CN103199550B - 级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，属于无功补偿控制技术领域。本发明是为了解决现有平衡功率单元电容电压的方法控制过程复杂并且控制状态不稳定问题。它首先采集级联无功补偿装置中每一个功率单元的交流侧电压u和交流侧电流i，获得每个功率单元的瞬时功率极性；采用与无功补偿装置的载波相同的频率采样功率单元的瞬时电容电压，获得该功率单元的电压调节值作为载波的修正值；确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波；将调节后的载波与正弦调制波比较，获得功率单元的调制信号，利用该调制信号对无功补偿装置的功率单元进行控制，实现补偿装置的电容电压平衡控制。本发明用于平衡无功补偿装置的电容电压。

Description

级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，属于无功补偿控制技术领域。

背景技术

基于功率单元级联的无功补偿装置由于无需升压变压器，更利于补偿谐波等优点，在中压6kV或10kV的电能质量治理中，占据越来越重要的位置。无功补偿装置常见拓扑及功率单元结构如图1所示。尽管所有的无功补偿装置的拓扑结构不尽不同，但这些装置均存在共同的问题，即功率单元的电容电压独立，不能被外部有效箝位，由于器件参数不一致及工作情况的不一致，又导致各功率单元的电容电压不等，装置输出谐波增加，因此，若不加以控制，各功率单元电容电压最终将超出容限，导致装置工作故障。

为了平衡功率单元电容电压，各国学者提出了种类繁多的控制方法，整体而言可以分成以下三类：

1、脉冲序列调整法：该方法首先对各功率单元按照电容上直流电压大小进行排序，然后根据当前电压电流方向，选择电容电压值最大或者最小的功率单元进行电平变换。这种方法在很多文献上均可见到，它能够适用于各种调制算法，但存在的问题是控制复杂，而且容易导致功率单元开关频率不一致，某些单元柜可能动作过于频繁，会增加功率损耗，造成系统局部温度升高。而为了平衡功率单元器件损耗，则不得不考虑多目标控制。这些算法计算量大，实时性不强，多在FPGA芯片中完成，增加了开发难度。

2、调整参考电压，补偿功率单元有功分量：这种控制算法对每个单元柜参考调制电压进行调整，与装置电流配合，补偿有功分量，以达到改变单元柜电容电压的目的。该方法在功率单元数据较多时计算量大，FPGA实现困难，且装置无功电流小时补偿效果不理想。有的方法还对每个功率单元柜都进行PI控制，计算复杂，还容易不稳定。

3、通过额外的主电路实现：例如通过移相变压器对每个功率单元的电容电压进行箝位，或者通过其他辅助电流进行不同功率单元之间能量的交换。这种方法显然增加成本和装置的体积，与采用级联型无功补偿装置的初衷相悖。

发明内容

本发明目的是为了解决现有平衡功率单元电容电压的方法控制过程复杂并且控制状态不稳定问题，提供了一种级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法。

本发明所述级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：采集级联无功补偿装置中每一个功率单元的交流侧电压u和交流侧电流i，由u×i的结果，获得每个功率单元的瞬时功率极性；

步骤二：采用与无功补偿装置的载波相同的频率采样功率单元的瞬时电容电压，将该瞬时电容电压与该功率单元所在链路的电容电压平均值作差，获得该功率单元的电压调节值，将该电压调节值作为载波的修正值；结合当前载波的极性与功率单元的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波；

步骤三：将调节后的载波与正弦调制波比较，获得功率单元的调制信号，利用该调制信号对无功补偿装置的功率单元进行控制，实现补偿装置的电容电压平衡控制。

所述功率单元的瞬时电容电压为功率单元中电容两端的电压。

所述链路的电容电压平均值根据该链路上所有功率单元的电容的电压值计算获得。

步骤二中所述结合当前载波的极性与功率单元的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波的具体方法为：

该具体方法分为以下四种情况：

一：功率单元的瞬时功率极性为负，当前载波信号大于0：此时该功率单元处于充电状态，该功率单元的瞬时电容电压与该功率单元所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波；

二：功率单元的瞬时功率极性为负，当前载波信号小于0：此时该功率单元处于充电状态，该功率单元的瞬时电容电压与该功率单元所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

三：功率单元的瞬时功率极性为正，当前载波信号大于0：此时该功率单元处于放电状态，该功率单元的瞬时电容电压与该功率单元所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

四：功率单元的瞬时功率极性为正，当前载波信号小于0：此时该功率单元处于放电状态，该功率单元的瞬时电容电压与该功率单元所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波。

