专利名称：一种静止无功发生器的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种电力系统实现无功补偿的静止无功发生器的控制装置，特别适应于直接耦合于电网的不等直流总线电压串联H桥型式SVG装置的控制装置。
SVG装置的原理如
图1所示，图2为装置输出超前无功电流的情况，图3为输出滞后无功电流的情况。装置的基本方程为Vs=Vc+jIcXs式中Vs为电网电压，Vc为SVG装置输出电压，Ic为SVG装置输出电流，Xs为输入电感的阻抗。由上式可知，只要保持SVG输出电压Vc与网压Vs同相位，则SVG输出电流与Vs相位差为90°，即Ic为纯无功电流，SVG装置向电网发出无功或从电网吸收无功。只需调节Vc的幅值，即可调节装置注入电网的无功电流的大小及特性(感性或容性)。当Vc幅值大于Vs时，输出容性的无功电流，相反则输出感性的无功电流。
图4为不等直流总线串联H桥型式SVG装置原理图。图中，各桥直流总线电压不相等，其中桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直流总线额定电压为2Vd/7，桥Ⅳ的直流环节额定电压为Vd/7。各H桥能输出的电压为+Vdi、0、-Vdi，其中Vdi为其直流总线电压。以桥Ⅰ为例，当IGBT管V11、V14开通时，该桥输出电压为+Vdi，而当V13、V12开通时，该桥输出电压为-Vdi，当V11、V13同时开通或V12、V14同时开通时，输出电压为0。
表1不等直流总线电压串联H桥电路输出电压列表 总输出电压为各桥输出电压值的叠加，通过组合，可实现不同的总输出电压值。表1列出了图1所示电路所能输出的所有正电压和零电压，加上未列出的负电压，一共能实现15种输出电压。这15种输出电压足够用来拟合所要求的参考正弦波。图5中阶梯波为总输出电压Vc波形，正弦波为参考正弦波，下部为各桥输出电压波形。总输出电压Vc的波形近似正弦，具有较低的谐波含量。
正常运行状态，在装置输出电压、电流变化时要保持各串联H桥直流总线电压稳定，这是所要达到的控制目标。
装置从电网吸收的有功功率为Pc=VcIccosΦ其中Φ为Vc与Ic的相角差。理想工作状态时，Φ等于90°，则Pc等于零，装置从电网吸收的有功功率等于零，各桥直流总线电压保持不变。但事实上，装置本身有一定损耗，要维持各桥直流总线电压稳定，必须从电网吸收一定的有功功率。另外，在装置启动阶段，各串联H桥直流总线电压从零上升到额定电压，也需要从电网吸收有功功率。
装置在运行过程中由于某种原因，如电压电流变化、扰动、畸变或某些瞬态过程等，各桥直流总线电压可能高于或低于额定值，这种情况是必然存在的。这时，就必须向电网释放或吸收有功功率，以维持直流总线电压稳定。
本发明的目的在于提供一种不等直流总线电压串联H桥型式SVG装置的控制装置，输出电压波形能较好的拟合参考正弦波，输出电压幅值与外部给定幅值相同，保持各桥直流总线电压稳定。
为达到以上目的，采取的技术方案是包括一个输入转换器，接收输入信号并适时进行A/D转换；一个存贮器，将来自输入转换装置的信号存贮下来；一个排序器，将存贮器中等压桥的直流总线电压值进行排序并输出一个中间值UD；一个相角调节器，该相角调节器根据中间值UD及等压桥的直流总线电压给定值UD*生成相角Φc；一个参考正弦电压Vc*发生器，该发生器根据输出电压幅值给定值及相角Φc生成总的直流总线电压Vc*；一个确保不等压桥直流总线电压保持稳定的脉冲宽度调节器，根据存贮器中的不等压桥直流总线电压给定值UD4*及不等压桥直流总线电压值UD4生成脉冲宽度调整系数Kw；一个交点电压计算器，根据等压桥直流总线电压中间值及脉宽调整系数Kw，采用适当的计算公式，计算得到输出阶梯波Vc与参考正弦波的交点电压值。
一个交点电压判别器，该判别器将交点电压值与参考正弦波电压在当前时刻的值进行比较，决定是否改变各桥驱动脉冲，其输出比较信号送至脉冲边沿选择器一个使各等压桥直流总线电压保持均衡的脉冲边沿选择器，根据交点电压判别器的输出比较信号，选择相应的桥；一个桥驱动脉冲发生器，根据脉冲边沿选择器的输出，转换为所选择桥的相应IGBT管的驱动脉冲。
