专利名称：基于自适应调节直流侧电压的lc-vsi装置无功补偿控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于LC-耦合电压型逆变器结构的补偿装置的无功补偿控制方法，属于电气工程中的变流技术领域。
背景技术：
传统的无功补偿手段有机械投入的并联电容器及调相机等，但它们都存在着一些问题，如并联电容器运行不便，容易发生共振，在系统电压降低时不能有效地提供无功支持等缺点。而调相机虽然动态性能较好，运行范围也较宽，但是由于包含转动部分，其设备及运行成本都较高。柔性交流输配电(FACTS/DFACTS)技术的出现给电力系统带来了新的控制技术和应用手段。静态无功补偿器(Static Var Compensator, SVC),静态同步补偿器 (Static Synchronous Compensator, STATC0M)和有源电力滤波器(APF)都是可用来进行无功补偿的重要FACTS/DFACTS设备，它們具有高动态响应速度，宽大补偿范围，能抑制谐振问题，但其初次和运行成本高。把LC-耦合电压型逆变器(LC-VSI)应用于STATC0M和APF就构成LC-耦合 STATC0M (LC-STATC0M)和LC-耦合混合有源电力滤波器(LC-HAPF)，如“通过容性阻抗连接的静态同步无功补偿装置及控制方法”(中国发明专利，
公开日2009年4月15日，公开号 CN101409450A)、“中压混合有源电力滤波器”(中国发明专利，
公开日2007年8月22日，公开号CN101022218A)、“混合有源电力滤波器及其控制方法”(中国发明专利，
公开日2007 年5月30日，公开号CN1972060A)。LC-STATC0M和LC-HAPF能使得电压型逆变器(VSI)的输出电压可远低于系统电压，因而大大减小逆变器直流部分的电压，降低了 LC-STATC0M和 LC-HAPF无功补偿的成本和开关损耗。LC-STATCOi^P LC-HAPF在运作时的参考直流侧电压都是固定不变的，但当无源LC 部分提供的无功功率差不多能全补偿负载无功功率时，LC-STATC0M和LC-HAPF有源部分所需补偿无功的直流侧电压要求可以很低，若该LC-STATC0M和LC-HAPF仍然运作于设计之固定直流侧电压水平中，因而增加了开关组件的损耗及噪声，降低LC-STATC0M和LC-HAPF的效率及补偿效果不理想。
发明内容
本发明的目的是为了使基于LC-耦合电压型逆变器(LC-VSI)结构的补偿装置，如 LC-STATC0M和LC-HAPF，能对电力系统作动态无功补偿，且能在运行时优化及减少开关组件的损耗及噪声，提高装置的效率及补偿效果，提出一种在不同负载无功功率范围下自适应调节直流侧电压LC-VSI装置的无功补偿控制方法。为了实现以上目的，本发明提供一种基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，适用于三相四线及三相三线之电力系统，控制方法包括如下步骤首先，通过每相负载无功功率GiX/计算出LC-VSI装置三相所需的最小直流侧电压，根据最小vxaνχ(ω )lLxa^Lx (① t + GLx )νχβ_νχ(ω jT π/2)，^LxP_ 1χ(ω + π/2 + θιχ)_
直流侧电压，自适应调节参考直流侧电压水平Vd。；然后，通过三相的瞬时无功计算出每相需要的无功补偿电流及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流，把上述两个电流相加得到LC-VSI装置最终的参考补偿电流i。/ ;之后，利用PWM方法控制逆变器输出补偿电流U跟踪最终参考电流i。/，进行LC-VSI装置动态无功补偿及自适应直流侧电压之控制。上述控制方法中，计算每相负载无功功率0^,的方法具体如下
下
=a b c 相；
其中Vx为系统相电压，iLx为负载侧电流，Θ Lx为每相负载电流之相角。
根据单相瞬时无功理论，每相的瞬时有功Plx及无功为
Plx — Vx a IlxQ+vX^ ^Lx ，t^Lx — _Vx 0 ^Lxa +VX a
