基于链式电力电子变流器的供电网电压综合补偿控制方法与流程

文档序号:26145552发布日期:2021-08-03 14:31阅读:82来源:国知局
基于链式电力电子变流器的供电网电压综合补偿控制方法与流程

本发明涉及供电网供电质量控制技术领域,特别涉及一种基于三相链式电力电子变流器的供电网电压综合补偿控制方法。



背景技术:

在目前的电力电子系统应用中,基于h桥级联型的电力电子变流器具有模块化结构设计、稳定性高以及占地面积小等优势,占有了绝大部分的高压电力电子变流器的市场份额。

在目前的国民生产设备中,由于不断出现新型的生产设备,极大的提高了生产效率,但同时也因为复杂的生产工艺而对电网造成更大的影响,其中具有代表性的随机负荷有电弧炉负荷和轧钢机等。尤其在现代的钢铁行业中,大量的采用了电弧炉炼钢工艺,而电弧炉负荷属于典型的随机负荷,会给电网带来大量的无功、谐波、电压闪变、负序等问题,这些随机负荷对电网的影响越来越大,本发明用成熟的h桥级联型电力电子变流器为基础,提出了一种多角速度坐标变换的方式,避免了传统的电流检测方法的交流量相位检测误差,达到高精度的控制效果,稳定了电网的供电质量。



技术实现要素:

为了解决背景技术提出的技术问题,本发明提供适用于h桥级联型电力电子变流器的负荷补偿控制方法,基于成熟的三相h桥单元级联型变流器,提出了一种电压闪变、功率因数、谐波电流的综合补偿控制方法,将由于负荷引起的电能质量问题得到有效的控制,在保证了供电网电能质量控制精度的同时,加快了系统的响应速度,提高了电网的供电质量。

为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案实现:

一种基于三相链式电力电子变流器的供电网电压综合补偿控制方法,所述的方法由随机负荷电流检测模块、供电网电压变化量闭环控制模块和供电网接入点无功功率闭环控制模块实现。

由随机负荷电流检测模块计算出负荷向电网注入的谐波电流分量、无功电流分量以及引起电压闪变的电流分量,将供电网电压变化量控制模块输出值和供电网接入点无功功率闭环控制模块输出值叠加至无功电流分量的计算中,最后将负荷向电网注入的谐波电流分量、无功电流分量以及引起电压闪变的电流分量相加,作为总的电流参考值输出至h桥级联型电力电子变流器电流控制模块中,达到补偿供电网电压的目的。

进一步地,所述的随机负荷电流检测模块中的控制方法包括如下:

1)首先将随机负荷的线电流采样值iload_a、iload_b、iload_c进行标幺化处理,得出负荷电流的标幺值iload_apu、iload_bpu、iload_cpu,标幺的基值取h桥级联型电力电子变流器装置的额定线电流有效值isn;对负荷的三相线电流标幺值进行clark变换,将abc坐标下的电流值,变换为αβ坐标系中,得出负荷电流的α轴分量iload_alfa和β轴分量iload_beta;

2)对于无功电流分量的检测,采用随机负荷供电的相电压相位(50hz交流分量),对其线电流进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值iload_d1和iload_q1,由于h桥级联变流器无有功功率发生装置,故而不对有功电流分量iload_d1进行补偿,对dq坐标下的无功电流分量iload_q1进行滤波,滤除其中的交流分量,得出滤波后的无功电流分量iload_q1p,加上供电网电压变化量的闭环控制模块的输出值iref_u和接入点无功功率闭环控制模块输出的电流参考值iref_q,最后采用随机负荷供电的相电压相位(50hz交流分量),对其进行反park变换,得出的结果iload_ds1和iload_qs1,即为随机负荷线电流中的无功分量;

3)对于负荷向电网注入的谐波电流分量的检测,采用随机负荷的相电压相位计算所得的多倍角速度的相位即50hz整数倍分量进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值,得出iload_d2~iload_d4和iload_q2~iload_q4,而后对其d、q电流分量分别进行滤波,滤除其中的交流分量,最后采用随机负荷的相电压相位计算所得的多倍角速度的相位进行反park变换,得出的结果iload_ds2~iload_ds4和iload_qs2~iload_qs4,即为随机负荷线电流中的谐波分量;

