專利名稱：一種三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于三相電網(wǎng)的靜止無功同步補(bǔ)償器的控制方法，特別是一種基于α β坐標(biāo)系下電流無差拍調(diào)節(jié)的三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法。
背景技術(shù)：
由于不可再生能源減少、電力緊張、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，電力節(jié)能技術(shù)引起了全球各國的廣泛關(guān)注，靜止無功同步補(bǔ)償器已經(jīng)成為降低電網(wǎng)線損和提高電能質(zhì)量主要設(shè)備之一。因此，易于工程實(shí)現(xiàn)且控制性能優(yōu)良的用于三相電網(wǎng)的靜止無功同步補(bǔ)償器Gtatic var syschronous compensator, STATC0M)的控制方法具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。用于靜止無功同步補(bǔ)償器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由電壓源型和電流源型兩種，由于電壓源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此，靜止無功同步補(bǔ)償器通常采用電壓源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電壓源型靜止無功同步補(bǔ)償器主要包括逆變器直流側(cè)電容電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制，靜止無功同步補(bǔ)償器的性能很大程度取決于電流內(nèi)環(huán)控制的性能，但其電流參考值的計(jì)算和直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定也會(huì)影響無功電流的控制效果，因此，對(duì)于靜止無功同步補(bǔ)償器的電流控制應(yīng)該綜合考慮各個(gè)相關(guān)因素。目前，靜止無功同步補(bǔ)償器的無功電流控制技術(shù)主要有比例積分控制、滯環(huán)控制、 直接功率控制、無差拍控制、諧振控制、魯棒控制和其他非線性控制等方法。其中，比例積分控制雖然應(yīng)該用廣泛，但是對(duì)交流量很難做到無靜差調(diào)節(jié)；滯環(huán)控制具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)該快的優(yōu)點(diǎn)，但是功率器件開關(guān)頻率隨著電流瞬時(shí)值的變化而變化，使得濾波器設(shè)計(jì)困難；采用直接功率控制，不需要進(jìn)行電流的旋轉(zhuǎn)變換，通過開關(guān)表直接選擇合適的矢量實(shí)現(xiàn)有功功率控制，但是沒有電流內(nèi)環(huán)控制，難以保證電流波形質(zhì)量；無差拍控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)該快、穩(wěn)定性較好，能將瞬時(shí)誤差控制在一個(gè)開關(guān)周期變化量之內(nèi)，但是已有相關(guān)文獻(xiàn)都需要鎖相環(huán)并需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，增加了延時(shí)因素和計(jì)算量；諧振控制能實(shí)現(xiàn)交流量的無靜差控制，但其控制器參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試與調(diào)整；魯棒控制及其他已有的非線性控制方法的控制效果和魯棒性好，但它們?cè)O(shè)計(jì)方法復(fù)雜、計(jì)算量很大、不易于工程實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種響應(yīng)速度快、控制器參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，保證靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電流的波形質(zhì)量、電流控制量之間不存在耦合關(guān)系。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，三相靜止無功同步補(bǔ)償器包括檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流側(cè)電容和三相電壓型逆變器，三相電壓型逆變器的橋臂由兩個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)組成，檢測(cè)電路的輸出端接入控制電路，控制電路的輸出端接入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的六個(gè)輸出端分別與三相電壓型逆變器的六個(gè)開關(guān)器件的控制極相連，三相電壓型逆變器的橋臂與直流側(cè)電容并聯(lián)，三相電壓型逆變器通過輸出電感和電阻并聯(lián)接入電網(wǎng)和三相負(fù)載之間，所述三相靜止無功同步補(bǔ)償器的直接功率控制方法包括以下步驟 1)檢測(cè)并采樣三相靜止無功同步補(bǔ)償器與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處的系統(tǒng)電壓usa、 Usb和Us。、負(fù)荷電流ka、iLb和I。、三相靜止無功同步補(bǔ)償器的輸出電流i。a、icb和i。。，利用
CLARKE變換計(jì)算出系統(tǒng)電壓的α β分量Usa、us3、負(fù)荷電流的α β分量
I1 π >1
Lf3
和三相靜
止無功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流i。a、ic0，同時(shí)檢測(cè)并采樣直流側(cè)電容電壓Ud。；2)直流側(cè)電容電壓給定值與直流側(cè)電容電壓Udc的差值經(jīng)PI控制器得到有功功率目標(biāo)值P*，即電壓控制環(huán)；3)根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，由系統(tǒng)電壓的α β分量usa、Us0和負(fù)荷電流的α β
分量h
lLB
計(jì)算出無功功率目標(biāo)值Q*4)根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，由P*、Q*和系統(tǒng)電壓的α β分量usa、us0計(jì)算得到三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流目標(biāo)值的α β分量&、(β .
