基于链式变流器的配电网电能质量综合控制方法及系统与流程

本发明涉及配电网电能质量控制领域，具体涉及一种基于链式变流器的配电网电能质量综合控制方法及系统。

背景技术：

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通以及家庭中的应用日益广泛，特别是在冶金、汽车制造、化工等行业中均有大量强非线性负荷使用，造成的大量谐波及其危害日趋严重。谐波已成为公认的“电力公害”，是影响范围最广的电能质量问题之一。另一方面，大量冲击性电力负荷设备(如电弧焊机、感应炉的变频电源、绞车和轧钢机、冶炼电弧炉、电气机车等)日益增多，导致电网电压波动与闪变(flicker)问题日趋严重。目前闪变一词的含义趋于拓宽，电源电压的变化对一些敏感设备造成的不良影响也包含其中。电压波动和闪变是电能质量的重要指标之一。电压波动和闪变主要在运行过程中有功功率和无功功率的大幅度变动引起的，使其它电力用户的正常用电都受到影响，构成“电力公害”。因此，具有谐波补偿功能的有源电力滤波器(apf)、具有稳压功能的动态电压恢复器(dvr)，以及svc或statcom等装置，由于功能单一，已无法满足配电网电能质量综合控制的要求。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于链式变流器的配电网电能质量综合控制方法及系统，能够对配电网中的谐波、闪变及不平衡等电能质量问题进行综合控制。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于链式变流器的配电网电能质量综合控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：检测负载无功、谐波及不平衡电流，得到负载无功、谐波及不平衡电流的控制指令信号；

步骤2：，配电网pcc基波正序电压有效值控制，得到pcc基波正序电压有效值的控制指令信号；

步骤3：配电网pcc基波负序电压有效值控制，得到pcc基波负序电压有效值的控制指令信号；

步骤4：将步骤1、2和3得到的控制指令信号进行综合，产生链式变流器电流控制指令信号；

步骤5：y型链式变流器子模块直流侧电容电压控制；

步骤6：将步骤4和步骤5得到的电流控制指令信号进行综合；

步骤7：链式变流器三相换流链电流控制；

步骤8：获取三相换流链占空比前馈控制信号；

步骤9：三相换流链开关管占空比信号综合控制输出。

进一步地，所述步骤1中，所述负载无功、谐波及不平衡电流的控制指令信号包括三相负载电流ila、ilb及ilc进行pq变换，得到pq变换的电流信号ilp；对三相负载电流ila、ilb及ilc进行pq变换，得到pq变换的电流信号ilp，表达式如下：

对pq变换的电流信号ilp进行低通滤波，得到其直流分量信号再对直流分量信号进行pq反变换得到三相负载基波正序有功电流iaf、ibf及icf，

iaf、ibf及icf再分别与ila、ilb及ilc相减得到负载无功、谐波及不平衡电流补偿指令信号及表达式如下：

式中：ωt是经过对pcc电压锁相后得到；ila、ilb及ilc为三相负载电流；iaf、ibf及icf为三相负载基波正序有功电流；及分别为负载无功、谐波及不平衡电流补偿指令信号。

进一步地，所述步骤2中，所述pcc基波正序电压有效值的控制指令信号包括三相配电网pcc电压ua、ub及uc进行pq变换，得到pq变换的电压信号up，对三相配电网pcc电压ua、ub及uc进行pq变换，得到pq变换的电压信号up，表达式如下：

得到三相基波正序无功电流指令信号及表达式如下：

式中：及为三相基波正序无功电流指令信号；iqm^*为基波正序无功电流幅值指令信号。

进一步地，所述步骤3中，对三相pcc电压ua、ub及uc反相序后进行pq变换，得到pcc基波负序电压有效值的控制指令信号；所述pcc基波负序电压有效值的控制指令信号为pq变换的基波负序电压分量信号up^-和uq^-，表达式分别如下：

up^-和uq^-经过低通滤波后分别得到其直流分量和分别经过电压控制器和处理后得到基波负序电流幅值指令信号和再进行pq反变换得到三相基波负序无功电流指令信号及表达式如下：

式中：为直流分量经过电压控制器处理后得到基波负序电流幅值指令信号；为直流分量经过电压控制器处理后得到基波负序电流幅值指令信号；及为三相基波负序无功电流指令信号。

进一步地，所述步骤4中，将步骤1得到的负载无功、谐波及不平衡电流补偿指令信号及将步骤2得到的三相基波正序无功电流指令信号及以及步骤3得到的三相基波负序无功电流指令信号进行综合得到综合控制指令信号及表达式如下：