4)对于引起电压闪变的电流分量的检测,采用随机负荷供电的相电压相位所计算出的次同步相位即25hz交流分量,对其线电流进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值得出iload_ds和iload_qs;而后对iload_ds和iload_qs电流分量分别进行滤波,滤除其中的交流分量,得出iload_dsp和iload_qsp,最后采用随机负荷供电的相电压相位所计算出的次同步相位,对其线电流进行反park变换,得出iload_dss和iload_qss,得到随机负荷线电流中的闪变分量;

经过上述计算后,将2)、3)和4)所得的结果相加,得出总的负荷电流在αβ坐标系下的分量iload_alfa_s和iload_beta_s,对其进行反clark变换得出总的负荷电流计算值ifref_a、ifref_b、ifref_c,作为总的电流参考值输出至h桥级联型电力电子变流器电流控制模块中,达到补偿供电网电压的目的。

进一步地,所述的随机负荷的多倍角速度的相位及次同步相位由随机负荷的三相供电电压经由锁相环pll后得出50hz交流分量的相位,再经由三角函数计算得到多倍角速度的相位和次同步相位。

进一步地,所述的供电网电压变化量闭环控制模块的控制方法包括如下:

采集供电网母线电压uhv,然后计算出其有效值uhv_rms,而后采用额定电压有效值un进行标幺化处理,得出供电网母线电压标幺值uhv_pu,经过一个高通滤波器,滤除其直流分量后得到电压误差值uhv_err,最后经过一个比例微分调节器后得到该部分电流参考值的输出值iref_u。

进一步地,所述的供电网接入点无功功率闭环控制模块的控制方法包括如下:

采集母线接入点的电流ihv,然后计算出其有效值ihv_rms,并根据接入点额定容量的电流值in进行标幺化处理,得出电流的标幺值ihv_pu,同时利用电压变化量闭环控制中得出的电压标幺值uhv_pu计算出系统接入点处的无功功率qhv_pu,将其经过一个比例积分调节器后得出系统无功电流参考值iref_q。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

1)本发明用成熟的h桥级联型电力电子变流器为基础,提出了一种多角速度坐标变换的方式,避免了传统的电流检测方法的交流量相位检测误差,达到高精度的控制效果,稳定了电网的供电质量。

2)本发明基于成熟的三相h桥单元级联型变流器,提出了一种电压闪变、功率因数、谐波电流的综合补偿控制方法,将由于负荷引起的电能质量问题得到有效的控制,提高了电网的供电质量。

3)本发明在补偿高次谐波电流的基础上,同时兼顾了工频的50hz无功电流补偿,以及50hz以下频率范围的闪变电流。

附图说明

图1是本发明的三相h桥级联型电力电子变流器系统及其控制器拓扑图;

图2是本发明的三相h桥功率单元级联型电力电子变流器拓扑图(星接);

图3是本发明的三相h桥功率单元级联型电力电子变流器拓扑图(角接)

图4是本发明的电压闪变、无功功率和谐波综合补偿控制框图;

图5是本发明的多角速度电压旋转矢量计算框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

本发明说指的三相h桥单元级联型结构的电力电子变流器拓扑如图1所示,同时为了阐述本发明的内容,假设工况为一种随机负荷通过一个升压变压器连接至供电网,同时电力电子变流器并联于电力随机负荷进行补偿。对于供电网来说,负荷补偿的含义是指采用对应的设备对负荷所造成的电能质量问题进行补偿,包括供电网电压闪变、供电网无功、谐波等问题。

三相h桥功率单元级联型电力电子变流器拓扑图分为星型拓扑(如图2)和角型拓扑(如图3)

如图4所示,一种基于三相链式电力电子变流器的供电网电压综合补偿控制方法,所述的方法由随机负荷电流检测模块、供电网电压变化量闭环控制模块和供电网接入点无功功率闭环控制模块实现。

