CN104466968A - 一种dstatcom负序电流交叉耦合补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，采用基于正余弦三角函数为二维正交基的一种数字锁相方法，避免常规dq变换软件锁相闭环控制的复杂性。且克服当前负序电流补偿控制坐标转换控制的复杂性，提出了一种交叉耦合负序电流控制策略，将负序电流进行闭环控制器的输出值在逆时针旋转dq坐标系中进行交叉耦合到正序无功电流，或者正序谐波电流，流压转换结果上，进行统一空间矢量控制。

Description

一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法

技术领域

本发明涉及，尤其涉及的是一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法。

背景技术

近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，电力系统中存在大量的不平衡、非线性负荷、冲击性、波动性负荷及一些单相大容量负荷，例如汽车制造等行业中用的单相线电压供电的点焊机、工业交流电弧炉、电气化铁路等。这些负荷产生的负序、无功和谐波电流造成了大量电能的损失，且日趋严重，威胁着电力系统的安全和经济运行。在用户端电能质量治理中，无功负序电流补偿一直是电气工程领域的研究热点，与传统SVC、TSC补偿相比，DSTATCOM配电网同步静止无功补偿装置具有补偿时间快、可连续补偿、不产生谐振、可补偿一定次谐波等优点。因此低压DSTATCOM是解决上述用户电能质量问题的一种较优途径。

针对负序电流的补偿，当前业内主要采用角型无功补偿方案。无源型：根据Steinmetz原理，采用纯无功支路进行无功和负序的综合补偿，以基于晶闸管的投切的角接型无功补偿装置(在三相四线制接法中采用分相补偿方法)，但其基于相控技术，响应速度慢，会产生谐波电流。有源型(SVG)角接方案是一种好的电能质量治理方案，如图1所示，由3个H桥功率单元组成，按角接方式接入系统中，其具有响应速度快，可进行无功、负序和谐波的综合治理。角接无功补偿方案中，常采用基于Steinmetz原理的对称分量法通过线电流相量计算补偿电纳，依赖以周期均值为基础的相量理论。相量识别及复杂的电纳计算需花费大量时间，造成较大延时，一般为一个电网周期以上，实时性较差。

对于角接型SVG补偿负序电流方法，通常是通过CT检测线电流进行序分解(或通过瞬时无功算法)计算出负序电流及正序无功电流，然后通过线相坐标变换将计算出的负序、无功电流线值进行坐标转换到相值得到角接型SVG的目标补偿电流进行补偿。但这种方法存在两种不足，一是补偿装置本身由三个单相H桥组成，功率单元的耐压值相增加，同时功率单元拓扑结构复杂；二是目标电流由线值转换到相值时，由于线相系数矩阵不是满秩，因而已知线电流求相电流存在多解，必须增加约束条件才能得到唯一解，这增加了运算复杂度及运算量。

对于负序电流的补偿，当前主要做法是将目标负序电流在ABC时域中进行滞环直接电流控制或在dq坐标系中通过闭环控制进行流压转换得到目标电压，再转换到αβ坐标系中进行SVPWM控制。这些控制方法都将正负序目标电流分别进行控制需要大量的坐标转换计算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，包括如下步骤：

步骤一、构造初始相位为0的标准正余弦函数得到三角函数二维正交基，实时采样电网线电压瞬时值，与构造的正交基正余弦值进行乘积后再进行积分，得到电网线电压基波正序分量相位进行锁相，得到电网线电压相位，根据此相位可得到对应线电压U_AB相位正余弦值及二倍频正余弦值，同时计算得到对应相电压U_A相位正余弦值及二倍频正余弦值；

步骤二、根据步骤一锁相结果对电网线电压进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤三、将二的结果进行解耦得到三相电网线电压的正序和负序分量对应的dq坐标的值；

步骤四、实时采样负载电流的瞬时值，根据步骤一锁相结果对负载电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤五、将四的结果进行正负序解耦得到负载电流的正序和负序分量对应dq坐标的值；

步骤六、实时采样DSTATCOM输出电流的瞬时值，根据步骤一锁相结果对输出电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤七、将四的结果进行正负序解耦得到DSTATCOM输出电流的正序和负序分量对应dq坐标的值；

步骤八、根据装置控制要求，采用直流侧电压闭环控制，其输出值为d轴目标电流，根据步骤五的q轴结果得到DSTATCOM装置的正序无功补偿目标电流，同时得到装负序补偿目标电流；

步骤九、根据三的结果，将电网线电压的正负序分量转换成相电压的正负序分量，根据八的结果，在逆时针dq坐标系下的d轴与q轴上分别进行目标电流的前馈解耦控制，并且进行PI闭环控制；

步骤十、将步骤九中顺时针dq坐标系中的前馈解耦、闭环控制的结果进行交叉耦合到逆时针dq坐标中，实现负序电流的交叉耦合控制，其本质是将负序分量闭环控制结果耦合到正序分量进行统一控制；