由于本发明引入了相角调节器、脉冲宽度调节器和脉冲边沿选择器，其中脉冲宽度调节器的作用是使直流总线电压设定值与其他桥不同的那个桥的电压的稳定，相角调节器用来保持总的直流总线电压的稳定，脉冲边沿选择器作用是确保直流总线电压设定值相同的各桥直流总线电压均衡。在上述三个调节器的综合作用下，不等直流总线电压串联H桥SVG装置的各串联桥直流总线电压在输出电压电流快速变化时仍然能基本保持平稳，从而保证输出电压波形不畸变。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述图1为SVG装置的原理框图；图2为SVG装置输出超前无功电流的情况；图3为SVG装置输出滞后无功电流的情况；图4为直接耦合不等直流总线串联H桥型式SVG装置电路原理图；图5为输出电压波形；图6为控制器方案框图；图7为加入调节器后输出电压电流波形；图8为实施例输出电压742V时电压波形；图9为实施例输出电压742V时电流波形；图10为实施例输出电压跳变时的电压电流波形；图11为实施例输出电压跳变时桥Ⅰ直流总线电压波形；图12为实施例输出电压跳变时桥Ⅳ直流总线电压波形；图13为本发明的结构图；图14为软件流程图。
为了达到向电网释放或吸收有功功率的目的，不能再保持装置输出电压Vc与电网电压Vs相位一致，而要使Vc略滞后或超前于Vs。Φ小于90°，则Pc大于零，装置从电网吸收有功功率，直流总线电压上升。Φ大于90°，Pc小于零，装置向电网发出有功功率，直流总线电压下降。
如上所述，通过调节Φc可以保持总的直流总线电压的稳定。但仅仅保持总的直流总线电压稳定是不够的，还必须使各桥直流总线电压分别保持稳定，图4所示SVG电路才能正常工作。各桥从电网吸收的有功功率为Pi=ViIccosΦ其中Vi为各桥输出电压。如图5所示，各H桥输出电压波形不同，即Vi不同。当Vc、Vs存在相位差的时候，即Φ不等于90°时，各桥从电网吸收的有功功率Pi不同，从而将造成各桥直流总线电压的不平衡，无法正常工作。对桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ来说，这三个桥输出电压波形类似，若三个桥的电路参数也相同，解决上述问题的方法很简单。如图5所示，可采取脉冲轮换的方法，即每个周期交换驱动脉冲一次，使三个桥从电网吸收的平均功率相同，从而使得直流总线电压得以保持一致。但实际系统中，三个桥的电路参数有分散性是必然的，采用上述简单轮换的方法，将无法保证各桥直流总线电压的平衡，必须采用更为复杂的办法。对桥Ⅳ来说，由于输出电压波形与其他三个桥有显著区别，电路参数不一致(直流总线电容量是其他桥的两倍)，直流总线额定电压为其他三个桥的一半。要维持其直流总线电压稳定，也需要在控制方法上想办法。
图13为本发明的结构图。包括一个输入转换器，接收输入信号并适时进行A/D转换；一个存贮器，将来自输入转换装置的信号存贮下来；所述输入转换器接收输出电压Vc幅值给定值、等压桥直流总线电压给定值UD*、不等压桥直流总线电压给定值UD4*、等压桥直流总线电压值UD1、UD2、UD3、不等压桥直流总线电压值UD4，并将输入信号转换成数字信号输出至存贮器中。对于更多桥串联的无功发生器，其接收的直流总线电压包括所有桥的直流总线电压值。
一个排序器，将存贮器中等压桥的直流总线电压值进行排序并输出一个中间值UD；将排序结果作为脉冲边沿选择器的选择依据，将排序的中间值作为反馈量，作为相角调节器计算的输入量。对于更多桥串联的无功发生器，其参与排序的直流总线电压包括除单独的不等电压桥以外所有桥的直流总线电压值。
一个相角调节器，该相角调节器根据中间值UD及等压桥的直流总线电压给定值UD*生成相角Φc；一个参考正弦电压Vc*发生器，该发生器根据输出电压幅值给定值及相角Φc生成总的直流总线电压Vc*；一个确保不等压桥直流总线电压保持稳定的脉冲宽度调节器，根据存贮器中的不等压桥直流总线电压给定值UD4*及不等压桥直流总线电压值UD4生成脉冲宽度调整系数Kw；一个交点电压计算器，根据等压桥直流总线电压中间值及脉宽调整系数Kw，采用适当的计算公式，计算得到输出阶梯波Vc与参考正弦波的交点电压值。
一个交点电压判别器，该判别器将交点电压值与参考正弦波电压在当前时刻的值进行比较，决定是否改变各桥驱动脉冲，其输出比较信号送至脉冲边沿选择器；一个使各等压桥直流总线电压保持均衡的脉冲边沿选择器，根据交点电压判别器的输出比较信号，选择相应的桥；所述脉冲边沿选择器采用如下选择方法在比较器中比较参考正弦波电压极性与输出电流极性；在排序器中取等压桥直流总线电压排序信号；选择相应的等压桥；输出脉冲边沿选择信号至桥驱动脉冲发生器。