由随机负荷电流检测模块计算出负荷向电网注入的谐波电流分量iload_ds2~iload_ds4和iload_qs2~iload_qs4、无功电流分量iload_ds1和iload_qs1以及引起电压闪变的电流分量iload_dss和iload_qss,将供电网电压变化量控制模块输出值iref_u和接入点无功功率闭环控制模块输出的电流参考值iref_q叠加至无功电流分量iload_ds1和iload_qs1的计算中,最后将负荷向电网注入的谐波电流分量、无功电流分量以及引起电压闪变的电流分量相加,作为总的电流参考值ifref_a、ifref_b、ifref_c输出至h桥级联型电力电子变流器电流控制模块中,达到补偿供电网电压的目的。

1)谐波电流分量的检测

在随机负荷的谐波分量检测模块中,本控制方法检测随机负荷电流分量中的二次、三次及四次谐波分量。本方法的主要思路是将负荷的供电电压进行倍频处理,从而得出高于工频的倍频旋转矢量,而后将负载电流按照随机负荷的供电电压倍频向量进行定向,从而得出各次谐波的幅值而进行负荷补偿。传统的谐波检测方法在进行对谐波分量滤波后存在对检测分量的相位滞后,本发明主要是将各次分量转换为直流量,从而避免了相位误差的可能性。

2)闪变电流分量的检测

对于闪变分量的定义是指低于50hz工频的交流分量,主要集中在25hz附近。本方法提出了一种将电压的工频向量转换为次同步的25hz旋转矢量,同时将随机负荷的电流使用这种次同步的25hz旋转矢量定向,检测出其中的直流分量作为给定值进行补偿,从而避免低通滤波带来的相位误差。

3)无功电流分量的检测

对于工频的50hz无功分量,本方法采用将随机负荷电流按照负荷供电电压旋转矢量进行定向,从而得出负荷的无功电流分量。

本发明的方法还包括供电网电压变化量闭环控制模块以及供电网接入点无功功率闭环控制模块,对比传统的负荷补偿控制策略,根本上解决了电流检测所带来的相位滞后问题。

如图4所示,所述的随机负荷电流检测模块中的控制方法包括如下:

1)首先将随机负荷的线电流采样值iload_a、iload_b、iload_c进行标幺化处理,得出负荷电流的标幺值iload_apu、iload_bpu、iload_cpu,标幺的基值取h桥级联型电力电子变流器装置的额定线电流有效值isn;对负荷的三相线电流标幺值进行clark变换,将abc坐标下的电流值,变换为αβ坐标系中,得出负荷电流的α轴分量iload_alfa和β轴分量iload_beta;

2)对于无功电流分量的检测,采用随机负荷供电的相电压相位(50hz交流分量),对其线电流进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值iload_d1和iload_q1,由于h桥级联变流器无有功功率发生装置,故而不对有功电流分量iload_d1进行补偿,对dq坐标下的无功电流分量iload_q1进行滤波,滤除其中的交流分量,得出滤波后的无功电流分量iload_q1p,加上供电网电压变化量的闭环控制模块的输出值iref_u和接入点无功功率闭环控制模块输出的电流参考值iref_q,最后采用随机负荷供电的相电压相位(50hz交流分量),对其进行反park变换,得出的结果iload_ds1和iload_qs1,即为随机负荷线电流中的无功分量;

3)对于负荷向电网注入的谐波电流分量的检测,采用随机负荷的相电压相位计算所得的多倍角速度的相位即50hz整数倍分量进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值,得出iload_d2~iload_d4和iload_q2~iload_q4,而后对其d、q电流分量分别进行滤波,滤除其中的交流分量,最后采用随机负荷的相电压相位计算所得的多倍角速度的相位进行反park变换,得出的结果iload_ds2~iload_ds4和iload_qs2~iload_qs4,即为随机负荷线电流中的谐波分量;

4)对于引起电压闪变的电流分量的检测,采用随机负荷供电的相电压相位所计算出的次同步相位即25hz交流分量,对其线电流进行park变换,将αβ坐标下的电流值变为dq坐标下的电流值得出iload_ds和iload_qs;而后对iload_ds和iload_qs电流分量分别进行滤波,滤除其中的交流分量,得出iload_dsp和iload_qsp,最后采用随机负荷供电的相电压相位所计算出的次同步相位,对其线电流进行反park变换,得出iload_dss和iload_qss,得到随机负荷线电流中的闪变分量;

经过上述计算后,将2)、3)和4)所得的结果相加,得出总的负荷电流在αβ坐标系下的分量iload_alfa_s和iload_beta_s,对其进行反clark变换得出总的负荷电流计算值ifref_a、ifref_b、ifref_c,作为总的电流参考值输出至h桥级联型电力电子变流器电流控制模块中,达到补偿供电网电压的目的。

该部分使用的clark变换,反clark变换,park变换和反park变换的公式如下:

clark变换:

该部分的变量含义如下:

uα:变换后的α轴的分量;

uβ:变换后的β轴的分量;

ua:变换前的a相分量;

ub:变换前的b相分量;

uc:变换前的c相分量;

反clark变换:

该部分的变量含义如下:

uα:变换前的α轴的分量;

uβ:变换前的β轴的分量;

ua:变换后的a相分量;

ub:变换后的b相分量;

uc:变换后的c相分量;

park变换:

该部分的变量含义如下:

uα:变换前的α轴的分量;

uβ:变换前的β轴的分量;

ud:变换后的d轴分量;

uq:变换后的q轴分量;

cosθ:变换所采用的相位;

sinθ:变换所采用的正交相位;

反park变换:

该部分的变量含义如下:

uα:变换后的α轴的分量;

uβ:变换后的β轴的分量;

ud:变换前的d轴分量;

uq:变换前的q轴分量;

cosθ:变换所采用的相位;

sinθ:变换所采用的正交相位;

其中所使用的低通滤波器(lpf)传递函数为:

该部分的变量含义如下:

s:传递函数频域算子;

an:滤波器通频带增益;

ωn:传递函数剪切频率;

ζ:滤波器阻尼系数。

多角速度电压旋转矢量计算方法如图5所示,所述的随机负荷的多倍角速度的相位及次同步相位由随机负荷的三相供电电压经由锁相环pll后得出50hz交流分量的相位,再经由三角函数计算得到多倍角速度的相位和次同步相位。

如图4所示,所述的供电网电压变化量闭环控制模块的控制方法包括如下:

采集供电网母线电压uhv,然后计算出其有效值uhv_rms,而后采用额定电压有效值un进行标幺化处理,得出供电网母线电压标幺值uhv_pu,经过一个高通滤波器,滤除其直流分量后得到电压误差值uhv_err,最后经过一个比例微分调节器后得到该部分电流参考值的输出值iref_u。

该部分使用的高通滤波器传递函数和比例微分调节器传递函数如下:

高通滤波器的传递函数为:

该部分的变量含义如下:

s:传递函数频域算子;

an:滤波器通频带增益;

ωn:传递函数剪切频率;

ζ:滤波器阻尼系数;

高通滤波器的传递函数为:g(s)=kp+kds

s:传递函数频域算子;

kp:调节器比例系数;

kd:调节器微分系数。

如图4所示,所述的供电网接入点无功功率闭环控制模块的控制方法包括如下:

采集母线接入点的电流ihv,然后计算出其有效值ihv_rms,并根据接入点额定容量的电流值in进行标幺化处理,得出电流的标幺值ihv_pu,同时利用电压变化量闭环控制中得出的电压标幺值uhv_pu计算出系统接入点处的无功功率qhv_pu,将其经过一个比例积分调节器后得出系统无功电流参考值iref_q。

该部分使用的pi调节器传递函数如下:

pi调节器传递函数:

s:传递函数频域算子;

kp:调节器比例系数;

ki:调节器积分系数。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

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