所述u×i的结果通过乘法器实现，功率单元的瞬时功率极性采用符号判断电路实现。

将瞬时电容电压与功率单元所在链路的电容电压平均值作差通过减法器实现。

载波的修正值通过载波幅值调节器获得；将调节后的载波与正弦调制波比较通过载波比较PWM信号发生器实现。

本发明的优点：本发明所述控制方法基于载波幅值平移，进行无功补偿装置功率单元的瞬时功率调整，它能够调整各功率单元的有功交换，以达到平衡各功率单元电容电压的目的，适用于功率单元级联型无功补偿装置的电容电压平衡控制。它通过判断某一功率单元瞬时功率极性，调节相应载波，以调节功率单元开关的占空比，控制该功率单元充电或放电的持续时间，使功率单元的瞬时电容电压等于链路的电容电压平均值，达到均衡各功率单元电容电压的目的。

本发明有效解决了级联无功补偿装置中的直流侧电容电压不平衡问题，可适用于星形和三角形、以及单相接法的级联拓扑结构，控制方法实现简单，特别适合FPGA实现，该方法稳定可靠，不需要额外硬件开销，不依赖系统参数，平衡效果理想，具有较强的鲁棒性，并且实用性强，应用广泛。

附图说明

图1是本发明所述级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法所控制的无功补偿装置的原理图；图中u_sa表示电网A相电压、u_sb表示电网B相电压、u_sc表示电网C相电压，_{isvg_a}表示无功补偿装置输出的A相电流、i_{svg_b}表示无功补偿装置输出的B相电流、i_{svg_c}表示无功补偿装置输出的C相电流，L_a表示A相电抗器、L_b表示B相电抗器、L_c表示C相电抗器，u_ca表示无功补偿装置输出的A相电压、u_cb表示无功补偿装置输出的B相电压、u_cc表示无功补偿装置输出的C相电压；

图2是本发明所述控制方法中，双极性调制与功率单元输出的电压效果图；图中横坐标t表示时间，纵坐标v表示电压；从上到下，分别为调制波与载波关系、左桥臂输出电压、右桥臂输出电压、功率单元输出电压。

图3是载波调整对功率单元输出电压的改变的波形图；图中A表示平移后的载波，B表示对应于A载波平移后输出电压的变化效果；图中横坐标t表示时间；

图4是本发明方法中获得调节后的载波的流程图；其中v_{an_i}为无功补偿装置第i个功率单元输出的A相电压，u_{cr_i}为第i个功率单元载波，V_{DC_a_i}为A相第i个功率单元电容电压；

图5是本发明方法的实施整体框图；

图6是未采用本发明控制方法时，无功补偿装置的功率单元输出的电容电压曲线；

图7是采用本发明控制方法后，无功补偿装置的功率单元输出的电容电压曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：采集级联无功补偿装置中每一个功率单元1的交流侧电压u和交流侧电流i，由u×i的结果，获得每个功率单元1的瞬时功率极性；

步骤二：采用与无功补偿装置的载波相同的频率采样功率单元1的瞬时电容电压，将该瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差，获得该功率单元1的电压调节值，将该电压调节值作为载波的修正值；结合当前载波的极性与功率单元1的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波；

步骤三：将调节后的载波与正弦调制波比较，获得功率单元1的调制信号，利用该调制信号对无功补偿装置的功率单元1进行控制，实现补偿装置的电容电压平衡控制。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述功率单元1的瞬时电容电压为功率单元中电容两端的电压。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述链路的电容电压平均值根据该链路上所有功率单元1的电容的电压值计算获得。

具体实施方式四：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤二中所述结合当前载波的极性与功率单元1的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波的具体方法为：

该具体方法分为以下四种情况：

一：功率单元1的瞬时功率极性为负，当前载波信号大于0：此时该功率单元1处于充电状态，该功率单元1的瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元1的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元1的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元1所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波；

二：功率单元1的瞬时功率极性为负，当前载波信号小于0：此时该功率单元1处于充电状态，该功率单元1的瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元1的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元1的瞬时电容电压，C_DC_avg为该功率单元1所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

三：功率单元1的瞬时功率极性为正，当前载波信号大于0：此时该功率单元1处于放电状态，该功率单元1的瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元1的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元1的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元1所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

四：功率单元1的瞬时功率极性为正，当前载波信号小于0：此时该功率单元1处于放电状态，该功率单元1的瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元1的载波的修正值＝k(V_DC-V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元1的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元1所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波。

本实施方式中，根据瞬时功率理论知识可知，若u×i大于零，则当前功率单元1输出有功，该功率单元1的直流侧电容将放电，其电压将降低；反之，若u×i小于零，则当前功率单元1吸收有功，该功率单元1的直流侧电容将充电，其电压将升高。

