三电平模块化智能电能质量补偿装置研究

第37卷第5期2018年5月
电工电能新技术
AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy
Vol.37,No.5May2018
收稿日期:2018⁃01⁃11
基金项目:国家自然科学基金项目(51577118)
作者简介:梁光耀(1971⁃),男,上海籍,工程师,研究方向为电力电子与电力传动;
徐嘉隆(1993⁃),男,河南籍,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动㊂
三电平模块化智能电能质量补偿装置研究
梁光耀1,徐嘉隆2,王㊀勇2
(1.上海宝准电源科技有限公司,上海200233;2.上海交通大学电气工程系,上海200240)
摘要:谐波㊁无功以及三相不平衡是电力系统中常见的电能质量问题㊂本文研究了基于三相四线制二极管钳位型三电平拓扑的模块化智能电能质量补偿装置,它可以实现指定次谐波补偿㊁无功功率和三相不平衡补偿㊂本文基于瞬时无功功率理论提取三相不平衡及无功补偿指令电流,并结合基于离散傅里叶变换的谐波提取算法,将负载电流中的基波负序电流㊁零序电流㊁无功电流和特定次谐波电流分离提取,通过PI控制器和重复控制器的并联,实现在静止三相ABC坐标系下指令电流的直接控制㊂经实验验证,本文所提的三相四线制模块化三电平智能电能质量补偿装置不仅可以动态补偿系统的无功㊁不平衡以及谐波电流,而且可以实现不同种类补偿容量的动态设置㊂关键词:模块化设计;智能电能质量补偿装置;三电平拓扑;瞬时无功功率理论;重复控制
DOI:10 12067/ATEEE1801036㊀㊀㊀文章编号:1003⁃3076(2018)05⁃0045⁃06㊀㊀㊀中图分类号:TM464
1㊀引言
随着现代电力电子装置的广泛应用,大量的谐波电流和无功电流注入电网,单相负荷的增加也会引起系统的三相不平衡,最终导致电网的电能质量变差[1]㊂
谐波㊁无功以及不平衡电流已经成为电力系统
中常见的电能质量问题㊂并联型有源电力滤波器作为一个受控电流源,通过在连接点注入与负载谐波电流大小相等㊁相位相反的补偿电流来治理电网中的谐波[2⁃4]㊂而无功功率是否平衡严重影响着电力系统的运行电压水平,静止无功发生器能够提供连续变化的感性或容性无功功率,提高功率因数,改善电能质量[5]㊂近年来也有专门针对三相不平衡的产品推出,它通过补偿系统的零序和负序分量使得三相平衡[6]㊂
相比于两电平拓扑逆变器,三电平逆变器具有
直流电压高㊁输出电流纹波小㊁硬件结构紧凑等优势,具有更广阔的应用前景
[7]
㊂本文分析三电平逆
变器拓扑对于无功㊁谐波以及不平衡补偿的适应性,并提出一种模块化的三电平智能电能质量补偿装置
(SmartPowerqualityCorrectiondevice,SPC),并研究
了其指令电流设置㊁控制器设计等关键问题[8]㊂
2㊀主电路与电流提取算法
单台三电平SPC的主电路如图1所示㊂本文采用的主电路拓扑是三相四线制二极管钳位型三电平拓扑,该拓扑结构中的N线为零序电流通路,因此该拓扑结构既可以补偿三相不平衡中的零序电流,又可以补偿三相不平衡中的负序电流
图1㊀三电平SPC主电路
Fig.1㊀Generalstructureofthree⁃levelSPC
SPC的控制核心是如何实现对于谐波㊁无功以
46㊀电工电能新技术第37卷第5期
及不平衡电流的提取和综合以及分配㊂常见的基于瞬时无功功率理论的提取算法框图如图2所示,其中Clark和Park变换及其反变换矩阵如式(1) 式(4)所示㊂
图2㊀基于瞬时无功功率理论的谐波㊁无功检测算法
