一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法與流程

2023-06-03 05:08:42

本發明屬於電力電子與電力系統
技術領域：
，具體涉及一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法。
背景技術：
：作為電能質量控制的重要一環，無功功率補償在提高供電和用電設備的安全可靠運行、提高功率因數、降低電路損耗、減少設備容量等許多方面作用非常明顯。隨著電力電子技術的發展，靜止無功發生器(StaticVarGenerator，SVG)日益受到學術界和工業界的重視，近年來取得重大技術突破。特別是三電平SVPWM的應用，使得三電平SVG輸出電流諧波含量低、開關器件承受電壓應力小、更適用於中高壓場合，成為了研究的熱點。高性能控制策略是三電平SVG研究的一個熱點問題。目前，在三電平SVG中，最常用的高性能控制策略是電壓定向矢量控制策略(VoltageOrientedControlStrategy即VOC策略)。1983年，AkagiH教授提出了著名的瞬時功率理論(pq理論)，為新的電力電子變流器控制策略的產生提供了重要理論基礎；20世紀80年代中期，日本的TakahashiI教授和德國魯爾大學的DepenbrockM教授分別提出了圓形直接轉矩控制方案和六邊形直接轉矩控制方案。1991年，OhnishiT結合瞬時功率理論和直接轉矩控制的思想提出了DPC策略，他將瞬時有功功率、無功功率用於PWM(PulseWidthModulation，脈衝寬度調製)變流器閉環控制系統中，形成了直接功率控制策略(DirectPowerControlStrategy即DPC策略)。自此以後，DPC策略被不斷的發展，應用於各種電力電子變流器與各種應用環境中。相對於VOC策略，DPC策略不需要旋轉變換，它直接選擇合適的矢量實現對瞬時功率的控制，從而具有算法簡單、動態響應更好等優點。然而，由於三電平SVG的特殊性及矢量複雜性，DPC策略的應用遠不如VOC策略廣泛。進一步的研究發現，現有的三電平DPC策略在某些區域會引起瞬時有功功率的異常波動，這大大增加了系統輸出電壓、電流的THD(TotalHarmonicDistortion，總諧波失真)值。技術實現要素：本發明的目的是提供一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，解決了現有三電平DPC策略在某些區域會引起瞬時有功功率的異常波動的問題。本發明所採用的技術方案是，一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：採集電壓型三電平中點鉗位拓撲電路交流側三相電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic的瞬時值，計算得到系統瞬時有功功率p和瞬時無功功率q；步驟2：確定有功功率偏差變量Sp和無功功率偏差變量Sq；步驟3：採集兩個直流電容電壓情況，確定中點電壓偏差變量Sn；步驟4，根據Sp、Sq和Sn，確定DPC策略的候選矢量，根據各矢量對系統瞬時功率的影響，對系統中點電壓平衡的影響，採用目標函數優化法確定DPC策略的最終開關狀態；步驟5，根據步驟4中的開關狀態，控制每相各開關器件的打開和關閉，使系統實際輸出功率達到設定要求。本發明的特點還在於：步驟1中系統瞬時有功功率p和瞬時無功功率q的公式為：p=uaia+ubib+ucicq=13(ub-uc)ia+(uc-ua)ib+(ua-ub)ic---(1).]]>步驟2中根據公式(2)確定有功功率偏差變量Sp和無功功率偏差變量Sq：其中，x＝p,q，p*由直流側給定電壓Udc*與直流側總電壓Udc的差值經過PI控制器得到，q*由系統設定，Hp為瞬時有功功率的滯環寬度，Hq為瞬時無功功率的滯環寬度，Hp和Hq由系統設定。步驟3中根據公式(3)確定中點電壓偏差變量Sn：Sn=1,uc1-uc2>Hn0,uc1-uc2其中，uc1和uc2分別為上下電容電壓，Hn為中點電壓的波動幅值，由系統設定。步驟4具體為：步驟4.1：根據Sp、Sq，進行候選矢量初選①若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq>0---(4)]]>②若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq③若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq0---(6)]]>④若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq其中，U為三相電源相電壓有效值，urd和urq分別為各矢量在d軸和q軸上的投影值，d軸對應有功電壓，q軸對應無功電壓；步驟4.2：根據Sn的情況，對步驟4.1初選的候選矢量進行二次篩選步驟4.2.1：根據公式(8)和(9)確定不同矢量對應的中點電流io，以流出為正：io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic(8)步驟4.2.2：根據各矢量對應的io的符號和實際的Sn值對初選的候選矢量進行二次篩選若Sn＝1，保留io0對應的矢量；若Sn＝0，保留io>0對應的矢量，刪除io其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分別表示在某個開關周期開始時，若選擇步驟4.2得到的矢量，到該開關周期結束時，系統瞬時有功功率誤差、瞬時無功功率誤差和中點電壓誤差。