进一步地，所述步骤5中，y型链式变流器子模块直流侧电容电压包括星接链式变流器a、b、c相子模块直流侧电容电压；对星接链式变流器a、b、c相子模块直流侧电容电压进行加法平均，分别得到a、b、c相子模块电容电压平均值和

子模块电容电压基准值ud^*与和分别经过三个电容电压控制器wura、wurb和wurc处理后，分别得到星接链式变流器a、b、c相子模块有功功率信号和将和进行加法平均得到星接链式变流器子模块三相平均有功功率信号p^*；

由信号p^*分别与信号和相减分别得到星接链式变流器a、b、c相子模块有功功率偏差信号和表达式如下：

由和得到三相电压偏差指令信号和表达式如下：

式中：为子模块电容电压基准值ud^*与a相子模块电容电压平均值经过电容电压控制器wura得到的信号；为子模块电容电压基准值ud^*与b相子模块电容电压平均值经过电容电压控制器wurb得到的信号；为子模块电容电压基准值ud^*与c相子模块电容电压平均值经过电容电压控制器wurc得到的信号；ia、ib及ic分别为所述链式变流器a、b和c相换流链电流，ia、ib及ic分别为ia、ib及ic的有效值；u1为pcc电压基波正序有效值；n表示h桥子模块级联的个数；

将三相电压偏差指令信号和进行加法平均后得到零序电压指令信号表达式如下：

进一步地，所述步骤6中，将步骤4得到的综合控制指令信号及分别与步骤5得到的变流器三相有功电流瞬时值指令信号和相加得到所述链式变流器三相换流链电流指令信号及表达式如下：

进一步地，所述步骤7中，由步骤6得到的a相和b相电流指令信号和分别与所述换流链a相和b相电流ia和ib相减后，分别经过a和b相电流控制器wira和wirb处理后分别得到电流控制信号dda和ddb，c相电流制信号ddc由电流控制信号dda和电流控制信号ddb综合后得到，表达式如下：

ddc＝-(dda+ddb)(18)。

进一步地，所述步骤8中，三相pcc电压ua、ub及uc分别与步骤5得到的零序电压指令相加后，再除以nud^*，分别得到三相换流链占空比前馈控制信号da、db和dc，表达式如下：

叠加零序电压指令的目的是用于实现换流器相间子模块电容电压的均衡控制。

进一步地，所述步骤9中，将步骤7得到的三相电流控制信号dda、ddb和ddc分别与步骤8得到的三相换流链占空比前馈控制信号da、db和dc综合后得到三相占空比信号da、db和dc，表达式如下：

叠加占三相换流链空比前馈控制信号da、db和dc用于提高电流控制精度；

由上述三相占空比信号da、db和dc即可对所述链式变流器实施控制。

进一步地，所述步骤5中的表达式(15)改写为下式：

式中：和分别表示链式变流器三相换流链电流指令信号及的有效值；

所述步骤8中的表达式(19)改写为下式：

式中：u03为一非基波零序电压信号，有：

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

叠加u03能够提高换流器的直流电压利用率；

式中：ua、ub及uc为三相pcc电压，为零序电压指令，ud^*为子模块电容电压基准值。

本发明还提供一种基于链式变流器的配电网电能质量综合控制系统，其改进之处在于，所述系统包括：系统级控制策略子系统和装置级控制策略子系统；

其中，所述系统级控制策略子系统用于实现负载无功、谐波及不平衡电流检测，配电网pcc基波正序电压控制，以及配电网pcc基波负序电压控制，并综合产生链式变流器电流控制指令信号；

所述装置级控制策略子系统用于实现链式变流器控制的子模块直流侧电容电压控制，并根据来自所述系统级的电流控制指令，实现链式变流器的三相换流链电流控制，并产生链式变流器开关管占空比信号。

进一步地，所述系统级控制策略子系统包括：

检测模块：用于检测负载无功、谐波及不平衡电流，得到负载无功、谐波及不平衡电流的控制指令信号；

pcc基波正序电压有效值控制模块：用于实现配电网pcc基波正序电压有效值控制，得到pcc基波正序电压有效值的控制指令信号；

pcc基波负序电压有效值控制模块：用要实现配电网pcc基波负序电压有效值控制，得到pcc基波负序电压有效值的控制指令信号；

产生模块：用于将得到的控制指令信号进行综合，产生链式变流器电流控制指令信号。

进一步地，所述装置级控制策略子系统包括：

电容电压控制模块：用要实现y型链式变流器子模块直流侧电容电压控制；

电流控制指令信号综合模块：用于得到的电流控制指令信号进行综合；

三相换流链电流控制模块：用于实现链式变流器三相换流链电流控制；

获取模块：用于获取三相换流链占空比前馈控制信号；

输出模块：用于实现三相换流链开关管占空比信号综合控制输出。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1)本发明所提供的技术方案中，将负载无功、谐波及不平衡电流补偿指令信号与pcc电压基波正序和负序控制信号进行综合，集有源电力滤波器、svc或statcom等装置功能于一体，能够使链式换流器具备综合控制配电网谐波、无功、负载不平衡、电压闪变以及电压不对称等电能质量问题的能力；

