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适用于级联H桥静止无功补偿器的新型控制方法

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本发明公开了适用于级联H桥静止无功补偿器的新型控制方法，包括以下步骤：控制直流链电压的平均值为随无功电流幅值而动态变化，通过控制级联H桥静止无功补偿器输出的三次谐波电压或三次谐波电流来控制电容电压，优化电容电压的峰值。本发明的控制方法可以有效实现在直流链电容电压波动较大的情形下，保证功率开关器件电压不越限，并且SVG不出现过调制情况，有效降低SVG的直流电容容值。

著录项

公开/公告号CN106340886A

专利类型发明专利
公开/公告日2017-01-18

原文格式PDF
申请/专利权人山东大学;
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申请/专利号CN201610766746.2
发明设计人高峰;葛雪峰;王盼瑞;
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申请日2016-08-30
分类号H02J3/18(20060101);H02J3/01(20060101);
代理机构37221 济南圣达知识产权代理有限公司;
代理人张勇
地址 250061 山东省济南市历城区山大南路27号
入库时间 2023-06-19 01:27:02

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2018-06-05

授权

授权
2017-02-15

实质审查的生效 IPC(主分类):H02J3/18 申请日:20160830

实质审查的生效
2017-01-18

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，具体涉及适用于级联H桥静止无功补偿器的新型控制方法。

背景技术

无功补偿器可以有效地解决电力系统中常见的电压崩溃问题，提高电压质量。随着电力电子器件的发展，无功补偿器由过去传统的电容器组，电抗器组以及调相机等补偿设备发展到基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的静止无功补偿器(Static Var Generator,SVG)。链式结构的SVG通过级联多个H桥模块，能够提高SVG装置的输出电压，因此在中高压大容量无功补偿场合得到广泛应用。

传统的链式SVG电容电压控制方法控制所有H桥模块的直流电容电压的均值为恒定值。SVG的直流链电容电压含有低次谐波，其主要成分为二次谐波，因此电容电压二倍频的波动会增加电容电压的幅值，且当H桥模块直流电容的容值较小时会造成设备过压，因此工程上采用较大容值的直流电容作为SVG各H桥模块的直流侧电容。但是采用大容值电容将增加SVG的成本和体积，因此研究SVG系统的新型控制方法可有效降低H桥模块直流链电容容值，降低SVG的成本和体积。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种适用于级联H桥静止无功补偿器的新型控制方法，本发明应用于基于较小容值电容的链式SVG系统，在直流链电容电压波动较大的运行工况下，可以保证功率开关器件电压不越限，并且SVG不出现过调制现象。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

适用于级联H桥静止无功补偿器的新型控制方法，包括以下步骤：

控制H桥模块的直流链电容电压的平均值为随无功电流幅值变化而动态变化，并且通过控制级联H桥静止无功补偿器出口注入的三次谐波电压或三次谐波电流的大小实现对直流链电容电压的优化控制；

优化控制时采用两层控制法，第一层为控制三相电容电压的平均值为参考值，参考值为随无功电流幅值大小而变化的量，第二层为控制同一相内电容电压的平均值与参考值作差后，经过PR调节器调节之后的输出值作为调制波的低次波动分量。

进一步的，通过控制级联H桥静止无功补偿器出口三次谐波电压来控制直流链电容电压时，在星形结构的级联H桥静止无功补偿器中，通过控制静止无功补偿器出口电压含设定大小的三次谐波电压来实现直流链电压峰值的优化控制；上述步骤实现降低电容峰值电压的调节效果。

进一步的，通过向级联H桥静止无功补偿器出口注入三次谐波电流来控制直流链电容电压时，在三角型结构的级联H桥静止无功补偿器中，通过控制静止无功补偿器输出相电流含设定大小的三次谐波电流来优化电容峰值电压。

下面具体阐述补偿原理。

进一步的，星形结构的级联H桥静止无功补偿器中，级联H桥静止无功补偿器发感性无功时，静止无功补偿器出口注入的三次谐波电压为：

v₃＝-kNV_convsin3(wt+θ)

