基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法及系統與流程

本發明涉及配電網電能質量控制領域，具體涉及一種基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法及系統。

背景技術：

隨著電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通以及家庭中的應用日益廣泛，特別是在冶金、汽車制造、化工等行業中均有大量強非線性負荷使用，造成的大量諧波及其危害日趨嚴重。諧波已成為公認的“電力公害”，是影響范圍最廣的電能質量問題之一。另一方面，大量沖擊性電力負荷設備(如電弧焊機、感應爐的變頻電源、絞車和軋鋼機、冶煉電弧爐、電氣機車等)日益增多，導致電網電壓波動與閃變(flicker)問題日趨嚴重。目前閃變一詞的含義趨于拓寬，電源電壓的變化對一些敏感設備造成的不良影響也包含其中。電壓波動和閃變是電能質量的重要指標之一。電壓波動和閃變主要在運行過程中有功功率和無功功率的大幅度變動引起的，使其它電力用戶的正常用電都受到影響，構成“電力公害”。因此，具有諧波補償功能的有源電力濾波器(apf)、具有穩壓功能的動態電壓恢復器(dvr)，以及svc或statcom等裝置，由于功能單一，已無法滿足配電網電能質量綜合控制的要求。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法及系統，能夠對配電網中的諧波、閃變及不平衡等電能質量問題進行綜合控制。

本發明的目的是采用下述技術方案實現的：

本發明提供一種基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟：

步驟1：檢測負載無功、諧波及不平衡電流，得到負載無功、諧波及不平衡電流的控制指令信號；

步驟2：，配電網pcc基波正序電壓有效值控制，得到pcc基波正序電壓有效值的控制指令信號；

步驟3：配電網pcc基波負序電壓有效值控制，得到pcc基波負序電壓有效值的控制指令信號；

步驟4：將步驟1、2和3得到的控制指令信號進行綜合，產生鏈式變流器電流控制指令信號；

步驟5：y型鏈式變流器子模塊直流側電容電壓控制；

步驟6：將步驟4和步驟5得到的電流控制指令信號進行綜合；

步驟7：鏈式變流器三相換流鏈電流控制；

步驟8：獲取三相換流鏈占空比前饋控制信號；

步驟9：三相換流鏈開關管占空比信號綜合控制輸出。

進一步地，所述步驟1中，所述負載無功、諧波及不平衡電流的控制指令信號包括三相負載電流ila、ilb及ilc進行pq變換，得到pq變換的電流信號ilp；對三相負載電流ila、ilb及ilc進行pq變換，得到pq變換的電流信號ilp，表達式如下：

對pq變換的電流信號ilp進行低通濾波，得到其直流分量信號再對直流分量信號進行pq反變換得到三相負載基波正序有功電流iaf、ibf及icf，

iaf、ibf及icf再分別與ila、ilb及ilc相減得到負載無功、諧波及不平衡電流補償指令信號及表達式如下：

式中：ωt是經過對pcc電壓鎖相后得到；ila、ilb及ilc為三相負載電流；iaf、ibf及icf為三相負載基波正序有功電流；及分別為負載無功、諧波及不平衡電流補償指令信號。

進一步地，所述步驟2中，所述pcc基波正序電壓有效值的控制指令信號包括三相配電網pcc電壓ua、ub及uc進行pq變換，得到pq變換的電壓信號up，對三相配電網pcc電壓ua、ub及uc進行pq變換，得到pq變換的電壓信號up，表達式如下：

得到三相基波正序無功電流指令信號及表達式如下：

式中：及為三相基波正序無功電流指令信號；iqm^*為基波正序無功電流幅值指令信號。

進一步地，所述步驟3中，對三相pcc電壓ua、ub及uc反相序后進行pq變換，得到pcc基波負序電壓有效值的控制指令信號；所述pcc基波負序電壓有效值的控制指令信號為pq變換的基波負序電壓分量信號up^-和uq^-，表達式分別如下：

up^-和uq^-經過低通濾波后分別得到其直流分量和分別經過電壓控制器和處理后得到基波負序電流幅值指令信號和再進行pq反變換得到三相基波負序無功電流指令信號及表達式如下：