把- χ/2通过低通滤波器就能求得每相的负载无功功率。
上述控制方法中，获得每相所需补偿的最小直流侧电压值Vd。mim的方法如
a)三相四线LC-VSI装置 对于一个固定的直流侧电压^7cfcf
GjFcfc和调制指数m假设为m ^ I，每相
所需补偿负载无功功率之最小直流侧电压值为
QLx f Vdc
=2 Vy
I, b, c 相； 其中VxS系统相电压有效值，
-为LC无源支路(PF)所提供的
Lc
无功补偿功率；b)三相三线LC-VSI装置对于一个固定的直流侧电压Vd。和调制指数m假设为无功功率0Zxf之最小直流侧电压值表达式则为
I，其每相所需补偿负载 Vdc
3^2
K
Qlx
i, b, c 相(上述控制方法中，LC-VSI装置三相所需的最小直流侧电压Vde min通过下式得出^dc min ΓΠΒΧ (VcJc m^na ^dc minb ^dc minc^ 上述控制方法中，所述自适应调节参考直流侧电压水平Vdc*的具体方法为参考直流侧电压Vdc*分为η个电压等级V
del，Vdc2，· · · Vdcmax，Vdcl〈 ^dc2* · · 〈 Vdcmax，^ I，
2,... Max,来控制，当三相所需的最小直流侧电压值Vdcunin低于最低电压等级Vdca，最终参考直流侧电压Vdc* = Vdcl ;否则比较下一个较高电压等级Vtk2,重复该步骤。上述控制方法中，计算每相需要的无功补偿电流的方法如下基于Clarke变换,首先把a_b_c坐标系下的三相瞬时系统电压va，vb，V。及瞬时负
5载电流U，iLb iLc变换到ct _β -O坐标系,得出να, ve, V。及iu , iL0, iL0 ;根据瞬时无功理论,瞬时无功qa β为qa e =-veiLa+vaiLe在a-β-Ο坐标系下补偿无功所需要的补偿电流iea， ε0， ε(ι可以由下式计算出
.—. · _ n ~ cIaPvβ . — . . _ η ^αβναlca = lcap + lcaq =U+ ]= ιαβρ + hfiq =U + ~~，ic0 = ic0D = iL0
ναβναβ其中=d+V^;之后，通过反Clarke变换，得到在a_b_c坐标系下补偿无功所需要的每相补偿电
A丨L ica—q，icb—q，-^cc_q -^cx qicxp+icxq，X&，b，Co上述控制方法中，在α - β -0坐标系下控制直流侧电压Vd。跟踪参考直流侧电压 Vdc*之每相补偿电流由下式计算得出
Γ ·_ ·, ·_ ^PdCvOC , hcIdcvPlca _dc ~ lcap _dc 十 lcaq _dc ~ ^ 十 2 ，
~~ναβναβ
.._ ^PdcvP -AqdcVaιοβ _dc = ιαβρ _dc + lcfiq _dc = j 1 2 ，
~~~ναβναβic0 dc = 0其中Δ pd。= - Δ qd。= kp (Vdc*-Vdc), kp为增益。通过反Clarke变换，就能得到在a-b-c坐标系下控制直流侧电压所需要的每相补偿电流ira—d。，icb dc, icc dc, icx dc = icxp_上述控制方法中，最终参考补偿电流i。/的确定方法为把瞬时无功计算出每相需要的无功补偿电流,及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流ia— dc相加得到LC-VSI装置最终的参考补偿电流i。/。本发明的有益效果在于(I)因电力系统负载的无功功率是动态变化的，自适应直流侧电压LC-VSI装置的有源和无源部分能共同在一定范围内提供无功补偿功率。(2)因应不同的负载无功功率情况，LC-VSI装置能自适应调节所需直流电容电压水平，从而达到优化及减少有源部份运行时的损耗及噪声，提高LC-VSI装置的效率及补偿效果。(3)本发明提出的可调节直流侧电压来优化及减少系统之开关组件的损耗及噪声，提高系统效率及补偿效果之创新点，该创新点亦能实践于其他三相三线或三相四线，两电平至多电平之柔性交流输配电系统(FACTS/DFACTS)装置。