2)本发明所提供的技术方案，在实现链式换流器子模块电容电压平均值控制的同时，通过得到的各相平均有功功率偏差，不需要进行复杂的运算便可生成相间电容电压均衡控制信号(即零序电压指令信号)，使y型链式换流器具备了补偿不平衡负载或电压不对称的能力；

3)本发明所提供的技术方案，在输出占空比信号中叠加占空比前馈控制信号能大大提高换流器电流控制精度；

4)本发明所提供的技术方案，在占空比前馈控制信号中叠加特定的非基波零序电压信号可以提高直流电压利用率约15％；

5)本发明控制方法实现简单，控制效果优异，使得链式换流器集多功能于一身，而无需额外增加任何硬件。

附图说明

图1是y型链式变流器主接线图；

图2是本发明提供的基于y型链式变流器的配电网电能质量综合控制方法—系统级控制策略图；

图3是本发明提供的y型链式变流器子模块电容电压控制策略图；

图4是本发明提供的y型链式变流器电流控制策略图；

图5是本发明提供的链式变流器占空比前馈信号的一种实现方法示意图；

图6是本发明提供的链式变流器占空比前馈信号的另一种实现方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

图1为基于y型链式变流器的配电网电能质量综合控制主接线图。图中，链式变流器由三相换流链按y型接线组成，每相换流链分别由n个h桥子模块级联而成，每个子模块直流侧并联电容器。链式变流器连接到配电网公共连接点(pointofcommoncoupling，pcc)。

实施例一

一种基于y型链式变流器的配电网电能质量综合控制方法，包括系统级控制策略和装置级控制策略两个部分，其中，一种所述系统级控制策略如图2所示，图中包括四个部分：负载无功、谐波及不平衡电流检测，配电网公共连接点pcc基波正序电压控制，pcc基波负序电压控制，以及综合产生所述链式变流器电流控制指令信号。一种所述装置级控制策略如图3、4和5所示，其中图3为所述链式变流器控制的子模块直流侧电容电压控制策略，图4为所述链式变流器电流控制策略，图5为所述链式变流器占空比前馈控制信号的一种产生方法。

如图2所示的所述系统级控制策略具体包括以下步骤：

步骤1：负载无功、谐波及不平衡电流检测；

步骤2：配电网pcc电压基波正序有效值控制；

步骤3：配电网pcc电压基波负序有效值控制；

步骤4：将步骤1、2和3得到的控制指令信号进行综合，产生链式变流器电流控制指令信号。

一种所述装置级控制策略如图3、4和5所示，具体包括以下步骤：

步骤5：y型链式变流器子模块直流侧电容电压控制；

步骤6：将步骤:4和5得到的电流控制指令信号进行综合；

步骤7：所述链式变流器三相换流链电流控制；

步骤8：获取三相换流链占空比前馈控制信号；

步骤9：三相换流链开关管占空比信号综合控制输出。

在步骤1中，首先对三相负载电流ila、ilb及ilc进行pq变换，得到电流信号ilp，有

式中ωt是经过对pcc电压锁相后得到；然后对ilp进行低通滤波(lowpassfilter,lpf)，得到其直流分量信号再对进行pq反变换得到三相负载基波正序有功电流iaf、ibf及icf，有

然后iaf、ibf及icf再分别与ila、ilb及ilc相减可得到负载无功、谐波及不平衡电流补偿指令信号及有

在步骤2中，首先对三相pcc电压ua、ub及uc进行pq变换，得到电流信号up，有

然后对up进行低通滤波后得到其直流分量除以后得到pcc电压基波正序有效值u1，有

上式得到的u1与pcc电压指令信号u1^*经过电压控制器wupr处理后得到基波正序无功电流幅值指令信号iqm^*，再进行pq反变换得到三相基波正序无功电流指令信号及有

在步骤3中，首先对三相pcc电压ua、ub及uc反相序后进行pq变换，得到基波负序电压分量信号up^-和uq^-，有

然后up^-和uq^-经过低通滤波后分别得到其直流分量和分别经过电压控制器和处理后得到基波负序电流幅值指令信号和再进行pq反变换得到三相基波负序无功电流指令信号及有