静止无功补偿器发容性无功时，静止无功补偿器出口注入的三次谐波电压为：

v₃＝kNV_convsin3(wt+θ)

其中，v₃为三次谐波电压，k为三次谐波电压调节系数，其大小为可控量，V_conv为单个H桥的等效输出基波交流电压幅值，θ为电网相电压初相角，w为电网电压角频率。

对于星形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发感性无功时，注入可控的三次谐波电压后，单个H桥的直流电容电压瞬时值为：

$v_{d c} = \sqrt{V_{L}^{2} + V_{c o n v} I_{g} X_{C} [(1 - k) \sin^{2} (w t + θ) - \frac{k >\sin^{2}(2 w t + 2 θ)}{2}]}$

其中V_L为电容电压谷值。

分析上式可知，静止无功补偿器直流链电容电压包括的直流分量以及二倍频分量跟随无功电流幅值的变化而动态变化。

进一步的，分析新型控制方法下的直流电容电压以及静止无功补偿器输出电压的关系可知，静止无功补偿器的调制波形主要包含基频分量、三倍频以及五倍频分量。即：

m＝Msin(wt+θ)+M₃sin3(wt+θ)+M₅sin5(wt+θ)

其中m为补偿器调制信号，M、M₃、M₅分别为调制信号的基频分量、三倍频以及五倍频分量的幅值，则静止无功补偿器输出电压的基频，三倍频以及五倍频分量可表示为：

$(\begin{matrix} v_{P} = {MV}_{a v e} + \frac{M - M_{3}}{2} V_{2} = V_{c o n v} \\ v_{3} = M_{3} V_{a v e} - {MV}_{2} / 2 = {kV}_{c o n v} \\ v_{5} = M_{5} V_{a v e} - M_{3} V_{2} / 2 = 0 \end{matrix})$

其中V₂为电容电压的二次谐波幅值。

依据上式可知，通过控制调制信号含有的三倍频分量以调节补偿器输出三倍频分量。而调制波中注入的三次谐波会导致输出电压包含五倍频分量，进而通过调制信号中注入五次谐波以消除三次谐波产生的五次谐波。直流链电压控制采取两层控制法，如图2所示，第一层即控制三相电容电压的平均值为参考值，参考值为随无功电流幅值大小而变化的量。第一层控制输出调制波的基波分量以及五倍频分量；第二层控制为同一相内电容电压的平均值与参考值作差后，再经过控制器调节之后的输出值作为调制波的三倍频波动分量。

对于星形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发感性无功时，电容电压参考值主要包含直流分量以及二倍频波动分量，且可表达成：

$v_{d c_r e f x} = V_{a v e} - V_{2} \cos 2 (w t + θ) = \frac{\sqrt{V_{L}^{2} + (1 - k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}} + V_{L}}{2} - \frac{\sqrt{V_{L}^{2} + (1 - k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}} - V_{L}}{2} \cos 2 (w t + θ), x = A, B, C$

电容电压峰值为：

$V_{M} = \sqrt{V_{L}^{2} + (1 - k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}$

则通过优化k值以及V_L的大小可最小化电容电压峰值，电容最小电压V_L以及k的大小可表述为：

1)H≤1时：

k＝0，并且V_L取值为：

$V_{L} = \sqrt{1 - H} V_{c o n v}$

其中H为：

$H = \frac{I_{g} X_{c}}{V_{c o n v}}$

2)时：

k和V_L分别为:

$k = \frac{\sqrt{H^{2} + 8 H} - (H + 2)}{2};$

V_L＝V_min

其中V_min为允许的最低电容电压。

进一步的，对于星形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发容性无功时，电容电压参考值可表达成：

$v_{d c_r e f x} = V_{a v e} + V_{2} \cos 2 (w t + θ) = \frac{V_{M} + \sqrt{V_{M}^{2} - (1 + k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}}{2} + \frac{V_{M} - \sqrt{V_{M}^{2} - (1 + k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}}{2} \cos 2 (w t + θ), x = A, B, C$