图I为本发明提出的自适应直流侧电压LC-VSI装置结构示意图。图2为本发明提供的LC-VSI装置单相基频等效电路模型。图3为LC-VSI装置在感性负载下的稳态单相基频相量图a为全补偿，b为欠补偿及，c为过补偿。图4为本发明提供的自适应直流侧电压LC-VSI装置控制框图。
图5为仿真例中采用两电平三桥臂中分LC-VSI装置结构图。图6为仿真例中自适应直流侧电压LC-VSI装置在不同感性负载下整个动态补偿过程及其波形图a为负载侧无功功率Gixy·，b为直流侧电压J7cfcy Vdcl，C为系统侧无功功率05X,，d为LC-VSI装置注入无功功率Gcx,(状况I至状况6)。图7为仿真例中LC-VSI装置补偿后A相电压和电流波形图于a为负载侧，b为系统侧(当感性负载I接上)。图8为仿真例中LC-VSI装置补偿后A相电压和电流波形图于a为负载侧，b为系统侧(当感性负载I及2接上)。图9为仿真例中LC-VSI装置补偿后A相电压和电流波形图于a为负载侧，b为系统侧(当感性负载1，2及3接上)。图10为仿真例中固定直流侧电压水平LC-VSI装置(4C[/, VdCL =120V)在不同感性负载下整个仿真动态补偿过程及其波形图a为负载侧无功功率，b为直流侧电压 Vdcu VdcL，c为电源侧无功功率，d为LC-VSI装置注入无功功率Gcx,(状况I至状况6)。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。如图I所示，自适应直流侧电压LC-VSI装置包括基于全控型电力电子器件(GT0 或IGBT)的电压型逆变器、连接逆变器和电力系统的LC无源支路、以及控制装置。所述LC 无源支路均包括串联电容器和电感器。根据图2的LC-VSI装置单相基频等效电路模型，可得LC-VSI装置在感性负载下的三种稳态单相基频相量图，如图3所示。当选取适当的LC 无源支路阻抗值，图3所示LC-VSI装置电压型逆变器的输出电压将可大大低于系统电压， 这使得电压型逆变器直流电容部分的电压大大降低，相应的逆变器所选用的开关组件的耐压值可以降低，从而减小装置的成本和开关损耗。针对本发明提出的自适应直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其所采用的控制方法包括首先，计算每相负载无功功率Gix/ ( Gix/可通过单相瞬时无功及低通滤波器求得)；然后，由每相的来确定LC-VSI装置每相及三相所需补偿0/^的最小直流侧电压值(Vdc; minx，Vtk min),从而进行自适应控制。实际上，因负载无功功率是时变的，为了减少直流侧电压时刻波动对LC-VSI装置补偿性能及效果之影响，逆变器参考直流侧电压 Vdc* 亦特意分为 η 个电压等级(Vdcl, Vdc2, · · · Vdcmax, Vdcl < Vdc2. · · < Vdcmax, η = 1，2，· · · max) 来控制，如图4所示。当三相所需的最小直流侧电压值Vdcunin低于最低电压等级Vdcl，最终参考直侧电压Vdc* = Vdcl ;否则，比较下一个较高电压等级Vtk2,并重复该步骤，如图4所示。利用三相瞬时无功方法计算出每相需要的无功补偿电流及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流，把这两个电流加起来就是最终的参考补偿电流i。/， 从而进行动态补偿无功及自适应直流侧电压之控制，如图4所示。基于LC-VSI装置的结构图I所示，该方法的实现过程如下(一)计算出每相负载无功功率Gix/
通过Ji/2领前或滞后相角之变换考虑,可把每相瞬时系统电&va,vb,v。及瞬时负 载电流iLb, L变换到坐标系，得出a-P坐标系下每相系统电压vxa，vx0及负 载电流，iLx@如下
权利要求
1.一种基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，适用于三相四线及三相三线之电力系统，其特征在于，包括如下步骤首先，通过每相负载无功功率GiXy· 计算出LC-VSI装置每相及三相所需的最小直流侧电压，根据最小直流侧电压，自适应调节参考直流侧电压水平Vd。；然后，通过三相的瞬时无功计算出每相需要的无功补偿电流及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流，把上述两个电流相加得到LC-VSI 装置最终的参考补偿电流i。/ ;之后，利用PWM方法控制逆变器输出补偿电流U跟踪最终参考电流i。/，进行LC-VSI装置动态无功补偿及自适应直流侧电压之控制。
