率為
注入系統(tǒng)的功率為
輸出濾波器及連接電抗消耗的功率
聯(lián)立(13)-(20)式，選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與接入點(diǎn)(PCC)電壓矢量
重合，可得
ed＝idRf-iqωLf+u(21)
eq＝iqRf+idωLf (22)
式子(21)、(22)實(shí)現(xiàn)了d-q 正序坐標(biāo)系中電流id、iq到電壓ed、eq的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于瞬時(shí)功率平衡的配電靜止同步補(bǔ)償器正負(fù)序雙環(huán)疊加控制方法，由正序控制環(huán)和負(fù)序控制環(huán)構(gòu)成，根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式推導(dǎo)出d-q正序及負(fù)序坐標(biāo)系中電流-電壓的轉(zhuǎn)換公式，從而得到正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)，最后將正序電壓調(diào)制信號(hào)和負(fù)序電壓調(diào)制信號(hào)相疊加后作為DSTATCOM輸出電壓調(diào)制信號(hào)，經(jīng)三角載波調(diào)制后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制智能功率模塊IPM的動(dòng)作產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電壓。通過采用所述控制方法，實(shí)現(xiàn)了公共連接點(diǎn)電壓三相不平衡控制；且由于是根據(jù)瞬時(shí)功率平衡式推導(dǎo)出d-q正序及負(fù)序坐標(biāo)系中電流-電壓的轉(zhuǎn)換，從而避免了傳統(tǒng)電流控制方法中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，進(jìn)而降低了成本。
文檔編號(hào)H02J3/16GK101232187SQ20081003056
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者安 羅, 歐劍波, 盤宏斌, 棟 陳, 威 浣, 魏承志 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)