步骤十一、将步骤十的结果进行逆PARK变换到α、β坐标系中实现流压转换，进行SVPWM控制，实现目标无功及负序电流补偿。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，该方法提供一种简便可靠易于实现的数字锁相方法，避免常规dq变换软件锁相闭环控制的复杂性及结果的不精确性。采用基于正余弦三角函数为二维正交基的一种数字锁相方法。且克服当前负序电流补偿控制坐标转换控制的复杂性，提出了一种交叉耦合负序电流控制策略，将负序电流进行闭环控制器的输出值在逆时针旋转dq坐标系中进行交叉耦合到正序无功电流，或者正序谐波电流，流压转换结果上，进行统一空间矢量控制。

附图说明

图1是角接DSTATCOM拓扑系统结构示意图。

图2是本发明的三相全桥星接DSTATCOM拓扑系统结构示意图。

图3是本发明的三相全桥星接DSTATCOM数学模型示意图。

图4是本发明的应用的CLARK、PARK变换坐标轴示意图。

图5是本发明使用的基于正余弦正交二维基锁相原理图。

图6是本明的电网电压正负序分量解耦分序原理图。

图7是本发明的负载电流正负序分量解耦分序原理图。

图8是本发明的DSTATCOM装置输出电流正负序分量解耦分序原理图。

图9是本发明的无功及负序分量双闭环控制及负序分量的交叉耦合控制补偿原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图2-3，为本发明的三相全桥星接DSTATCOM拓扑系统结构示意图和对于的数学模型结构示意图，星形DSTATCOM接于三相三线制配电网中。星形DSTATCOM为三相星形连接结构，其拓扑结构为低压的三相全桥或中高压的链式H桥组成，负载电流i_1a,i_1b,i_1c包含有功、无功、负序和谐波电流，其中无功、负序及谐波电流注入电网，造成电网电能损失，威胁系统稳定运行。星形DSTATCOM输出电流i_ca、i_cb、i_cc与负载电流中无功、负序和谐波电流幅值相同、方向相反。星形DSTATCOM输出电流与所述负载电流叠加消除所述网侧电流中无功、负序和谐波电流，保证电网电能质量。

一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，包括如下步骤：

步骤一、构造初始相位为0的标准正余弦函数得到三角函数二维正交基，实时采样电网线电压瞬时值，与构造的正交基正余弦值进行乘积后再进行积分，得到电网线电压基波正序分量相位进行锁相，得到电网线电压相位，根据此相位可得到对应线电压U_AB相位正余弦值及二倍频正余弦值，同时计算得到对应相电压U_A相位正余弦值及二倍频正余弦值。

参见图5，为基于正余弦函数二维正交基的锁相，构造初始相位为0的正余弦函数sinwt、coswt为二维正交基，设线电压U_AB基波正序分量相位为wt+θ⁺，其幅值为U_m，锁相的目的在于求解出wt+θ⁺；将采集到的U_AB分别与构造的sinwt、coswt相乘作周期内积得到：

$\left\{\begin{array}{c}S1={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{U}_{\mathrm{ab}}*\left(\sin \mathrm{wt}\right)\mathrm{dwt}=U_m^{+}\cos {\mathrm{\θ}}^{+}---\left(1\right)\\ S2={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{U}_{\mathrm{ab}}*\left(\cos \mathrm{wt}\right)\mathrm{dwt}=U_m^{+}\sin {\mathrm{\θ}}^{+}---\left(2\right)\end{array}\right.$

由上式易求出

$U_m=\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2}---\left(3\right)$

根据式(1)、(2)、(3)通过三角函数运算可求出线电压基波正序分量相位基波负序分量相位根据相电压与线电压相位关系得对应相电压U_A的基波正负序相位分别为上述求解方法在离散化过程中作内积计算求相位时应考虑采样频率所引起的系数。

参见图4为本发明的应用的CLARK、PARK变换坐标轴示意图，本发明所需的各坐标变换阵定义如下：

CLARK3变换： $C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

CLARK3逆变换： $C_{23}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$

CLARK2变换： $C_{22}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right],$

逆时针PARK变换： $C_{\mathrm{dq}}^{+}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{wt}& -\cos \mathrm{wt}\\ -\cos \mathrm{wt}& -\sin \mathrm{wt}\end{array}\right],$

逆时针PARK逆变换： $C_{\mathrm{dq}}^{-}=C_{\mathrm{dq}}^{+},$

顺时针PARK变换： $C_{\mathrm{dq}}^{-}=\left[\begin{array}{cc}-\sin \mathrm{wt}& -\cos \mathrm{wt}\\ -\cos \mathrm{wt}& \sin \mathrm{wt}\end{array}\right].$