一个桥驱动脉冲发生器，根据脉冲边沿选择器的输出，转换为所选择桥的相应IGBT管的驱动脉冲。
引入了相角调节器、脉冲宽度调节器和脉冲边沿选择器。如图6，Vc*为输出电压给定值，由外部控制器根据需要给出其幅值。UD*为桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直流总线电压给定值，UD4*为桥Ⅳ直流总线电压给定值。UD1、UD2、UD3、UD4为各桥直流总线电压值。“MID”环节的作用是取UD1、UD2、UD3的中间值作为反馈量UD。“综合1”是Φc形成环节，根据UD*与UD的差值，采用普通PI调节器或神经元PI调节器等调节算法算出Φc来，这就是所谓的相位调节器。“综合2”是桥Ⅳ的脉宽调整系数Kw的形成环节，根据UD4*与UD4的差值，采用普通PI调节器算出Kw来，这就是所谓的脉冲宽度调节器。“综合3”是参考正弦波Vc*成环节。“综合4”主要功能是产生各桥输出电压脉冲，形成阶梯波，来拟合输出电压给定Vc*(参考正弦波)，在这里面的算法中，就包括了所谓的脉冲边沿选择算法。总之，整个控制器的目的是使最终输出电压波形能较好的拟合参考正弦波，输出电压幅值与外部给定幅值相同，控制目标是保持各桥直流总线电压稳定。
脉冲边沿选择算法的作用是使各等压桥的直流总线电压保持均衡。以下是对其内容的详细说明。
参见图7。图7和图5的输出电压Vc的幅值是一样的。两图中虚线所对应时刻的参考正弦波与阶梯波交点电压的值也相同。而虚线所对应正是桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ输出电压波形的边沿。两图的不同点在于桥Ⅱ与桥Ⅲ的输出波形不同。仔细看两者的区别，实际上是两者的下降沿位置作了交换。设此时SVG装置输出超前的电流IC，如图7所示，则对于各串联H桥来说，在点划线的左侧这一段时间里，电网向直流总线电容器充电。在点划线右侧的这一段时间里，直流总线电容器向电网放电。经过半个周期，桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直流环节电压变化量为ΔUdi=1Ci(∫t0t1icdt+∫t1t2icdt)]]>其中t0为相应桥输出电压的上升沿对应的时刻，t1为点划线对应的时刻，T2为相应桥输出电压下降沿对应的时刻，Ci为相应桥直流总线电容量。当输出电压对称时，电压变化量ΔUdi=0。当t1-t0＞t2-t1时，ΔUdi＞0。当t1-t0＞t2-t1时，ΔUdi＜0。如图7所示，经过半个周期，桥Ⅲ直流总线电压将有所上升，桥Ⅱ直流总线有所下降，而桥Ⅰ直流总线电压无变化。可见，只要根据各桥直流总线电压大小序列，在图7中虚线对应的时刻，合理选择各等压桥输出正电压、负电压或零电压，使直流总线电压低的桥多充电、电压高的桥少充电，就能维持桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直流总线电压的平衡。值得注意的是，待选择的时刻只能是图7中虚线对应的时刻，这样才能保证总输出电压波形基本不发生畸变。这就是所谓的边沿选择算法。
将参考正弦电压发生器的输出值与交点电压计算器所得的各桥驱动脉冲边沿对应的交点电压值进行比较，决定桥驱动脉冲参考正弦波电压计算公式为Vc*=Vcm*sin(314t+Φc)，Vcm为外部给定的输出电压幅值，Φc为相角调节器的输出。交点电压计算器的计算公式为 式中，UD*为等压桥直流总线电压指令。n为各桥驱动脉冲边沿的序号，对照图6，可知在点划线两边各有7个脉冲边沿，故n的取值为1至7。Kw为脉宽调整系数。计算好各桥驱动脉冲边沿对应的参考电压值(即阶梯波与参考正弦波交点电压值)后，再将当前时刻的正弦参考电压值与这些值进行比较。如当前参考电压值刚好越过某一交点电压值时，则某桥的驱动脉冲电平要发生变化。对照图6，在图中非虚线对应的脉冲边沿，只有桥Ⅳ的驱动脉冲电平要进行翻转，处理较为简单。而对于图中虚线对应的脉冲边沿，则不仅桥Ⅳ的驱动脉冲电平要进行翻转，其他某一桥的驱动脉冲电平也要进行翻转。至于具体是哪一个桥进行翻转，则由脉冲边沿选择器来决定。在脉冲边沿选择器中，首先比较参考正弦波电压极性与输出电流极性，两者相同则认为是处于充电区间，接下来的程序便根据在排序器中获取的桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直流总线电压排序，选择电压低的桥的驱动脉冲先开放，电压高的桥的驱动脉冲后开放。若同步信号极性与输出电流极性相反，则选择的方法相反。