在步骤4中，将上述步骤1、2和3得到的电流控制指令信号进行综合得到综合控制指令信号及有

在步骤5中，首先对星接链式变流器各相子模块直流侧电容电压进行加法平均，得到各相子模块电容电压平均值和有

式中，n表示星接链式变流器各相子模块数，uda(j)、udb(j)和udc(j)分别为星接链式变流器各相第j个子模块的直流侧电容电压值。和分别经过低通滤波后得到其直流分量和子模块电容电压基准值ud^*与和分别经过三个电容电压控制器wura、wurb和wurc处理后，分别得到星接链式变流器a、b、c相子模块有功功率信号和将和进行加法平均得到星接链式变流器子模块三相平均有功功率信号p^*，有

然后由下式得到链式变流器有功电流幅值指令信号

由此得到变流器三相有功电流瞬时值指令信号和有

由p^*分别与和相减分别得到星接链式变流器a、b、c相子模块有功功率偏差信号和有

由和得到三相电压偏差指令信号和

式中，ia、ib及ic分别为所述链式变流器a、b和c相换流链电流，ia、ib及ic分别为ia、ib及ic的有效值。

将和进行加法平均后得到零序电压指令信号有

在步骤6中，首先将步骤4得到的及分别与步骤5得到的和相加得到所述链式变流器三相换流链电流指令信号及有

在步骤7中，由步骤6得到的a和b相电流指令信号和分别与所述换流链a和b相电流ia和ib相减后，分别经过a和b相电流控制器wira和wirb处理后分别得到电流控制信号dda和ddb，c相电流制信号ddc由dda和ddb综合后得到，有

ddc＝-(dda+ddb)(18)

在步骤8中，三相pcc电压ua、ub及uc分别与步骤5得到的零序电压指令相加后，再除以nud^*，分别得到三相换流链占空比前馈控制信号da、db和dc，有

叠加零序电压指令的目的是实现换流器相间子模块电容电压的均衡控制。

在步骤9中，将步骤7得到的dda、ddb和ddc分别与步骤8得到的da、db和dc综合后得到三相占空比信号da、db和dc，有

叠加占空比前馈控制信号da、db和dc可以大大提高电流控制精度。

由上述三相占空比信号da、db和dc即可对所述链式变流器实施控制。

所述pq变换为将abc坐标系下的三相电压(电流、功率)量经过pq变换矩阵cpq变换为pq坐标系下的两相电压(电流、功率)量，有

式中，

所述pq反变换为将pq坐标系下的两相电压(电流、功率)量经过pq反变换矩阵变换为abc坐标系下的三相电压(电流、功率)量，有

式中，

实施例二

其余方案相同，仅将实施例1中的步骤5中的式(15)改写为：

式中和分别表示及的有效值。

实施例三

其余方案相同，将实施例1中的步骤8中的式(19)改写为：

式中u03为一非基波零序电压信号，有：

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

叠加u03能够提高换流器的直流电压利用率。

实施例四

基于相同的构思，本发明还一种基于链式变流器的配电网电能质量综合控制系统，该系统包括：系统级控制策略子系统和装置级控制策略子系统；

其中，所述系统级控制策略子系统用于实现负载无功、谐波及不平衡电流检测，配电网pcc基波正序电压控制，以及配电网pcc基波负序电压控制，并综合产生链式变流器电流控制指令信号；

所述装置级控制策略子系统用于实现链式变流器控制的子模块直流侧电容电压控制，并根据来自所述系统级的电流控制指令，实现链式变流器的三相换流链电流控制，并产生链式变流器开关管占空比信号。

优选的，所述系统级控制策略子系统包括：

检测模块：用于检测负载无功、谐波及不平衡电流，得到负载无功、谐波及不平衡电流的控制指令信号；

pcc基波正序电压有效值控制模块：用于实现配电网pcc基波正序电压有效值控制，得到pcc基波正序电压有效值的控制指令信号；

pcc基波负序电压有效值控制模块：用要实现配电网pcc基波负序电压有效值控制，得到pcc基波负序电压有效值的控制指令信号；

产生模块：用于将步骤1、2和3得到的控制指令信号进行综合，产生链式变流器电流控制指令信号。

优选的，装置级控制策略子系统包括：

电容电压控制模块：用要实现y型链式变流器子模块直流侧电容电压控制；

电流控制指令信号综合模块：用于将步骤4和步骤5得到的电流控制指令信号进行综合；

三相换流链电流控制模块：用于实现链式变流器三相换流链电流控制；

获取模块：用于获取三相换流链占空比前馈控制信号；

输出模块：用于实现三相换流链开关管占空比信号综合控制输出。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。