其中V_M和k值可表述为：

V_M和k分别为：

$V_{M} = \frac{\sqrt{(10 H + 64) (H + 1)}}{9};$

$k = \frac{H + 1}{9}$

V_M和k分别为：

$V_{M} = \frac{\sqrt{H (8 - H)}}{2};$

$k = 1 - \frac{H}{2}$

进一步的，在角形连接级联H桥静止无功补偿器中，控制静止无功补偿器发感性无功时注入的三次谐波电流为：

i₃＝-TI_gcos(3wt+θ)

静止无功补偿器发容性无功时，注入的三次谐波电流为：

i₃＝TI_gcos(3wt+θ)

其中，i₃为三次谐波电流，T为三次谐波电流调节系数，其大小为可控量，θ为电网相电压初相角，w为电网电压角频率，I_g为SVG输出相电流幅值。

进一步的，对于角形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发感性无功时，注入可控的三次谐波电流后，电容电压参考值为：

$v_{d c_r e f x} = V_{a v e} - V_{2} \cos 2 (w t + θ) = \frac{\sqrt{V_{L}^{2} + (1 - T) V_{c o n v} I_{g} X_{C}} + V_{L}}{2} - \frac{\sqrt{V_{L}^{2} + (1 - T) V_{c o n v} I_{g} X_{C}} - V_{L}}{2} \cos 2 (w t + θ), x = A, B, C$

其中T值和V_L大小可表述为：

1)H≤1：

T＝0，并且V_L取值为：

$V_{L} = \sqrt{1 - H} V_{c o n v}$

其中H为：

$H = \frac{I_{g} X_{c}}{V_{c o n v}}$

V_L和T分别为:

V_L＝V_min

$T = m i n (1 - \frac{1}{H}; T_{m a x})$

其中T_max为最大可允许的三次谐波电流调节系数。

进一步的，对于角形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发容性无功时，注入可控的三次谐波电流后，电容电压参考值为：

$v_{d c_r e f x} = V_{a v e} + V_{2} \cos 2 (w t + θ) = \frac{V_{M} + \sqrt{V_{M}^{2} - (1 + T) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}}{2} + \frac{V_{M} - \sqrt{V_{M}^{2} - (1 + T) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}}{2} \cos 2 (w t + θ), x = A, B, C$

其中T值以及V_M大小可表述为：

$V_{M} = \sqrt{1 + H} V_{c o n v};$

T＝0

由上述分析可知，直流链电容电压的平均值与无功功率大小相关。进一步地，注入电网的无功功率发生突变时，其无功功率参考值大小采用线性渐变的方法，电容通过一定的充放电时间过渡，实现了其平均电压的平滑控制，有效避免了暂态响应中电容电压的越限现象以及因直流链电压突变造成的SVG输出电流畸变。该控制算法能保证SVG的无功动态响应时间在规定的范围内并且能够有效提高SVG的暂态响应性能。

注入电网的无功功率发生突变时，无功功率参考值大小采用线性渐变的方法获取，电容通过一定的充放电时间过渡，实现了其平均电压的平滑控制。

本发明的有益效果：

1、本发明的新型控制方法，包含可控三次谐波电压/电流注入法以及控制电容电压的直流分量与谐波分量跟随无功电流幅值的变化而动态变化的控制方法。该新型控制方法应用在级联H桥SVG系统，可以有效实现在直流链电容电压波动较大的情形下，保证功率开关器件电压不越限，并且SVG不出现过调制情况。

2、基于本发明提出的适用于SVG的新型控制方法，可以减小直流链电容容值，进而降低设备成本和体积。

3、基于本发明提出的新型SVG控制方法可应用于已投入使用的SVG产品中，调节直流链电容电压，降低电容电压峰值，从而有效减少设备电压应力和开关损耗。

附图说明

图1：级联H桥静止无功补偿器星型结构图；

图2：新型的SVG控制示意图；

图3：级联H桥静止无功补偿器角型结构图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

基于传统链式结构的SVG控制方法，H桥电容的输出电容可表达为：

$I_{C} = \frac{{MI}_{g} s i n (2 w t + 2 θ)}{2}$

其中，I_g为SVG输出无功相电流幅值，M为补偿器调制比，w为电网电压角频率，θ为电网相电压初相角。则SVG直流链电压含有二倍频分量，以SVG发感性无功为例，SVG的H桥直流链电容电压可表示为：