脉冲宽度调节器的作用是使不等压桥直流总线电压的稳定。对桥Ⅳ来说，由于输出电压波形与其他三个桥有显著区别，电路参数不一致(直流总线电容量是其他桥的两倍)，直流总线额定电压为其他三个桥的一半。要维持其直流总线电压稳定，采用的基本原理与前述一致，即通过调整其直流总线电容器在一个周期内充放电量来维持电压稳定。比较图5和图7中桥Ⅳ输出电压波形，发现图5中的波形是对称的。而图7中的波形，在点划线左侧的脉宽比右侧的脉宽窄。这样的结果是，经过半个周期后，桥Ⅳ直流总线的电压有所下降。如果使左侧的脉宽宽于右侧的脉宽，则经过半个周期后，桥Ⅳ直流总线的电压将有所上升。为此，特引入脉宽调整系数Kw，在前述交点电压计算器公式中，体现了Kw的作用。再根据桥Ⅳ直流总线电压来调整该系数来达到保持直流总线电压为额定值的目的。同样值得注意的是，为避免总输出电压波形发生太大畸变，从而引起注入电网的谐波电流增加，必须遵循一条原则。即在调整桥Ⅳ输出电压脉宽时，与图7中虚线时刻对应的边沿应保持不变。这就是所谓的脉冲宽度调节器。
所述的相角调节器按以下公式生成相角
Φc(t)=K1e1(t)+w1(t-1)w1(t)=w1(t-1)+K1e1(t)-Kp1e1(t)其中e1(t)为等压桥直流总线电压给定值UD*与各等压桥直流总线电压中间值之差值，w1(t)为积分项，Φc(t)为相角调节器之输出，K1、kp1为常数系数。在实施例中，K1取0.005，kp1，取0.02。
所述的脉冲宽度调节器按以下公式生成脉冲调节系数KwKw(t)=K2e2(t)+w2(t-1)w2(t)=w2(t-1)+k2e2(t)-kp2e2(t)其中e2(t)为不等压桥直流总线电压UD4*与给定值UD之差值，W2(t)为积分项，Kw(t)为脉冲宽度调节器之输出，k2、kp2为常数系数。在实施例中，k2取0.08，kp2取0.08。
本实施例的相角调节器和脉冲宽度调节器还可以用模拟调节器或单神经元PI调节器等方法实现图14为软件流程图。先进行A/D转换，获取各桥直流总线电压等需要的信号。取等压桥中直流总线电压中间值与额定值比较，通过前述Φc调节器计算得到Φc。再根据参考正弦电压值与Φc的关系Vc*=Vcmsin(314t+Φc)计算得到参考正弦电压值Vc。根据单独的不等压桥的直流总线电压，通过Kw调节器计算出Kw，采用交点计算公式计算得到输出阶梯波与参考正弦波的交点电压。当参考正弦波的值越过与桥Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的交点时，根据脉冲边沿选择算法选择相应的桥，改变其输出电压值，使输出电压增加或减少一个阶梯。当参考正弦波的值越过其他交点时，则改变桥Ⅳ输出电压值，使输出电压增加或减少一个阶梯。
实施例试验结果验证了所采用的控制方案的正确性。
试验过程中，装置启动平稳无冲击，输出电压、电流波形均匀稳定。图8输出电压波形，图9为相应的电流波形。图中CH2所示正弦电压为与网压同相位的同步信号波形。
图10(a)为输出电压从最高电压跳变为最低电压时的电压电流波形。图10(b)为输出电压从最低电压458V跳变为最高电压742V时的电压电流波形。图11(a)为输出电压由高-低跳变时桥Ⅰ直流总线的情况，图11(b)为输出电压由低-高跳变时桥Ⅰ直流总线的的变化情况。从图中看，超调量约为10％，调整时间约为5S。图12(a)为高-低跳变时桥Ⅳ直流总线电压的变化情况，图12(b)为低-高跳变时桥Ⅳ直流总线电压的变化情况。从图中看，超调量几乎看不出来，这是由于引进了脉宽调制系数Kw，使响应速度增加的缘故。从图11、图12的试验波形，可以得出结论，采用本专利技术文件所述控制方案，不等直流总线电压串联H桥SVG装置的各串联桥直流总线电压在输出电压电流快速变化时仍然能基本保持平稳，从而保证输出电压波形不畸变，保证装置正常工作。