95)根據(jù)α β坐標(biāo)系下的三相靜止無功同步補(bǔ)償器的無差拍電流控制器得到三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電壓的α β分量Uia、Ui0，將Uia和Ui0經(jīng)CLARKE反變換，得到 abc坐標(biāo)系下的三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電壓目標(biāo)值uia、Uib和Uic ；6)對(duì)uia、uib和Ui。進(jìn)行SPWM調(diào)制，得到的脈沖序列信號(hào)用于控制三相靜止無功同步補(bǔ)償器的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功電流，并保證直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在目標(biāo)電壓。所述開關(guān)器件為IGBT。第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻有功功率目標(biāo)值P* (k)和無功功率目標(biāo)值Q*(k)的表達(dá)式為
~P\k)2_Q\k)_~ 3"
Usa(k) Usp(k) ⑷ ~Usa(k)
L(k)
C⑷其中UsaGO、UsbGO為第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻系統(tǒng)電壓的α β分量，4 (k)、4 (k) 分別為第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻補(bǔ)償電流目標(biāo)值的α β分量。第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻α β坐標(biāo)系下的靜止無功同步補(bǔ)償器的無差拍電流控制器表達(dá)式為
Uia (k) =(k) -外 ica (k) + Usa (k)
丄S丄S
L
L_
uip (k) = —-Ci0(^)-C-R)-KP(.k) + usP(.k)
1 S其中 0)，Uib(k)為第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電壓的 α β分量，1為開關(guān)器件的開關(guān)周期時(shí)間，L為輸出電感值，R為電阻值，Usa(k)、usb(k)為第 k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻系統(tǒng)電壓的α β分量，i。a(k)、i。b(k)為第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻三相靜止無
功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流，C (A)、4 (A)為第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流目標(biāo)值的α β分量。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明中由有功、無功功率給定值P*、Q*和系統(tǒng)電壓的α β 分量usa、us0直接計(jì)算得到靜止無功同步補(bǔ)償器(STATC0M)輸出的補(bǔ)償電流目標(biāo)值的α β
分量Cz、C ，然后，利用α β坐標(biāo)系下的靜止無功同步補(bǔ)償器的無差拍電流控制器得到 STATC0M輸出電壓的α β分量uia、uie，uia和Uie經(jīng)過CLARKE反變換后得到abc坐標(biāo)系下的STATC0M輸出電壓目標(biāo)值uia、uib和uie，將uia、uib和Uie用PWM技術(shù)調(diào)制成脈沖序列信號(hào)去控制STATC0M中的開關(guān)器件，不需要鎖相環(huán)就能實(shí)現(xiàn)無功電流補(bǔ)償控制和逆變器直流側(cè)電容電壓控制，減少了因鎖相環(huán)所產(chǎn)生的延時(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電流的α β分量的閉環(huán)控制、 保證了電流波形質(zhì)量，減少了控制器過程中的計(jì)算量，并且控制量之間不存在耦合關(guān)系。


圖1為帶三相電網(wǎng)靜止無功同步補(bǔ)償器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法的原理框圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明所用STATC0M裝置包括由VTl VT6六個(gè)IGBT構(gòu)成的電壓型逆變器、檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、連接電抗L、直流側(cè)電容C等。檢測(cè)電路采集6路交流電流信號(hào)和直流側(cè)電容電壓信號(hào)，并將采集信號(hào)送入控制電路；然后控制電路根據(jù)給定的控制方法和采集到的電流和電壓信號(hào)產(chǎn)生6路脈沖控制信號(hào)；最后，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)脈沖控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和功率放大后依序驅(qū)動(dòng)VTl VT6六個(gè)IGBT的柵極，使主電路輸出所需的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流在任何時(shí)刻與負(fù)載無功的電流大小相等、方向相反，從而完全補(bǔ)償系統(tǒng)中欲被補(bǔ)償?shù)臒o功電流。圖1為常見的三相靜止無功同步補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中usa、usb, Usc分別為配電網(wǎng)三相相電壓；uia、Uib、Ui。分別靜止無功同步補(bǔ)償器的三相輸出電壓；為R、L分別為連接電抗器的等效電阻和電感；i。a、i。b、i。。分別為三相靜止無功同步補(bǔ)償器注入配電網(wǎng)的電流；C 為直流側(cè)大電容。(一 )基于電流無差拍調(diào)節(jié)的直接功率控制根據(jù)電路理論知識(shí)我們可以得到三相靜止無功同步補(bǔ)償器在三相abc坐標(biāo)系下的電路方程如式(1)所示。
