基于能量单向流动三相可控整流器的无功补偿控制方法

本发明涉及电力电子及电力系统自动化领域，特别涉及一种基于能量单向流动三相可控整流器的无功补偿控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子装置在电力系统中日益广泛的应用，非线性负荷越来越多的接入导致电能质量急剧下降。为了解决电能质量问题，一系列拓扑结构，如有源电力滤波器(apf)、静态无功补偿器(svc)、静态无功发生器(svg)和统一电能质量控制器(upqc)广泛用于补偿无功和谐波电流，以满足谐波标准。然而，它们的运营成本相对较高。为了找到更具成本效益的方法来改善电能质量，许多研究已经提出将无功补偿和谐波补偿功能融合到整流器中用于电能质量治理是更好的而且没有任何额外硬件成本的方法。

2、作为一种极具吸引力的整流器拓扑，能量单向流动可控整流器越来越多地被用于能量单向流动的场合，如电动车充电站，泵速调节系统等。与能量双向流动可控整流器相比，能量单向流动可控整流器采用较少的全控型器件，从而提高了系统的功率密度并降低了硬件成本。综合以上因素，许多文献已经提出并证明了能量单向流动可控整流器用于无功补偿和谐波补偿的可能性。

3、然而，目前能量单向流动可控整流器用于无功补偿时电流环大多采用比例积分控制，动态调节时间较长，鲁棒性较差。因此，开展能量单向流动可控整流器用于无功补偿控制方法的研究对提高系统动态性能和稳态性能尤为关键。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种基于能量单向流动三相可控整流器的无功补偿控制方法，提高系统动态响应以及系统鲁棒性，减少电网电流谐波含量、提高电能质量，拓宽能量单向流动三相可控整流器无功补偿范围。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于能量单向流动三相可控整流器的无功补偿控制方法，其中能量单向流动三相可控整流器包括三相星接二极管h桥整流器、三相星接无桥整流器、三相星接vienna整流器；

3、本发明基于能量单向流动三相可控整流器的无功补偿控制方法步骤如下：

4、1)根据基尔霍夫电压定律以及clark变换与park变换，建立dq旋转坐标系下能量单向流动三相可控整流器的数学模型并进行离散，得到第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散预测模型，k为大于或等于1的整数；

5、2)电压传感器采集能量单向流动三相可控整流器第k个采样时刻的三相输入电压esx(k)(x＝a,b,c)以及能量单向流动三相可控整流器第k个采样时刻的直流侧电压udc(k)，基于双同步坐标系的解耦软件锁相环获取三相输入电压同步信号θ(k)，通过clark变换与park变换，将三相输入电压esx(k)由abc静止坐标系转换到dq旋转坐标系，得到第k个采样时刻三相输入电压有功分量ed(k)及三相输入电压无功分量eq(k)；

6、3)电流传感器采集能量单向流动三相可控整流器第k个采样时刻的三相补偿电流icx(k)(x＝a,b,c)以及三相负载电流ilx(k)(x＝a,b,c)，通过clark变换与park变换以及步骤2)中得到的三相输入电压同步信号θ(k)，将能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流icx(k)由abc静止坐标系转换到dq旋转坐标系，得到第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量icd(k)及三相补偿电流无功分量icq(k)，通过clark变换与park变换以及步骤2)中得到的三相输入电压同步信号θ(k)，将三相负载电流ilx(k)由abc静止坐标系转换到dq旋转坐标系，得到第k个采样时刻三相负载电流有功分量ild(k)及三相负载电流无功分量ilq(k)，将三相负载电流有功分量ild(k)及三相负载电流无功分量ilq(k)经过低通滤波器得到三相负载电流基波有功分量与三相负载电流基波无功分量

7、4)将能量单向流动三相可控整流器直流侧给定电压u*dc与第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器的直流侧电压udc(k)的差值输入到比例积分控制器，比例积分控制器的输出与第k个采样时刻三相负载电流有功分量ild(k)相加后减去第k个采样时刻三相负载电流基波有功分量作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的初步给定有功分量i*cd(k)，第k个采样时刻三相负载电流基波无功分量的相反数作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的初步给定无功分量i*cq(k)；

8、5)根据步骤1)中得到的dq旋转坐标系下第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散预测模型，确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量i*cd(k+1)以及第k+2个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量i*cd(k+2)表达式，得到能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量误差信号δi*cd(k)以及δi*cd(k+1)，进一步求得i*cd(k+2)与i*cd(k)的关系，以i*cd(k+2)作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定有功分量i*cd，根据推导公式确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧有功电压vd1(k+1)，将第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定有功分量i*cd和能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量icd(k)的差值输入到比例积分控制器，比例积分控制器的输出与能量单向流动三相可控整流器三相输入电压有功分量ed(k)作差得到vd2(k+1)，vd1(k+1)与vd2(k+1)相加作为第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的总有功电压vd(k+1)；

