一种三相电压源变流器零序电流计算方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，更准确地说本发明涉及一种三相电压源变流器零序电流计算方法。

背景技术：

三相电压源变流器也称三相VSC变流器，是以绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件及PWM调制技术为基础的功率变换单元（系统），可实现双向功率控制、有功/无功功率的独立灵活控制、不平衡及电能治理等。三相VSC变流器典型系统架构由三相VSC换流阀、交流滤波器、换流电抗器、换流变压器等主设备组成，如图1所示。PWM技术是针对IGBT阀的调制技术，以正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM，SPWM）为例，通过改变调制波的频率和幅值则可调节三相电压源变流器输出电压的频率和幅值，从而改变输出瞬时功率。

三相电压源变流器的换流阀与直流线路共同构成换流系统，换流阀的两个直流端点分别与直流正负线路相接，直流端点通称为级。三相电压源变流器通常为双极运行，即直流侧支撑电容的中点引出中性线接地，如柔性直流输电系统即采用这种方式。在直流侧中性点直接接地的情况下，如交流侧存在接地点，则三相VSC换流系统中存在了零序流通回路。由于三相VSC换流器阀侧电压存在零序电压分量，则正常运行工况时零序电流分量存在于回路中。

零序电流会增加三相VSC换流器的系统损耗，降低交流线路的载流能力，提升不平衡故障时的故障电流水平并影响故障恢复性能。然而，目前针对三相VSC换流器的等效电路分析主要为正/负序等效电路或零序流通回路，暂未有针对三相VSC换流器的零序电流的分析归算。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了计算三相电压源变流器零序电流，提供一种三相电压源变流器零序电流的计算方法。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的：根据以下公式计算三相电压源变流器零序电流，或者根据公式（7）简便计算三相电压源变流器零序电流：

其中，I_Nn为三相电压源变流器零序电流，ω为基波角频率，ω_c为载波角频率，J₀为0阶贝赛尔函数，M为调制度，V_dc为直流母线电压，C_dc为直流侧滤波电容，L_ac为交流侧换流电抗值，R_ac为交流线路电阻，R_地为地电阻，R_dc为直流侧中性点接地电阻。

本发明的有益效果如下：根据上述本发明的计算方法，能够准确地计算出三相电压源变流器的零序电流，方法运算简便，从而能够为分析三相电压源变流器的稳态运行损耗及故障暂态工况提供了技术基础。

附图说明

图1为三相电压源变流器换流系统结构示意图及零序流通回路。

图2为三相电压源变流器的交/直流等效电路。

图3为三相电压源变流器的零序等效电路。

图4为三相电压源变流器的典型系统结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明的一个实施例，以10kV/400V直流配电网典型结构为实施案例，设直流侧电容中性点直接接地，在交流侧配电变压器副边中点直接接地的情况下，三相VSC换流回路中存在零序流通回路，如图4所示。

以SPWM调制方式为例，基于三相电压源换流器阀侧电压的占空比模型及傅里叶分解，得出基于调制度M及相位差的三相VSC换流器交/直流侧调制度等效模型，如图2所示。其中，图中的N为直流侧电容中性点，n为交流系统电压中性点。

由于上下桥臂的等效电路是对称的，两级可视为并联，因此可合成为一个电路。交流回路通过上下桥臂与直流侧电容相接，直流电容通过直流中点接地，可得三相VSC的零序等效电路如图3所示。

设置a、b、c三相初始角分别为0、-120°、120°，对三相电压进行双边傅里叶分解，可得A相、B相、C相电压的傅氏分解式如公式（1）、（2）、（3）所示：

其中，V_an、V_bn、V_cn分别为A相、B相、C相电压，ω₀为角频率，J_n为n阶贝赛尔函数，M为调制度，V_dc为直流母线电压，φ为相位差。

设ω_c为调制载波的角频率，相电压中谐波分量中幅值较大的是ω_c、3ω_c等零序谐波，以及ω_c±2ω₀、2ω_c±ω₀等边带谐波。因此，可按公式（4）计算A相零序电压，其中占比最大的分量为m=1的零序分量，当m增大时，零序分量显著减少。B相、C相零序电压与A相零序电压计算式相同：

其中，V_a0为A相零序电压。

因此，基于三相电压源变流器的零序等效电路及基本电路定理，得出三相VSC变流器的零序电流如公式（5）所示，其中I_Nn为三相电压源变流器零序电流，ω为基波角频率，ω_c为载波角频率，J₀为0阶贝赛尔函数，M为调制度，V_dc为直流母线电压，C_dc为直流侧滤波电容，L_ac为交流侧换流电抗值，R_ac为交流线路电阻，R_地为地电阻，R_dc为直流侧中性点接地电阻：

将三相零序电压带入公式(5)，得到三相电压源变流器零序电流的计算公式如公式(6)所示：

由于m=1时，载波频率处的零序分量幅值最大，m增大时，其零序分量较小，忽略公式(6)中m>1的部分，可得入地零序电流简便计算式如公式(7)所示：

以下通过仿真计算，校验以上方法的正确性。

设图4系统中，三相电压源变流器容量为100KVA，电压为400V交流/800V直流，考虑换流器在最大电压增益时的无功功率输出范围及谐波抑制需求，取换流电抗标幺值为0.16pu，考虑支撑电容可能为换流器的额定运行提供一定时间的能量支撑控制及控制直流电压纹波电压畸变率，取电容时间常数为7ms，得直流侧支撑电容取6600uF。利用MATLAB计算分析平台，基于贝塞尔函数的准确解算，得出上述典型系统参数下不同调制度M时的计算结果，同时利用MATLAB进行三相电压源变流器进行建模仿真，得出仿真结果及计算结果如表1所示。

从表中数据可看出，计算结果与仿真分析结果极为接近，误差<0.5%，而该误差也有三相电压源变流器阀组阻抗及MATLAB数据的FFT分析精度的因素。因此，上述计算三相电压源变流器零序电流的方法具有很高的准确性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。