系統瞬時有功功率誤差ΔEP的計算公式如下：ΔEP＝ΔPk-ΔP(11)ΔPk=P*-P(k)ΔP=P(k+1)-P(k)=Ts(3U2-3Uurd-ωLsq)/Ls---(12)]]>其中，ΔPk表示第k個開關周期初始時系統瞬時有功功率誤差，P*為系統的瞬時有功功率給定；P(k)為第k個開關周期初始時系統的瞬時有功功率，其值等於此時將電壓電流採樣值代入式(1)計算得到的瞬時有功功率，ΔP為在第k個開關周期應用步驟4.2得到的矢量後系統瞬時有功功率誤差變化值。系統瞬時無功功率誤差ΔEQ的計算公式如下：ΔEQ＝ΔQk-ΔQ(13)ΔQk=Q*-Q(k)ΔQ=Q(k+1)-Q(k)=Ts(ωLsp+3Uurq)/Ls---(14)]]>其中，ΔQk表示第k個開關周期初始時系統瞬時無功功率誤差，Q*為系統的瞬時無功功率給定；Q(k)為第k個開關周期初始時系統的瞬時無功功率，其值等於此時將電壓電流採樣值代入式(1)計算得到的瞬時無功功率，ΔQ為在第k個開關周期應用步驟4.2得到的矢量後系統瞬時無功功率誤差變化值。系統中點電壓誤差ΔEN的計算公式如下：ΔEN＝ΔUnk-ΔUn(15)ΔUnk=Udc/2-Un(k)ΔUn=Un(k+1)-Un(k)=Tsio(k+1)/C-Un(k)---(16)]]>其中，ΔUnk表示第k個開關周期初始時系統中點電壓誤差，Udc為直流側總電壓；Un(k)為第k個開關周期初始時系統的中點電壓，其值等於此時採樣得到的下電容電壓，ΔUn為在第k個開關周期應用步驟4.2得到的矢量後系統中點電壓誤差變化值，io(k+1)為將步驟4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中點電流值，C為直流側單個電容的容值。步驟5中控制每相各開關器件的打開和關閉具體為：輸出矢量表中包含三相的開關狀態，若某相輸出P狀態，則該相的自上而下的第一、第二開關管開通，第三、第四開關管關斷；若某相輸出O狀態,則該相的自上而下的第二、第三開關管開通，第一、第四開關管關斷；若某相輸出N狀態,則該相的自上而下的第三、第四開關管開通，第一、第二開關管關斷。本發明的有益效果是：本發明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，可實現瞬時有功功率和瞬時無功功率的精確控制，且不會引起系統瞬時功率異常波動，利用目標函數的方法將系統有功功率誤差、無功功率誤差和中點電壓誤差進行整體控制，控制環路相對簡單，應用效果好。附圖說明圖1是本發明直接功率控制方法中採用的電壓型三電平中點鉗位拓撲圖；圖2是本發明直接功率控制方法的控制策略框圖；圖3是本發明直接功率控制方法中三電平SVG電壓矢量圖；圖4是傳統電壓型三電平SVG直接功率控制方法引起的系統瞬時功率異常波動和三相入網電流仿真圖；圖5是本發明直接功率控制方法中的瞬時功率波動和三相入網電流仿真圖；圖6是本發明直接功率控制方法中的直流電容電壓波動和入網電流與電網電壓仿真圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。本發明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，採用如圖1所示的電壓型三電平中點鉗位拓撲，包括三相交流部分(包含三相交流源加三相交流平波電抗器)、電壓型三電平中點鉗位變流器主電路部分、電壓傳感器、電流傳感器、AD轉換晶片和數字處理器，其中，電壓傳感器檢測三相交流部分電壓和直流側各電容電壓、電流傳感器檢測交流側各相電流，電壓傳感器和電流傳感器通過AD轉換晶片與數字處理器連接，數字處理器通過相應的驅動電路控制三電平SVG中各功率器件的開關。本發明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，如圖2所示，具體按照以下步驟實施：步驟1：採集電壓型三電平中點鉗位拓撲電路交流側三相電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic的瞬時值，計算得到系統瞬時有功功率p和瞬時無功功率q：p=uaia+ubib+ucicq=13(ub-uc)ia+(uc-ua)ib+(ua-ub)ic---(1).]]>步驟2：確定有功功率偏差變量Sp和無功功率偏差變量Sq：其中，x＝p,q，p*由直流側給定電壓Udc*與直流側總電壓Udc的差值經過PI控制器得到，q*由系統設定，Hp為瞬時有功功率的滯環寬度，Hq為瞬時無功功率的滯環寬度，Hp和Hq由系統設定。步驟3：採集兩個直流電容電壓情況，確定中點電壓偏差變量Sn：Sn=1,uc1-uc2>Hn0,uc1-uc2其中，uc1和uc2分別為上下電容電壓，Hn為中點電壓的波動幅值(實際中點電壓波動範圍為(U*dc-Hn/2,U*dc+Hn/2)，U*dc為直流側給定電壓)，由系統設定。步驟4，根據Sp、Sq和Sn，確定DPC策略的候選矢量，根據各矢量對系統瞬時功率的影響，對系統中點電壓平衡的影響，採用目標函數優化法確定DPC策略的最終開關狀態，具體為：步驟4.1：根據Sp、Sq，進行候選矢量初選初選時根據Sp、Sq的具體情況，採用公式(4)、(5)、(6)、(7)選擇滿足初選條件(功率變化條件)的合適矢量(具體的矢量分布圖如圖3所示)。