Fig.2㊀Harmonicdetectionstrategybasedoninstantaneous
reactivepowertheory
iα1iβ1éëêêùûúú=C32iaibicéëêêêùûúúú=
231
12
12
-32éëêêêêùûúúúúiaibicéëêêêùûúúú(1)id1iq1éëêêùûúú=Ciα1iβ1éëêêùûúú=sinωt
-cosωt-cosωt-sinωt[]iα1iβ1éëêêù
û
úú
(2)iα1iβ1éëêêùûúú=Cid1iq1éëêêùû
úú=sinωt
-cosωt
-cosωt-sinωt[]
id1iq1éëêêù
û
úú
(3)
ia1ib1ic1éëêêêùû
úúú=C23iα1iβ1éëêêùûúú=231-
12-12032-32éëê
êêê
êêùû
úúúúúúi
α1iβ1éëêêùûúú(4)
㊀㊀需要解释的是,图2中将ia㊁ib和ic经过Clark变换,可以得到:㊀iα1iβ1éëêêùûúú=C32iaibicé
ëêêê
ùû
úúú=
231-12-120
32
-32é
ëêêêêùûúúúúiaibic
éëêêêùûúúú=0
0[]+
3ðn[I1nsin(nωt+φ1n)+I2nsin(nωt+φ2n)]3ðn
制作音箱[-I1ncos(nωt+φ1n)+I2ncos(nωt+φ2n)]éëêêêùûúúú(5)
式中,下标1㊁2分别代表相应的正序和负序分量;n=1,2, ㊂
由式(5)可知,ia㊁ib和ic经过Clark变换后不再
含有零序分量,只含正序电流和负序电流分量㊂所以,基于瞬时无功功率理论的指令电流提取算法不
led发光棒受零序电流的影响,不需要剔除零序电流,在三相四线制系统中可以直接用于检测基波正序㊁负序和零序分量电流以及所有谐波电流㊂
根据瞬时无功功率理论,三相负载电流ia㊁ib和
ic经过Clark和Park变换可以得到其在正序旋转dq
坐标系下的有功电流分量id1和无功电流分量iq1㊂将id1作为低通滤波器(LowPassFilter,LPF)的输入信号,可以得到负载基波正序有功电流在正序旋转
dq坐标系下的直流量id1,再通过Clark和Park反变换可以得到负载电流在静止三相ABC坐标系下的基波正序有功电流ia1㊁ib1和ic1㊂当三相负载电流平衡时,将三相负载电流分别减去其基波正序有功电流ia1㊁ib1和ic1即可得到负载电流的所有谐波电流成分与无功电流之和iah㊁ibh和ich,从而可以实现谐波电流和无功电流的全补偿,但是不能实现谐波㊁无功的分离提取和补偿㊂而当三相负载电流不平衡时,根据对称分量法,可以将三相负载电流ia㊁ib和ic分解为零序分量㊁正序分量和负序分量,如式(6)所示:ia
=ia1+ia2+ia0=2ðn
[I1nsin(nωt+φ1n)+
㊀㊀I2nsin(nωt+φ2n)+I0nsin(nωt+φ0n)]
ib=ib1+ib2+ib0=2ðn包覆胶水
[I1nsin(nωt+φ1n-
2π3
)+㊀㊀I2nsin(nωt+φ2n+
2π
)+I0nsin(nωt+φ0n)]ic=ic1+ic2+ic0=2ðn
[I1nsin(nωt+φ1n+
2π3)+㊀㊀I2nsin(nωt+φ2n-
2π
)+I0nsin(nωt+φ0n)]ìî
íïïïïïïïïïïïïïï(6)
式中,下标0代表零序分量㊂通过图2的提取过程可以提取出基波正序分量ia1㊁ib1和ic1㊂如果此时再用三相负载电流分别减去其基波正序有功电流得到