当某个功率单元1的直流侧电容电压大于链路的电容电压平均值，则当其处于充电状态时，为了使其电压往平均值电压靠拢，应减少功率单元1的充电时间，以缩短充电状态；反之，当其处于放电状态时，则应延长功率单元1放电时间，即增加放电过程。对于功率单元1直流侧电容电压小于平均值的情况则与上述过程相反。

通过增减正弦调制波偏移量的方法来控制功率单元1的开通与截止时间。对于基于载波比较的调制算法，各功率单元1的功率器件的开通与截止时间由正弦调制波与调节后的载波实时比较获得，因此无法事先获得各功率器件在一个开关周期内的开通与截止时间，即无法对功率单元1的充放电时间做出调整，难以改变功率单元1的充放电过程。为此，本实施方式通过修改载波幅值，使载波上移或者下移，达到改变功率单元1充放电过程的目的。

对于双极性载波调制，正弦调制波与载波的关系如图2所示。实线对应调制波v1与载波比较，其输出控制功率单元左桥臂1-1的两个功率器件；虚线对应调制波v2与载波比较，其输出控制功率单元右桥臂1-2的两个功率器件。功率单元1的瞬时电容电压为功率单元左桥臂1-1的输出电压与右桥臂1-2的输出电压之差，左桥臂1-1和右桥臂1-2都可输出高低电平，即+V_DC和-V_DC，记为1和0电平，这样，一个功率单元1可输出1、0、-1三种电平。假设当前需要减小功率单元1充放电时间，若调制波大于零，功率单元1正常情况下应输出1和0电平，由于0电平功率单元1电容并没有接入主电路，因此不充电也不放电，因此要减小功率单元1的充电时间，则需要减小1电平作用时间，那么可以减小功率单元左桥臂1-1的两个功率器件输出1电平的时间，只需要将与图2中实线调制波比较的载波上移，或者增加功率单元右桥臂1-2的两个功率器件输出1电平的时间，即将与虚线调制波比较的载波下移。对于调制波小于零的情况，或者需要增加功率单元1充放电时间的，与上述调整过程相反。此过程如图3所示。

功率单元1的输出瞬时电压大于0时，功率单元1输出0和1电平，假设1电平输出时间所占比重D为：

D＝T₁/T*100％，

则等效输出电压u_o为：u_o＝D*V_DC。

式中T₁为1电平持续的时间，T为开关周期。

当功率单元1的输出瞬时电压小于0时，功率单元1输出0和-1电平，假设-1电平输出时间所占比重D为：

D＝T_-1/T*100％，

则等效输出电压u_o为：

u_o＝-D*V_DC。

式中T_-1为-1电平持续的时间。

通过平移载波，可改变功率单元1两个桥臂输出电平，从而改变功率单元1输出电压，即改变功率单元1充放电时间。其具体实施细则如图4所示，包括补偿功率单元1的瞬时功率极性判断、补偿电压极性判定，补偿幅度计算和载波平移及载波比较调制几个部分。

首先根据级联无功补偿装置输出相电压与对应相电流乘积的极性，对于三角形接法则为线电压与线电流，判定当前功率单元1瞬时功率极性，以判定当前功率单元1处于吸收功率还是释放功率状态，即该相功率单元1电容处于放电还是充电状态。若瞬时功率大于0，说明单元柜处于放电状态，否则处于充电状态。

其次，如果瞬时功率极性为负，即功率单元1处于充电状态，若载波信号大于0，则载波的修正值为：k(V_DC-V_{DC_avg})。这样，对于电压大于平均值的功率单元1，其载波幅值增大，将减小左桥臂1-1输出+1电平的几率，同时增大右桥臂1-2输出+1电平的几率，则全桥输出+1电平几率下降，该全桥输出电平为左右半桥输出电平之差，即此功率单元1充电时间减小。反之，对于电压小于平均值的功率单元1，则其充电时间延长。可见，此调整过程有利于功率单元1电容电压的平衡。由于增加和减少的时间相同，此调整过程不会影响系统输出电压量。若载波信号小于0，则载波应减去载波的修正值k(V_DC-V_{DC_avg})，原理与上述过程类似。

对于功率单元1的瞬时功率极性为正，及功率单元1处于放电状态，具体调整过程与上述相反。

最后，把调节后的载波与调制波信号进行比较，当载波信号小于调制波信号时，左桥臂1-1和右桥臂1-2中对应的上面两个功率器件导通，否则，左桥臂1-1和右桥臂1-2中对应的下面两个功率器件导通，得到各功率器件的调制信号。

整个级联结构功率单元电容电压平衡调整过程总体框架如图5所示。

具体实施方式五：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，所述u×i的结果通过乘法器实现，功率单元1的瞬时功率极性采用符号判断电路实现。