式中：為直流分量經過電壓控制器處理后得到基波負序電流幅值指令信號；為直流分量經過電壓控制器處理后得到基波負序電流幅值指令信號；及為三相基波負序無功電流指令信號。

進一步地，所述步驟4中，將步驟1得到的負載無功、諧波及不平衡電流補償指令信號及將步驟2得到的三相基波正序無功電流指令信號及以及步驟3得到的三相基波負序無功電流指令信號進行綜合得到綜合控制指令信號及表達式如下：

進一步地，所述步驟5中，y型鏈式變流器子模塊直流側電容電壓包括星接鏈式變流器a、b、c相子模塊直流側電容電壓；對星接鏈式變流器a、b、c相子模塊直流側電容電壓進行加法平均，分別得到a、b、c相子模塊電容電壓平均值和

子模塊電容電壓基準值ud^*與和分別經過三個電容電壓控制器wura、wurb和wurc處理后，分別得到星接鏈式變流器a、b、c相子模塊有功功率信號和將和進行加法平均得到星接鏈式變流器子模塊三相平均有功功率信號p^*；

由信號p^*分別與信號和相減分別得到星接鏈式變流器a、b、c相子模塊有功功率偏差信號和表達式如下：

由和得到三相電壓偏差指令信號和表達式如下：

式中：為子模塊電容電壓基準值ud^*與a相子模塊電容電壓平均值經過電容電壓控制器wura得到的信號；為子模塊電容電壓基準值ud^*與b相子模塊電容電壓平均值經過電容電壓控制器wurb得到的信號；為子模塊電容電壓基準值ud^*與c相子模塊電容電壓平均值經過電容電壓控制器wurc得到的信號；ia、ib及ic分別為所述鏈式變流器a、b和c相換流鏈電流，ia、ib及ic分別為ia、ib及ic的有效值；u1為pcc電壓基波正序有效值；n表示h橋子模塊級聯的個數；

將三相電壓偏差指令信號和進行加法平均后得到零序電壓指令信號表達式如下：

進一步地，所述步驟6中，將步驟4得到的綜合控制指令信號及分別與步驟5得到的變流器三相有功電流瞬時值指令信號和相加得到所述鏈式變流器三相換流鏈電流指令信號及表達式如下：

進一步地，所述步驟7中，由步驟6得到的a相和b相電流指令信號和分別與所述換流鏈a相和b相電流ia和ib相減后，分別經過a和b相電流控制器wira和wirb處理后分別得到電流控制信號dda和ddb，c相電流制信號ddc由電流控制信號dda和電流控制信號ddb綜合后得到，表達式如下：

ddc＝-(dda+ddb)(18)。

進一步地，所述步驟8中，三相pcc電壓ua、ub及uc分別與步驟5得到的零序電壓指令相加后，再除以nud^*，分別得到三相換流鏈占空比前饋控制信號da、db和dc，表達式如下：

疊加零序電壓指令的目的是用于實現換流器相間子模塊電容電壓的均衡控制。

進一步地，所述步驟9中，將步驟7得到的三相電流控制信號dda、ddb和ddc分別與步驟8得到的三相換流鏈占空比前饋控制信號da、db和dc綜合后得到三相占空比信號da、db和dc，表達式如下：

疊加占三相換流鏈空比前饋控制信號da、db和dc用于提高電流控制精度；

由上述三相占空比信號da、db和dc即可對所述鏈式變流器實施控制。

進一步地，所述步驟5中的表達式(15)改寫為下式：

式中：和分別表示鏈式變流器三相換流鏈電流指令信號及的有效值；

所述步驟8中的表達式(19)改寫為下式：

式中：u03為一非基波零序電壓信號，有：

u03＝-0.5[max(ua,ub,uc)+min(ua,ub,uc)](27)