的电流iah㊁ibh和ich则包含了所有谐波电流分量(包含零序㊁正序㊁负序)㊁基波无功电流分量以及基波零序㊁负序分量㊂所以,虽然图2逻辑简单,但所得到的指令电流iah㊁ibh和ich却包含了所有谐波㊁无功以及三相不平衡成分,如果将它作为SPC指令电流则无法实现谐波㊁无功以及不平衡的补偿容量设定以及特定次谐波补偿㊂
㊀㊀模块化SPC控制框图如图3所示㊂本文将iah㊁ibh和ich的谐波㊁无功及不平衡三个部分分离出来,采用基于离散傅里叶变换的谐波提取算法进行指定
梁光耀,徐嘉隆,王㊀勇.三电平模块化智能电能质量补偿装置研究[J].电工电能新技术,2018,37(5):45⁃50.47㊀
次谐波的检测,具体方法可以参考文献[9],而三相不平衡和无功成分则基于瞬时无功功率理论进行提取㊂其中三相不平衡电流对应零序和基波负序电流分量,而无功对应基波正序无功电流分量㊂
3 电流跟踪控制策略
由图3可知,本文采用的电流跟踪控制策略是在静止三相ABC坐标系下的直接电流控制,指令电流包含谐波㊁无功和三相不平衡电流㊂图3中,L1㊁L2㊁C1㊁Lg分别表示逆变器侧电感㊁网侧电感㊁滤波器电容和电网阻抗,Iref(s)为指令电流,ug(s)为电网电压,E(s)为电
网电压前馈,控制器采用PI控制器和重复控制器并联结构㊂对重复控制来说,当指令电流的波形与SPC的输出电流波形不一致时,控制量(即PWM调制信号)幅度会逐周期㊁无限制地增长㊂因此,在稳定系统中,SPC的输出电流与指令电流重合,既没有幅值偏差,也没有相位滞后㊂只要给定的谐波电流指令足够实时和精确,SPC就能实现理想的谐波㊁无功和三相不平衡补偿
图3㊀模块化SPC控制框图
Fig.3㊀ControldiagramofmodularSPC
㊀㊀PI+重复控制的算法框图如图4所示㊂其中,
z-N为控制部分的周期延迟环节;C(z)为补偿器,其
作用是给被控对象提供幅值补偿和相位补偿,在保
证系统稳定的基础上,再对控制效果进行改善和校
正;Gf(z)为系统的延迟函数,包含PWM延迟和采
样延迟等;通常取Q(z)为低通滤波器或略小于1的
常数,其实质是将误差的积分环节变成 准积分 ,
提高系统的稳定性;ug为电网电压;ic(z)为SPC输
出电流
图4㊀PI+重复控制算法框图
Fig.4㊀BlockdiagramofPI+repetitivecontrolalgorithm
㊀㊀由PI+重复控制算法框图可得系统闭环传递
函数为:
ic(z)
iref(z)=
{1-z-N[Q(z)GPI(z)-C(z)]}P(z)
1-z-N[Q(z)-C(z)P(z)]
(7)
式中
P(z)=Gf
(z)
1+Gf(z)GPI(z)
其中,Gf(z)和GPI(z)分别为系统延迟函数和PI控
制器的离散形式㊂
根据系统闭环传递函数,可得到系统稳定的必
要条件为:
Q(z)-C(z)P(z)<1(8)
㊀㊀由式(8)可知,控制器的稳定性只与重复控制
器的参数有关,通过选取适当的控制器参数,可以获
得较好的系统稳定性㊂
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4㊀三电平模块化智能电能质量补偿装置的基本结构
㊀㊀模块化SPC并联系统结构如图5所示㊂每台模块化SPC通过滤波器与公共连接点(PointofCommonCoupling,PCC)连接,在公共连接点处拓展,可以得到模块化SPC并联系统结构㊂每台模块化SPC都有独立的控制器㊁直流侧支撑电容和滤波器
图5㊀模块化SPC并联系统结构
Fig.5㊀GeneralstructureofmodularSPCparallelsystem
5㊀实验分析
为了验证本文的指令电流提取算法和电流跟踪控制算法的可靠性,进行了实验验证,实验中单SPC模块各参数如表1所示,图6为三台并联模块化SPC样机㊂