2.根据权利要求I所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，计算每相负载无功功率Gix/的方法具体如下
3.根据权利要求2所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，上述控制方法中，获得每相所需补偿的最小直流侧电压值Vtk minx的方法如下a)三相四线LC-VSI装置对于一个固定的直流侧电压Pcfcy =Vdci和调制指数m假设为m l，每相所需补偿负载无功功率之最小直流侧电压值为
4.根据权利要求3所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，LC-VSI装置三相所需的最小直流侧电压Vd。—min通过下式得出
5.根据权利要求4所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，所述自适应调节参考直流侧电压水平Vd。的具体方法为参考直流侧电压 Vd:分为 η 个电压等级vdcl,vdc2,. . . Vdcmax, Vdcl < Vdc2. · · < Vdcmax, η = 1，2，· · · Max，来控制， 当三相所需的最小直流侧电压值Vtk min低于最低电压等级Vdca，最终参考直流侧电压Vdc* = Vdcl;否则比较下一个较高电压等级Vtk2，重复该步骤。
6.根据权利要求5所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，计算每相需要的无功补偿电流的方法如下基于Clarke变换，首先把a_b_c坐标系下的三相瞬时系统电压va，vb, Vc及瞬时负载电流 iLb iix 变换到 ct _β-O 坐标系，得出 να，ve，V。及 iL@ iLo ；根据瞬时无功理论，瞬时无功qae为Qa @ = "V0 iLa+va iL0在α-β-O坐标系下补偿无功所需要的补偿电流i。。，1。0，U可以由下式计算出
7.根据权利要求6所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，在α - β -O坐标系下控制直流侧电压Vd。跟踪参考直流侧电压Vdc*之每相补偿电流由下式计算得出
8.根据权利要求7所述的基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，其特征在于，最终参考补偿电流i。/的确定方法为把瞬时无功计算出每相需要的无功补偿电流ia—,及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流d。相加得到 LC-VSI装置最终的参考补偿电流i。/。
全文摘要
一种基于自适应调节直流侧电压的LC-VSI装置无功补偿控制方法，适用于三相四线及三相三线之电力系统，控制方法包括如下步骤首先，通过每相负载无功功率计算出LC-VSI装置三相所需的最小直流侧电压，根据最小直流侧电压，自适应调节参考直流侧电压水平Vdc；然后，通过三相的瞬时无功计算出每相需要的无功补偿电流及控制直流侧电压跟踪自适应参考直流侧电压值之补偿电流，把上述两个电流相加得到LC-VSI装置最终的参考补偿电流icx*；之后，利用PWM方法控制逆变器输出补偿电流icx跟踪最终参考电流icx*，进行LC-VSI装置动态无功补偿及自适应直流侧电压之控制。本发明能自适应调节所需直流电容电压水平，从而达到优化及减少有源部份运行时的损耗及噪声。
文档编号H02J3/18GK102611117SQ20121005113
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者林智声, 蔡威曦, 黄民聪 申请人:澳门大学