步骤二、根据步骤一锁相结果对电网线电压进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤。

步骤三、将步骤二的结果进行解耦得到三相电网线电压的正序和负序分量对应的dq坐标的值。

图6为采样的线电压U_AB、U_BC计算等效相电压正负序分量原理框图，将U_AB、U_BC通过CLARK2变换到αβ坐标系下，以线电压通过CLARK2进行变换旨在减少零序分量的影响。

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{22}*\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\\ U_{\mathrm{BC}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

作逆时针PARK变换：

$\left[\begin{array}{c}{V}_d^{+}\\ V_q^{+}\end{array}\right]=C_{\mathrm{dq}}^{+}*\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\cos {\mathrm{\θ}}^{+}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\sin {\mathrm{\θ}}^{+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)& -\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)\\ \sin \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)& \cos \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}-\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\cos {\mathrm{\θ}}^{-}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\sin {\mathrm{\θ}}^{-}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中为基波正序分量幅值，θ⁺为基波正序量初始相位，为基波负序分量幅值，θ^-为基波负序分量初始相位，可见在逆时针PARK变换后所得dq轴分量分别含有直流分量及二倍频交流分量，其直流分量为基波正序分量对应转换值，二倍频交流分量为负序分量耦合值，考虑到系统电压一般情况下畸变率很小，为计算快捷，在转换过程不考虑谐波分量，整体不影响检测结果。同样，在顺时针PARK变换结果中也存在直流分量及二倍频交流分量，其直流分量对应基波负序分量，交流分量为正序分量耦合值；

作顺时针PARK变换：

$\left[\begin{array}{c}{V}_d^{+}\\ V_q^{+}\end{array}\right]=C_{\mathrm{dq}}^{+}*\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\cos {\mathrm{\θ}}^{-}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\sin {\mathrm{\θ}}^{-}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)& \sin \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)\\ \mathrm{-sin}\left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)& \cos \left(2{\mathrm{\θ}}_L^{+}\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\cos {\mathrm{\θ}}^{+}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\sin {\mathrm{\θ}}^{+}\end{array}\right]---\left(6\right)$

令 $\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{ld}}^{+}}\\ \stackrel{\‾}{V_{\mathrm{lq}}^{+}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\cos {\mathrm{\θ}}^{+}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{+}\sin {\mathrm{\θ}}^{+}\end{array}\right]---\left(7\right)$

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{ld}}^{-}}\\ \stackrel{\‾}{V_{\mathrm{lq}}^{-}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\cos {\mathrm{\θ}}^{-}\\ -\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_m^{-}\sin {\mathrm{\θ}}^{-}\end{array}\right]---\left(8\right)$

根据(5)、(6)两式设计线电压正负序解耦网络，将逆时针、顺时针PARK变换结果中的二倍频交流分量去掉实现正负序分量在dq坐标系中的完全解耦。考虑检测精度及实时性，本发明采用二次陷波器实现二倍频交流分量滤波，得到电压正负dq坐标系下直流分量

最终考虑DSTATCOM装置采用空间SVPWM调制补偿，因而将线电压正负序dq坐标系中的分量转换为等效相电压在相应坐标系中的值

步骤四、实时采样负载电流的瞬时值，根据步骤一锁相结果对负载电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波。

步骤五、将步骤四的结果进行正负序解耦得到负载电流的正序和负序分量对应dq坐标的值。

步骤六、实时采样DSTATCOM输出电流的瞬时值，根据步骤一锁相结果对输出电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波。

步骤七、将步骤四的结果进行正负序解耦得到DSTATCOM输出电流的正序和负序分量对应dq坐标的值。

步骤八、根据装置控制要求，采用直流侧电压闭环控制，其输出值为d轴目标电流，根据步骤五的q轴结果得到DSTATCOM装置的正序无功补偿目标电流，同时得到装负序补偿目标电流。

图7为负载电流无功分量及负序分量求解过程，其求解过程与电压正负序分量求解过程类似，考虑到负载电流中谐波量大，在求解基波正负序分量中采用二阶低通滤波进行交流分量滤波。最终得到 其中为基波正序无功电流，为基波负序分量在顺时dq坐标系中的值。通过本方法也可以求取谐波分量。

图8为DSTATCOM输出电流正负序分量求解过程，其求解过程与负载电流正负序分量求解过程类似，最终得到其中为基波正序有功电流，装置从网侧吸取有功分量维持直流电压平衡，为装置补偿负载基波正序无功电流，为装置基波负序分量在顺时dq坐标系中的值，用以补偿负载电流负序分量。按此控制原理也可进行谐波补偿。

步骤九、根据步骤三的结果，将电网线电压的正负序分量转换成相电压的正负序分量，根据八的结果，在逆时针dq坐标系下的d轴与q轴上分别进行目标电流的前馈解耦控制，并且进行PI闭环控制。