权利要求
1.一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于包括一个输入转换器，接收输入信号并适时进行A/D转换；一个存贮器，将来自输入转换装置的信号存贮下来；一个排序器，将存贮器中等压桥的直流总线电压值进行排序并输出一个中间值UD；一个相角调节器，该相角调节器根据中间值UD及等压桥的直流总线电压给定值UD*生成相角Φc；一个参考正弦波发生器，该发生器根据输出电压幅值给定值及相角Φc生成总的直流总线电压Vc*；一个确保不等压桥直流总线电压保持稳定的脉冲宽度调节器，根据存贮器中的不等压桥直流总线电压给定值UD4*及不等压桥直流总线电压值UD4生成脉冲宽度调整系数Kw；一个交点电压计算器，根据等压桥直流总线电压中间值及脉宽调整系数Kw，获得输出阶梯波Vc与参考正弦波的交点电压值；一个交点电压判别器，该判别器将交点电压值与参考正弦波电压在当前时刻的值进行比较，其输出比较信号送至脉冲边沿选择器；一个使各等压桥直流总线电压保持均衡的脉冲边沿选择器，根据交点电压判别器的输出比较信号，选择相应的桥；一个桥驱动脉冲发生器，根据脉冲边沿选择器的输出，转换为所选择桥的相应IGBT管的驱动脉冲。
2.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述输入转换器接收输出电压给定值Uc*、等压桥直流总线电压给定值UD*、不等压桥直流总线电压给定值UD4*、等压桥直流总线电压值UD1、UD2、UD3、不等压桥直流总线电压值UD4、输出电流信号Ic，并将输入信号转换成数字信号输出至存储器中。
3.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述排序器将接收的等压桥直流总线电压值UD1、UD2、UD3进行排序并输入至脉冲边沿选择器和相角调节器。
4.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述交点电压计算器采用如下公式计算无功发生器输出的阶梯波电压与参考正弦波电压的交点电压 式中，UD*为等压桥直流总线电压指令，n为各桥驱动脉冲边沿的序号，Kw为脉宽调整系数。
5.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述脉冲边沿选择器采用如下选择方法在比较器中比较参考正弦波电压极性与输出电流极性；在排序器中取等压桥直流总线电压排序信号；选择相应的等压桥；输出脉冲边沿选择信号至桥驱动脉冲发生器。
6.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述的相角调节器按以下公式生成相角φc(t)=k1e1(t)+w1(t-1)w1(t)=w1(t-1)+K1e1(t)-Kp1e1(t)其中e1(t)为等压桥直流总线电压给定值UD*与各等压桥直流总线电压中间值之差值，w1(t)为积分项，φc(t)为相角调节器之输出，K1、kp1为常数系数，也可以用模拟PI调节器或单神经元PI调节器来生成相角。
7.如权利要求1的一种静止无功发生器的控制装置，其特征在于所述的脉冲宽度Kw调节器按以下公式生成相角Kw(t)=K2e2(t)+w2(t-1)w2(t)=w2(t-1)+K2e2(t)-Kp2e2(t)其中e2(t)为不等压桥直流总线电压UD4*与给定值UD之差值，W2(t)为积分项，Kw(t)为脉冲宽度调节器之输出，k2、kp2为常数系数，也可以用模拟PI调节器来生成Kw。
全文摘要
一种静止无功发生器的控制装置,包括输入转换器、存贮器、排序器、相角调节器、参考正弦电压发生器、使不等压桥直流总线电压保护稳定的脉冲宽度调节器,交点电压计算器、交点电压判别器、使各等压桥直流总线电压保持均衡的脉冲边沿选择器、桥驱动脉冲发生器,采用这种控制装置,各串联桥直流总线电压在输出电压电流快速变化时仍能基本保持平稳,从而保证输出电压波形不畸变,保证所控制的静止无功发生器正常工作。
文档编号H02J3/18GK1285639SQ00113669
公开日2001年2月28日 申请日期2000年9月5日 优先权日2000年9月5日
发明者王颖曜 申请人:株洲时代电子技术有限公司