$V_{d c} = V_{a v e} - \frac{{MI}_{g} X_{c}}{4} c o s (2 w t + 2 θ)$

其中V_ave为电容电压的直流分量，MI_gX_c/4为二倍频波动分量幅值；并且X_C为直流链电容电抗大小。传统的SVG控制方法为控制直流链电容电压的均值为恒定值。工程上也通常采用大容值的电容以减小电容电压的波动分量，降低电容峰值电压，防止过压现象发生。采用直流链电容电压的平均值为基于无功电流幅值大小而变化的方法可有效的降低电容电压峰值。电容电压的直流分量可表达为：

$V_{a v e} = \frac{V_{c o n v}}{M} - \frac{{MI}_{g} X_{c}}{8}$

其中V_conv为单个H桥等效的输出交流基波电压幅值，采用新型的控制方法，当输出无功电流变化时，通过调节电容电压的直流分量以降低电容电压峰值，保持高调制比，提高输出电流电能质量。SVG发感性无功时，电容电压参考值可表示为:

$v_{d c_r e f} = (\frac{V_{c o n v}}{M} - \frac{{MI}_{g} X_{c}}{8}) - \frac{{MI}_{g} X_{c}}{4} c o s (2 w t + 2 θ)$

同理，SVG发容性无功时，电容电压参考值可表示为：

$v_{d c_r e f} = (\frac{V_{c o n v}}{M} + \frac{{MI}_{g} X_{c}}{8}) + \frac{{MI}_{g} X_{c}}{4} c o s (2 w t + 2 θ)$

为进一步减小电容电压峰值，本发明通过控制SVG出口的三次谐波电压分量来控制直流链电容电压的直流分量和谐波分量。下文具体阐述补偿原理。

图1为星形结构的级联H桥静止无功补偿器(Static Var Generator,SVG)拓扑结构图，每相桥臂由N个H桥模块级联构成。以SVG发感性无功为例，SVG出口等效的输出基波相电压v_P为：

v_P＝NV_convsin(wt+θ)

对于星形结构的SVG，发感性无功时，SVG出口注入的三次谐波电压为：

v₃＝-kNV_convsin3(wt+θ)

其中k为三次谐波调节系数，v₃为三次谐波电压，注入可控的三次谐波后，电容电压瞬时值为：

$v_{d c} = \sqrt{V_{L}^{2} + V_{c o n v} I_{g} X_{C} [(1 - k) \sin^{2} (w t + θ) - \frac{k >\sin^{2}(2 w t + 2 θ)}{2}]}$

其中V_L为电容电压最小值。分析上式可知，SVG直流链电容电压包括的直流分量以及二倍频分量跟随无功电流幅值的变化而动态变化。分析新型控制方法下的直流电容电压以及SVG输出电压的关系可知，SVG的调制波形主要包含基频分量、三倍频以及五倍频分量。即：

m＝Msin(wt+θ)+M₃sin3(wt+θ)+M₅sin5(wt+θ)

其中m为补偿器调制信号，M、M₃、M₅分别为调制信号的基频分量、三倍频以及五倍频分量的幅值，则SVG输出电压的基频，三倍频以及五倍频分量可表示为：

其中v₅为五次谐波分量，V₂为电容电压的二次谐波幅值。依据上式可知，可以通过控制调制信号含有的三倍频分量以改变SVG输出电压的三倍频分量。而调制波中注入的三次谐波会导致SVG输出电压包含五倍频分量，进而通过向调制信号中注入五次谐波以消除SVG输出的五次谐波电压。直流链电压控制采取两层控制法，如图2所示，第一层即控制三相电容电压的平均值为参考值，参考值为随无功电流幅值大小而变化的量。第一层控制得到调制波的基波分量以及五倍频分量；第二层控制为同一相内电容电压的平均值与参考值作差后，再经过控制器调节之后的输出值作为调制波的三倍频波动分量。