步骤十、将步骤九中顺时针dq坐标系中的前馈解耦、闭环控制的结果进行交叉耦合到逆时针dq坐标中，实现负序电流的交叉耦合控制，其本质是将负序分量闭环控制结果耦合到正序分量进行统一控制。

步骤十一、将步骤十的结果进行逆PARK变换到α、β坐标系中实现流压转换，进行SVPWM控制，实现目标无功及负序电流补偿。

图9为无功电流前馈解耦双闭环控制补偿过程及负序电流前馈解耦双闭环控制交叉耦合控制过程。图中分别有一个电压环及四个电流环，电压环中为直流电压给定信号，U_dc为直流电压实测信号，二者经PI控制，其控制输出结果作为正序有功电流环的给定信号，与装置输出电流分量组成正序有功电流环控制，目的在于装置从网侧吸收有功电流，有以维持直流电压稳定；同样，负载正序无功分量取反后作为正序无功电流环控制目标，与装置输出正序无功分量组成正序无功电流控制环，用以补偿负载正序无功电流；负序电流分量与正序电流采用相同电流环控制；为了实现正负序有功和无功分量的完全解耦，本发明采用了前馈解耦控制；同时，为了抑制电网电压扰动，控制中电网电压前馈控制。

进行电压环和电流环控制的目的在于实现实现流压转换，得到装置桥臂侧输出目标电压，实现流压转换。

装置负序电流闭环得到桥臂侧负序目标电压顺时针dq坐标系下值，本发明采用负序电流交叉耦合控制的方法负序目标电压通过交叉耦合变换矩阵耦合到正序逆时针dq坐标系中进行统一控制空间矢量SVPWM控制，交叉耦合矩阵为：

$C_{\mathrm{NP}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_P^{+}\right)& \sin \left(2{\mathrm{\θ}}_P^{+}\right)\\ -\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_P^{+}\right)& \cos \left(2{\mathrm{\θ}}_P^{+}\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

负序目标电压经交叉耦合到逆时针dq坐标系中与正序目标电压相叠加得到总的dq坐标系目标电压 $\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right],$ 将其经逆时针PARK逆变换得：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{dq}}^{-}*\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\sin {\mathrm{\θ}}_P& -\cos {\mathrm{\θ}}_P\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_P& \sin {\mathrm{\θ}}_P\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]---\left(10\right)$

用 $\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$ 进行SVPWM补偿最终实现了装置的正序无功电流及负序分量补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、构造初始相位为0的标准正余弦函数得到三角函数二维正交基，实时采样电网线电压瞬时值，与构造的正交基正余弦值进行乘积后再进行积分，得到电网线电压基波正序分量相位进行锁相，得到电网线电压相位，根据此相位可得到对应线电压U_AB相位正余弦值及二倍频正余弦值，同时计算得到对应相电压U_A相位正余弦值及二倍频正余弦值；

步骤二、根据步骤一锁相结果对电网线电压进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤三、将步骤二的结果进行解耦得到三相电网线电压的正序和负序分量对应的dq坐标的值；

步骤四、实时采样负载电流的瞬时值，根据步骤一得到的锁相结果对负载电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤五、将四的结果进行正负序解耦得到负载电流的正序和负序分量对应dq坐标的值；

步骤六、实时采样DSTATCOM输出电流的瞬时值，根据步骤一得到的锁相结果对输出电流值进行逆时针dq变换及顺时针dq变换，将转换结果分别经陷波器滤波；

步骤七、将步骤四的结果进行正负序解耦得到DSTATCOM输出电流的正序和负序分量对应dq坐标的值；

步骤八、根据装置控制要求，采用直流侧电压闭环控制，其输出值为d轴目标电流，根据步骤五的q轴结果得到DSTATCOM装置的正序无功补偿目标电流，同时得到装负序补偿目标电流；

步骤九、根据步骤三的结果，将电网线电压的正负序分量转换成相电压的正负序分量，根据八的结果，在逆时针dq坐标系下的d轴与q轴上分别进行目标电流的前馈解耦控制，并且进行PI闭环控制；

步骤十、将步骤九中顺时针dq坐标系中的前馈解耦、闭环控制的结果进行交叉耦合到逆时针dq坐标中，实现负序电流的交叉耦合控制，其本质是将负序分量闭环控制结果耦合到正序分量进行统一控制；

步骤十一、将步骤十的结果进行逆PARK变换到αβ坐标系中实现流压转换，进行SVPWM控制，实现目标无功及负序电流补偿。

2.根据权利要求1所述的一种DSTATCOM负序电流交叉耦合补偿控制方法，其特征在于：根据步骤一得到线电压基波正序分量相位基波负序分量相位根据相电压与线电压相位关系得对应相电压U_A的基波正负序相位分别为