具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，将瞬时电容电压与功率单元1所在链路的电容电压平均值作差通过减法器实现。

具体实施方式七：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，载波的修正值通过载波幅值调节器获得；将调节后的载波与正弦调制波比较通过载波比较PWM信号发生器实现。

本发明包括以下环节：

电流检测环节，获取功率单元1输出电流信息；

电压检测环节，获取功率单元1输出电压和直流侧电容电压信息；

补偿计算环节，判断补偿量的极性并计算幅值；

平移载波环节，根据补偿量对载波进行平移调节；

调制环节，根据经过上下平移调节后的载波与调制波进行比较，获得各功率模块的调制信号。

图5所示，功率单元1的交流侧电压u和交流侧电流i通过乘法器相乘后，通过符号判断电路对功率单元1的瞬时功率极性进行判断；判断结果输入给载波幅值调节器；功率单元1的瞬时电容电压V_DC与其所在链路的电容电压平均值V_{DC_avg}的差值输入给载波幅值调节器；采用三角波发生器产生载波信号，该载波信号输入给载波幅值调节器；载波的极性通过另一个符号判断电路判断极性，判断结果输入给载波幅值调节器；载波幅值调节器将调节后的载波输入给载波比较PWM信号发生器，载波比较PWM信号发生器将调节后的载波与正弦调制波进行比较，获得功率单元1的调制信号。

本实施方式，在每个载波周期内均对无功补偿装置的功率单元1电容电压进行调整；将功率单元1瞬时电容电压与该功率单元1所在链路的电容电压平均值作差，并以此对载波信号做出修正，它根据某个功率单元1的瞬时电容电压与平均值的偏差施加控制作用，以均衡链路各功率单元1电容电压；可适用于各种结构的级联STATCOM及多种载波比较调制方式。

Claims (4)

1.一种级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：采集级联无功补偿装置中每一个功率单元(1)的交流侧电压u和交流侧电流i，由u×i的结果，获得每个功率单元(1)的瞬时功率极性；

步骤二：采用与无功补偿装置的载波相同的频率采样功率单元(1)的瞬时电容电压，将该瞬时电容电压与该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差，获得该功率单元(1)的电压调节值，将该电压调节值作为载波的修正值；结合当前载波的极性与功率单元(1)的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波；

步骤三：将调节后的载波与正弦调制波比较，获得功率单元(1)的调制信号，利用该调制信号对无功补偿装置的功率单元(1)进行控制，实现补偿装置的电容电压平衡控制；

所述功率单元(1)的瞬时电容电压为功率单元中电容两端的电压；

所述链路的电容电压平均值根据该链路上所有功率单元(1)的电容的电压值计算获得；其特征在于，

步骤二中所述结合当前载波的极性与功率单元(1)的瞬时功率极性，确定载波的修正值与载波的叠加方式，并获得调节后的载波的具体方法为：

该具体方法分为以下四种情况：

一：功率单元(1)的瞬时功率极性为负，当前载波信号大于0：此时该功率单元(1)处于充电状态，该功率单元(1)的瞬时电容电压与该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元(1)的载波的修正值＝k(V_DC–V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元(1)的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波；

二：功率单元(1)的瞬时功率极性为负，当前载波信号小于0：此时该功率单元(1)处于充电状态，该功率单元(1)的瞬时电容电压与该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元(1)的载波的修正值＝k(V_DC–V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元(1)的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

三：功率单元(1)的瞬时功率极性为正，当前载波信号大于0：此时该功率单元(1)处于放电状态，该功率单元(1)的瞬时电容电压与该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元(1)的载波的修正值＝k(V_DC–V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元(1)的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相加，获得调节后的载波；

四：功率单元(1)的瞬时功率极性为正，当前载波信号小于0：此时该功率单元(1)处于放电状态，该功率单元(1)的瞬时电容电压与该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差获得的功率单元(1)的载波的修正值＝k(V_DC–V_{DC_avg})，

式中k为调整系数，V_DC为该功率单元(1)的瞬时电容电压，V_{DC_avg}为该功率单元(1)所在链路的电容电压平均值；

将载波与载波的修正值相减，获得调节后的载波。

2.根据权利要求1所述的级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述u×i的结果通过乘法器实现，功率单元(1)的瞬时功率极性采用符号判断电路实现。

3.根据权利要求2所述的级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，其特征在于，将瞬时电容电压与功率单元(1)所在链路的电容电压平均值作差通过减法器实现。

4.根据权利要求2所述的级联无功补偿装置的电容电压平衡控制方法，其特征在于，载波的修正值通过载波幅值调节器获得；将调节后的载波与正弦调制波比较通过载波比较PWM信号发生器实现。