电容电压参考值主要包含直流分量以及二倍频波动分量，且可表达成：

SVG直流链电容电压峰值为：

$V_{M} = \sqrt{V_{L}^{2} + (1 - k) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}$

则优化k值以及V_L大小可最小化电容电压峰值。V_L以及k的大小可表述为

1)H≤1：

k＝0，并且V_L取值为：

$V_{L} = \sqrt{1 - H} V_{c o n v}$

其中H为：

$H = \frac{I_{g} X_{c}}{V_{c o n v}}$

V_L以及k分别为:

$k = \min (\frac{\sqrt{H^{2} + 8 H} - (H + 2)}{2}, k_{m a x});$

V_L＝V_min

其中V_min为允许的最低电容电压，k_max为最大可允许的三次谐波电压调节系数。

进一步的，对于星形结构的级联H桥静止无功补偿器，当级联H桥静止无功补偿器发容性无功时，SVG出口注入的三次谐波电压为：

v₃＝kNV_convsin3(wt+θ)

注入可控的三次谐波后，电容电压瞬时值为：

$v_{d c} = \sqrt{V_{M}^{2} - V_{c o n v} I_{g} X_{C} [(1 + k) \sin^{2} (w t + θ) + \frac{k >\sin^{2}(2 w t + 2 θ)}{2}]}$

电容电压参考值可表达成：

进一步地，电容电压峰值V_M以及k的大小可表述为：

V_M和k分别为：

$V_{M} = \frac{\sqrt{(10 H + 64) (H + 1)}}{9};$

$k = \frac{H + 1}{9}$

V_M和k分别为：

$V_{M} = \frac{\sqrt{H (8 - H)}}{2};$

$k = 1 - \frac{H}{2}$

对于角型结构的SVG，通过控制补偿器出口三次谐波电流大小来控制电容电压进而降低电容电压的峰值，减少器件的电压应力。如图3所示为角型结构的链式SVG，则其发感性无功时，控制SVG注入的三次谐波电流为：

i₃＝-TI_gcos(3wt+θ)

注入可控的三次谐波电流后，电容电压瞬时值为：

$v_{d c} = \sqrt{V_{L}^{2} + V_{c o n v} I_{g} X_{C} [(1 - T) \sin^{2} (w t + θ) + \frac{T >\sin^{2}(2 w t + 2 θ)}{2}]}$

电容电压峰值为：

$V_{M} = \sqrt{V_{L}^{2} + (1 - T) V_{c o n v} I_{g} X_{C}}$

则通过优化T值以及V_L大小可最小化电容电压峰值，电容最小电压V_L以及T的大小可表述为：

1)H≤1；

T＝0，并且V_L取值为：

$V_{L} = \sqrt{1 - H} V_{c o n v}$

其中H为：

$H = \frac{I_{g} X_{c}}{V_{c o n v}}$

2)V_L以及T分别为:

V_L＝V_min；

$T = m i n (1 - \frac{1}{H}; T_{m a x})$

其中T_max为最大可允许的三次谐波电流调节系数，则电容电压参考值可表达成：

角型结构的SVG发容性无功时，注入的三次谐波电流为：

i₃＝TI_gcos(3wt+θ)

则单个H桥直流链电容电压为：

$v_{d c} = \sqrt{V_{M}^{2} - V_{c o n v} I_{g} X_{C} [(1 + T) \sin^{2} (w t + θ) - \frac{T >\sin^{2}(2 w t + 2 θ)}{2}]}$

$V_{M} = \sqrt{1 + H} V_{c o n v};$

T＝0

电容电压的参考值可表达成：

对于角型结构的静止无功补偿器，发容性无功时，电容电压峰值V_M以及T的大小可表述为：

$V_{M} = \sqrt{1 + H} V_{c o n v};$

T＝0。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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