表1㊀实验样机参数Tab.1㊀Parametersofprototype
参数数值直流母线电压/V800SPC侧电感/μH200滤波电容/μF10网侧电感/μH75开关频率/kHz20电网频率/Hz50电网相电压/V
230
三相四线制SPC的开机指令由手机端的APP发出,通过Wi⁃Fi进行通讯,人机交互界面如图7所示㊂DSP控制芯片根据用户在人机交互界面输入的读写指令或者状态指令生成相应的控制指令㊂
5 1㊀谐波补偿实验(工况1)
补偿前后电网电流波形如图8所示㊂
实验所用
基因测序仪图6㊀三台模块化SPC系统
Fig.6㊀ThreemodularSPC
prototype
图7㊀人机交互界面
Fig.7㊀Human⁃machineinteractioninterface
的谐波负载为三相不控整流桥带电阻负载,补偿之前的电网电流THD为28%左右,补偿之后的电网电流THD为5%以下㊂实验结果表明,基于离散傅里叶变换的谐波提取算法能够准确提取出系统中的谐波,并且所设计的电流跟踪控制器能够有效地跟踪谐波电流指令
图8㊀谐波补偿实验结果(工况1)
指尖文字识别
Fig.8㊀Experimentalresultofharmoniccompensation
(example1)
5 2㊀三相不平衡补偿实验(工况2)
补偿前后电网电流波形分别如图9和图10所示㊂实验所用的三相不平衡负载为纯电阻负载,补偿之前的ABC三相电网电流有效值分别为18 2A㊁
北斗卫星导航仪71 6A和97 6A,补偿之后的ABC三相电网电流分别
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为63 1A㊁64 2A和63 5A,其中负序电流不平衡度由36 9%减小到4 29%,零序电流不平衡度由36 7%降低到2 47%㊂实验结果表明,基于瞬时无功功率理论
的指令电流提取算法能够准确提取出系统中的基波负序和零序电流,并且所设计的电流跟踪控制器能够有效地跟踪基波负序和零序电流指令
图9㊀补偿前电网电流(工况2)
Fig.9㊀Gridcurrentbeforecompensation(example2)
图10㊀补偿后电网电流(工况2)
Fig.10㊀Gridcurrentaftercompensation(example2)
5 3㊀谐波㊁无功和三相不平衡综合补偿实验(工况3)
补偿前后电网电流波形分别如图11和图12所示㊂实验所用的负载由三组单相晶闸管可控整流桥带电阻负载构成,补偿之前的三相电网电流中有大量的谐波㊁无功㊁零序以及负序电流,SPC投入运行后,电网中的谐波含量㊁无功功率以及负序㊁零序电流不平衡度大幅度减小,效果明显
图11㊀补偿前电网电流(工况3)
Fig.11㊀Gridcurrentbeforecompensation(example3)
图12㊀补偿后电网电流(工况3)
Fig.12㊀Gridcurrentaftercompensation(example3)
6㊀结论
本文研究了模块化三电平智能电能质量补偿装置,在此基础上,提出了基于瞬时无功功率理论的谐波㊁无功以及不平衡综合指令电流提取算法,并结合基于离散傅里叶变换的谐波提取算法,通过PI控制器和重复控制器的并联,可实现在静止三相ABC坐标系下指令电流的直接控制㊂通过不同工况下的实验验证,可知本文的三相四线制模块化三电平智能电能质量补偿装置不仅可以动态补偿系统的无功㊁不平衡以及谐波电流,而且可以实现不同种类补偿容量的动态设置,具有较高的实际应用价值㊂参考文献(References):
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