權(quán)利要求
1.一種三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，三相靜止無功同步補(bǔ)償器包括檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流側(cè)電容和三相電壓型逆變器，三相電壓型逆變器的橋臂由兩個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)組成，檢測(cè)電路的輸出端接入控制電路，控制電路的輸出端接入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的六個(gè)輸出端分別與三相電壓型逆變器的六個(gè)開關(guān)器件的控制極相連，三相電壓型逆變器的橋臂與直流側(cè)電容并聯(lián)，三相電壓型逆變器通過輸出電感和電阻并聯(lián)接入電網(wǎng)和三相負(fù)載之間，其特征在于，所述三相靜止無功同步補(bǔ)償器的直接功率控制方法包括以下步驟1)檢測(cè)并采樣三相靜止無功同步補(bǔ)償器與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處的系統(tǒng)電壓usa、11&和 Us。、負(fù)荷電流込、‘和U、三相靜止無功同步補(bǔ)償器的輸出電流i。a、i。b和i。。，利用CLARKE 變換計(jì)算出系統(tǒng)電壓的α β分量usa、us0、負(fù)荷電流的α β分量Ια、10和三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流i。a、ic0，同時(shí)檢測(cè)并采樣直流側(cè)電容電壓Udc ；2)直流側(cè)電容電壓給定值[；！與直流側(cè)電容電壓Ud。的差值經(jīng)PI控制器得到有功功率目標(biāo)值P*;3)根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，由系統(tǒng)電壓的αβ分量Usa、Us0和負(fù)荷電流的α β分量 iLa>iL0計(jì)算出無功功率目標(biāo)值Q*;4)根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，由P*、Q*和系統(tǒng)電壓的αβ分量usa、use計(jì)算得到三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流目標(biāo)值的α β分量Cz、(β .95)根據(jù)αβ坐標(biāo)系下的三相靜止無功同步補(bǔ)償器的無差拍電流控制器得到三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電壓的α β分量uia、uie，將Uia和Uie經(jīng)CLARKE反變換，得到abc坐標(biāo)系下的三相靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電壓目標(biāo)值uia、Uib和Ui。；6)對(duì)uia、uib和Ui。進(jìn)行SPWM調(diào)制，得到的脈沖序列信號(hào)用于控制三相靜止無功同步補(bǔ)償器的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功電流，并保證直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在目標(biāo)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，其特征在于， 所述開關(guān)器件為IGBT。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，其特征在于， 第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻有功功率目標(biāo)值P* (k)和無功功率目標(biāo)值Q*(k)的表達(dá)式為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，其特征在于， 第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)刻α β坐標(biāo)系下的靜止無功同步補(bǔ)償器的無差拍電流控制器表達(dá)式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相靜止無功同步補(bǔ)償器直接功率控制方法，由電壓控制環(huán)和無差拍電流控制環(huán)兩個(gè)控制器共同完成無功電流和直流側(cè)電壓控制，既不需要鎖相環(huán)，又能保證靜止無功同步補(bǔ)償器輸出電流的波形質(zhì)量和直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性，并且控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和易于工程實(shí)現(xiàn)，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、自適應(yīng)能力好的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102354991SQ20111029390
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者吳傳平, 孫運(yùn)賓, 羅安, 肖華根, 馬伏軍 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)