疊加u03能夠提高換流器的直流電壓利用率；

式中：ua、ub及uc為三相pcc電壓，為零序電壓指令，ud^*為子模塊電容電壓基準值。

本發明還提供一種基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制系統，其改進之處在于，所述系統包括：系統級控制策略子系統和裝置級控制策略子系統；

其中，所述系統級控制策略子系統用于實現負載無功、諧波及不平衡電流檢測，配電網pcc基波正序電壓控制，以及配電網pcc基波負序電壓控制，并綜合產生鏈式變流器電流控制指令信號；

所述裝置級控制策略子系統用于實現鏈式變流器控制的子模塊直流側電容電壓控制，并根據來自所述系統級的電流控制指令，實現鏈式變流器的三相換流鏈電流控制，并產生鏈式變流器開關管占空比信號。

進一步地，所述系統級控制策略子系統包括：

檢測模塊：用于檢測負載無功、諧波及不平衡電流，得到負載無功、諧波及不平衡電流的控制指令信號；

pcc基波正序電壓有效值控制模塊：用于實現配電網pcc基波正序電壓有效值控制，得到pcc基波正序電壓有效值的控制指令信號；

pcc基波負序電壓有效值控制模塊：用要實現配電網pcc基波負序電壓有效值控制，得到pcc基波負序電壓有效值的控制指令信號；

產生模塊：用于將得到的控制指令信號進行綜合，產生鏈式變流器電流控制指令信號。

進一步地，所述裝置級控制策略子系統包括：

電容電壓控制模塊：用要實現y型鏈式變流器子模塊直流側電容電壓控制；

電流控制指令信號綜合模塊：用于得到的電流控制指令信號進行綜合；

三相換流鏈電流控制模塊：用于實現鏈式變流器三相換流鏈電流控制；

獲取模塊：用于獲取三相換流鏈占空比前饋控制信號；

輸出模塊：用于實現三相換流鏈開關管占空比信號綜合控制輸出。

為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。

與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是：

1)本發明所提供的技術方案中，將負載無功、諧波及不平衡電流補償指令信號與pcc電壓基波正序和負序控制信號進行綜合，集有源電力濾波器、svc或statcom等裝置功能于一體，能夠使鏈式換流器具備綜合控制配電網諧波、無功、負載不平衡、電壓閃變以及電壓不對稱等電能質量問題的能力；

2)本發明所提供的技術方案，在實現鏈式換流器子模塊電容電壓平均值控制的同時，通過得到的各相平均有功功率偏差，不需要進行復雜的運算便可生成相間電容電壓均衡控制信號(即零序電壓指令信號)，使y型鏈式換流器具備了補償不平衡負載或電壓不對稱的能力；

3)本發明所提供的技術方案，在輸出占空比信號中疊加占空比前饋控制信號能大大提高換流器電流控制精度；

4)本發明所提供的技術方案，在占空比前饋控制信號中疊加特定的非基波零序電壓信號可以提高直流電壓利用率約15％；

5)本發明控制方法實現簡單，控制效果優異，使得鏈式換流器集多功能于一身，而無需額外增加任何硬件。

附圖說明

圖1是y型鏈式變流器主接線圖；

圖2是本發明提供的基于y型鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法—系統級控制策略圖；

圖3是本發明提供的y型鏈式變流器子模塊電容電壓控制策略圖；

圖4是本發明提供的y型鏈式變流器電流控制策略圖；

圖5是本發明提供的鏈式變流器占空比前饋信號的一種實現方法示意圖；

圖6是本發明提供的鏈式變流器占空比前饋信號的另一種實現方法示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發明或發明構思。

圖1為基于y型鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制主接線圖。圖中，鏈式變流器由三相換流鏈按y型接線組成，每相換流鏈分別由n個h橋子模塊級聯而成，每個子模塊直流側并聯電容器。鏈式變流器連接到配電網公共連接點(pointofcommoncoupling，pcc)。

實施例一

一種基于y型鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制方法，包括系統級控制策略和裝置級控制策略兩個部分，其中，一種所述系統級控制策略如圖2所示，圖中包括四個部分：負載無功、諧波及不平衡電流檢測，配電網公共連接點pcc基波正序電壓控制，pcc基波負序電壓控制，以及綜合產生所述鏈式變流器電流控制指令信號。一種所述裝置級控制策略如圖3、4和5所示，其中圖3為所述鏈式變流器控制的子模塊直流側電容電壓控制策略，圖4為所述鏈式變流器電流控制策略，圖5為所述鏈式變流器占空比前饋控制信號的一種產生方法。

如圖2所示的所述系統級控制策略具體包括以下步驟：

步驟1：負載無功、諧波及不平衡電流檢測；

步驟2：配電網pcc電壓基波正序有效值控制；

步驟3：配電網pcc電壓基波負序有效值控制；

步驟4：將步驟1、2和3得到的控制指令信號進行綜合，產生鏈式變流器電流控制指令信號。

一種所述裝置級控制策略如圖3、4和5所示，具體包括以下步驟：

步驟5：y型鏈式變流器子模塊直流側電容電壓控制；

步驟6：將步驟:4和5得到的電流控制指令信號進行綜合；

步驟7：所述鏈式變流器三相換流鏈電流控制；

步驟8：獲取三相換流鏈占空比前饋控制信號；

步驟9：三相換流鏈開關管占空比信號綜合控制輸出。

在步驟1中，首先對三相負載電流ila、ilb及ilc進行pq變換，得到電流信號ilp，有

式中ωt是經過對pcc電壓鎖相后得到；然后對ilp進行低通濾波(lowpassfilter,lpf)，得到其直流分量信號再對進行pq反變換得到三相負載基波正序有功電流iaf、ibf及icf，有

然后iaf、ibf及icf再分別與ila、ilb及ilc相減可得到負載無功、諧波及不平衡電流補償指令信號及有

在步驟2中，首先對三相pcc電壓ua、ub及uc進行pq變換，得到電流信號up，有

然后對up進行低通濾波后得到其直流分量除以后得到pcc電壓基波正序有效值u1，有

上式得到的u1與pcc電壓指令信號u1^*經過電壓控制器wupr處理后得到基波正序無功電流幅值指令信號iqm^*，再進行pq反變換得到三相基波正序無功電流指令信號及有

在步驟3中，首先對三相pcc電壓ua、ub及uc反相序后進行pq變換，得到基波負序電壓分量信號up^-和uq^-，有

然后up^-和uq^-經過低通濾波后分別得到其直流分量和分別經過電壓控制器和處理后得到基波負序電流幅值指令信號和再進行pq反變換得到三相基波負序無功電流指令信號及有

在步驟4中，將上述步驟1、2和3得到的電流控制指令信號進行綜合得到綜合控制指令信號及有

在步驟5中，首先對星接鏈式變流器各相子模塊直流側電容電壓進行加法平均，得到各相子模塊電容電壓平均值和有

式中，n表示星接鏈式變流器各相子模塊數，uda(j)、udb(j)和udc(j)分別為星接鏈式變流器各相第j個子模塊的直流側電容電壓值。和分別經過低通濾波后得到其直流分量和子模塊電容電壓基準值ud^*與和分別經過三個電容電壓控制器wura、wurb和wurc處理后，分別得到星接鏈式變流器a、b、c相子模塊有功功率信號和將和進行加法平均得到星接鏈式變流器子模塊三相平均有功功率信號p^*，有

然后由下式得到鏈式變流器有功電流幅值指令信號

由此得到變流器三相有功電流瞬時值指令信號和有

由p^*分別與和相減分別得到星接鏈式變流器a、b、c相子模塊有功功率偏差信號和有

由和得到三相電壓偏差指令信號和

式中，ia、ib及ic分別為所述鏈式變流器a、b和c相換流鏈電流，ia、ib及ic分別為ia、ib及ic的有效值。

將和進行加法平均后得到零序電壓指令信號有

在步驟6中，首先將步驟4得到的及分別與步驟5得到的和相加得到所述鏈式變流器三相換流鏈電流指令信號及有

在步驟7中，由步驟6得到的a和b相電流指令信號和分別與所述換流鏈a和b相電流ia和ib相減后，分別經過a和b相電流控制器wira和wirb處理后分別得到電流控制信號dda和ddb，c相電流制信號ddc由dda和ddb綜合后得到，有

ddc＝-(dda+ddb)(18)

在步驟8中，三相pcc電壓ua、ub及uc分別與步驟5得到的零序電壓指令相加后，再除以nud^*，分別得到三相換流鏈占空比前饋控制信號da、db和dc，有

疊加零序電壓指令的目的是實現換流器相間子模塊電容電壓的均衡控制。

在步驟9中，將步驟7得到的dda、ddb和ddc分別與步驟8得到的da、db和dc綜合后得到三相占空比信號da、db和dc，有

疊加占空比前饋控制信號da、db和dc可以大大提高電流控制精度。

由上述三相占空比信號da、db和dc即可對所述鏈式變流器實施控制。

所述pq變換為將abc坐標系下的三相電壓(電流、功率)量經過pq變換矩陣cpq變換為pq坐標系下的兩相電壓(電流、功率)量，有

式中，

所述pq反變換為將pq坐標系下的兩相電壓(電流、功率)量經過pq反變換矩陣變換為abc坐標系下的三相電壓(電流、功率)量，有

式中，

實施例二

其余方案相同，僅將實施例1中的步驟5中的式(15)改寫為：

式中和分別表示及的有效值。

實施例三

其余方案相同，將實施例1中的步驟8中的式(19)改寫為：

式中u03為一非基波零序電壓信號，有：

u03＝-0.5[max(ua,ub,uc)+min(ua,ub,uc)](27)

疊加u03能夠提高換流器的直流電壓利用率。

實施例四

基于相同的構思，本發明還一種基于鏈式變流器的配電網電能質量綜合控制系統，該系統包括：系統級控制策略子系統和裝置級控制策略子系統；

其中，所述系統級控制策略子系統用于實現負載無功、諧波及不平衡電流檢測，配電網pcc基波正序電壓控制，以及配電網pcc基波負序電壓控制，并綜合產生鏈式變流器電流控制指令信號；

所述裝置級控制策略子系統用于實現鏈式變流器控制的子模塊直流側電容電壓控制，并根據來自所述系統級的電流控制指令，實現鏈式變流器的三相換流鏈電流控制，并產生鏈式變流器開關管占空比信號。

優選的，所述系統級控制策略子系統包括：

檢測模塊：用于檢測負載無功、諧波及不平衡電流，得到負載無功、諧波及不平衡電流的控制指令信號；

pcc基波正序電壓有效值控制模塊：用于實現配電網pcc基波正序電壓有效值控制，得到pcc基波正序電壓有效值的控制指令信號；

pcc基波負序電壓有效值控制模塊：用要實現配電網pcc基波負序電壓有效值控制，得到pcc基波負序電壓有效值的控制指令信號；

產生模塊：用于將步驟1、2和3得到的控制指令信號進行綜合，產生鏈式變流器電流控制指令信號。

優選的，裝置級控制策略子系統包括：

電容電壓控制模塊：用要實現y型鏈式變流器子模塊直流側電容電壓控制；

電流控制指令信號綜合模塊：用于將步驟4和步驟5得到的電流控制指令信號進行綜合；

三相換流鏈電流控制模塊：用于實現鏈式變流器三相換流鏈電流控制；

獲取模塊：用于獲取三相換流鏈占空比前饋控制信號；

輸出模塊：用于實現三相換流鏈開關管占空比信號綜合控制輸出。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。