9、6)根据步骤1)中得到的dq旋转坐标系下第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散预测模型，确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量i*cq(k+1)以及第k+2个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量i*cq(k+2)表达式，得到能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量误差信号δi*cq(k)以及δi*cq(k+1)，进一步求得i*cq(k+2)与i*cq(k)的关系，以i*cq(k+2)作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定无功分量i*cq，根据推导公式确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧无功电压vq1(k+1)，将第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定无功分量i*cq和能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流无功分量icq(k)的差值输入到比例积分控制器，比例积分控制器的输出与能量单向流动三相可控整流器三相输入电压无功分量eq(k)作差得到vq2(k+1)，vq1(k+1)与vq2(k+1)相加作为第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的总无功电压vq(k+1)；

10、7)通过clark逆变换与park逆变换以及步骤2)中得到的三相输入电压同步信号θ(k)，将第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的总有功电压vd(k+1)和总无功电压vq(k+1)由dq旋转坐标系转换到abc静止坐标系，得到能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的三相基准电压vxo(k+1)(x＝a,b,c)，在三相基准电压中叠加能量单向流动三相可控整流器中点电压von补偿整流桥侧交流电压使能量单向流动三相可控整流器三相补偿电流过零点畸变问题得到抑制，拓宽能量单向流动三相可控整流器无功补偿范围，采用spwm或svpwm调制得到能量单向流动三相可控整流器的开关管驱动信号，控制能量单向流动三相可控整流器开关管动作。

11、优选地，步骤1)中，根据基尔霍夫电压定律以及clark变换与park变换，建立dq旋转坐标系下能量单向流动三相可控整流器的数学模型：

12、

13、其中，ed、eq分别为能量单向流动三相可控整流器三相输入电压有功分量与无功分量，icd、icq分别为能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量与无功分量，vd、vq分别为能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的有功电压与无功电压，l为能量单向流动三相可控整流器输入电感，ω为电网基波角频率；

14、采用一阶前向差分法对公式(1)进行离散，得到dq旋转坐标系下第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散数学模型：

15、

16、其中，ts为一个采样周期时间，ed(k)、eq(k)分别为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器三相输入电压有功分量与无功分量，icd(k+1)、icq(k+1)分别为第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量与无功分量，icd(k)、icq(k)分别为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量与无功分量，vd(k)、vq(k)分别为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的有功电压与无功电压。

17、优选地，步骤5)中，根据步骤1)中得到的dq旋转坐标系下第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散预测模型，对公式(2)进行变形，确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量：

18、

19、将公式(3)向后推算，得到第k+2个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量：

20、

21、根据公式(3)得到第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量误差信号：

22、

23、将公式(5)向后推算，得到第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定有功分量误差信号：

24、

25、

26、以i*cd(k+2)作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定有功分量i*cd，根据公式(6)及公式(7)得到第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧有功电压vd1(k+1)：

27、

28、将第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定有功分量i*cd和能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流有功分量icd(k)的差值输入到比例积分控制器，比例积分控制器的输出与能量单向流动三相可控整流器三相输入电压有功分量ed(k)作差得到vd2(k+1)：

29、

30、vd1(k+1)与vd2(k+1)相加作为第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的总有功电压vd(k+1)：

31、

32、优选地，步骤6)中，根据步骤1)中得到的dq旋转坐标系下第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器离散预测模型，对公式(2)进行变形，确定第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量：

33、

34、将公式(11)向后推算，得到第k+2个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量：

35、

36、根据公式(11)得到第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量误差信号：

37、

38、将公式(13)向后推算，得到第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的给定无功分量误差信号：

39、

40、

41、以i*cq(k+2)作为第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定无功分量i*cq，根据公式(14)及公式(15)得到第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧无功电压vq1(k+1)：

42、

43、将第k个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流的最终给定无功分量i*cq和能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流无功分量icq(k)的差值输入到比例积分控制器，比例积分控制器的输出与能量单向流动三相可控整流器三相输入电压无功分量eq(k)作差得到vq2(k+1)：

44、

45、vq1(k+1)与vq2(k+1)相加作为第k+1个采样时刻能量单向流动三相可控整流器侧所要输出的总无功电压vq(k+1)：

46、

47、与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用改进的比例积分控制与模型预测控制相结合的复合控制实现能量单向流动三相可控整流器侧三相补偿电流跟踪控制，采用两步预测方法补偿采样延时问题，通过引入模型预测控制提高系统动态性能与稳态性能，使所设计的复合控制系统具有非线性控制能力，通过引入比例积分控制减小稳态误差，确保补偿电流对给定电流的实时跟踪，降低电网谐波含量，利用中点电压补偿整流桥侧交流电压抑制三相补偿电流过零点畸变，拓宽能量单向流动三相可控整流器无功补偿范围。

48、下面将结合实施例参照附图进行详细说明。