①若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq>0---(4)]]>②若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq③若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq0---(6)]]>④若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq其中，U為三相電源相電壓有效值，urd和urq分別為各矢量在d軸和q軸上的投影值，d軸對應有功電壓，q軸對應無功電壓；步驟4.2：根據Sn的情況，對步驟4.1初選的候選矢量進行二次篩選步驟4.1得到的矢量只滿足系統瞬時功率的增減需求，但未考慮中點電壓的波動需求，同時，圖3中有6對矢量具有相同的位置(即PPO和OON，POO和ONN，POP和ONO，OOP和NNO，OPP和NOO，OPO和NON)，這6對矢量對系統瞬時功率的影響相同，因而需根據中點電壓的波動需求對其進行區分。步驟4.2.1：根據公式(8)和(9)確定不同矢量對應的中點電流io，以流出為正：io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic(8)步驟4.2.2：根據各矢量對應的io的符號和實際的Sn值對初選的候選矢量進行二次篩選若Sn＝1，保留io0對應的矢量；若Sn＝0，保留io>0對應的矢量，刪除io其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分別表示在某個開關周期開始時，若選擇步驟4.2得到的矢量，到該開關周期結束時，系統瞬時有功功率誤差、瞬時無功功率誤差和中點電壓誤差。系統瞬時有功功率誤差ΔEP的計算公式如下：ΔEP＝ΔPk-ΔP(11)ΔPk=P*-P(k)ΔP=P(k+1)-P(k)=Ts(3U2-3Uurd-ωLsq)/Ls---(12)]]>其中，ΔPk表示第k個開關周期初始時系統瞬時有功功率誤差，P*為系統的瞬時有功功率給定，在SVG系統中，P*一般接近0；P(k)為第k個開關周期初始時系統的瞬時有功功率，其值等於此時將電壓電流採樣值代入式(1)計算得到的瞬時有功功率，ΔP為在第k個開關周期(一個開關周期時間為Ts)應用步驟4.2得到的矢量後系統瞬時有功功率誤差變化值。系統瞬時無功功率誤差ΔEQ的計算公式如下：ΔEQ＝ΔQk-ΔQ(13)ΔQk=Q*-Q(k)ΔQ=Q(k+1)-Q(k)=Ts(ωLsp+3Uurq)/Ls---(14)]]>其中，ΔQk表示第k個開關周期初始時系統瞬時無功功率誤差，Q*為系統的瞬時無功功率給定；Q(k)為第k個開關周期初始時系統的瞬時無功功率，其值等於此時將電壓電流採樣值代入式(1)計算得到的瞬時無功功率，ΔQ為在第k個開關周期(一個開關周期時間為Ts)應用步驟4.2得到的矢量後系統瞬時無功功率誤差變化值。系統中點電壓誤差ΔEN的計算公式如下：ΔEN＝ΔUnk-ΔUn(15)ΔUnk=Udc/2-Un(k)ΔUn=Un(k+1)-Un(k)=Tsio(k+1)/C-Un(k)---(16)]]>其中，ΔUnk表示第k個開關周期初始時系統中點電壓誤差，Udc為直流側總電壓；Un(k)為第k個開關周期初始時系統的中點電壓，其值等於此時採樣得到的下電容電壓，ΔUn為在第k個開關周期(一個開關周期時間為Ts)應用步驟4.2得到的矢量後系統中點電壓誤差變化值，io(k+1)為將步驟4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中點電流值，C為直流側單個電容的容值。步驟5，根據步驟4中的開關狀態，控制每相各開關器件的打開和關閉，使系統實際輸出功率達到設定要求，具體為：輸出矢量表中包含三相的開關狀態，以PON為例，則a相輸出P狀態，b相輸出O狀態，c相輸出N狀態。若某相輸出P狀態，則該相的自上而下的第一、第二開關管開通，第三、第四開關管關斷，若某相輸出O狀態,則該相的自上而下的第二、第三開關管開通，第一、第四開關管關斷，若某相輸出N狀態,則該相的自上而下的第三、第四開關管開通，第一、第二開關管關斷。在Matlab/Simulink軟體對圖1所示系統進行仿真，設定基本參數如表1所示：表1電壓型三電平SVGDPC仿真參數利用Matlab/Simulink軟體，根據表1中仿真參數，分別採用傳統直接功率控制策略和本發明直接功率控制策略得到的仿真結果圖(圖4-6)。其中，圖4是傳統電壓型三電平SVG直接功率控制方法引起的系統瞬時功率異常波動和三相入網電流仿真圖；圖5是本發明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法中的瞬時功率波動和三相入網電流仿真圖；圖6是本發明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法中的直流電容電壓波動和入網電流與電網電壓仿真圖。對比三個仿真圖可以發現，傳統直接功率控制策略將導致系統瞬時有功功率的異常波動，且瞬時無功功率的波動範圍也較大，當採用本發明提出的三電平SVG直接功率控制方法後，系統瞬時有功功率異常波動消失，且瞬時無功功率的波動較小，同時，系統中點電壓得到較好控制。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp