本發(fā)明屬于電力電子與電力系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法。
背景技術(shù)：
：作為電能質(zhì)量控制的重要一環(huán)，無(wú)功功率補(bǔ)償在提高供電和用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行、提高功率因數(shù)、降低電路損耗、減少設(shè)備容量等許多方面作用非常明顯。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止無(wú)功發(fā)生器(StaticVarGenerator，SVG)日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視，近年來(lái)取得重大技術(shù)突破。特別是三電平SVPWM的應(yīng)用，使得三電平SVG輸出電流諧波含量低、開關(guān)器件承受電壓應(yīng)力小、更適用于中高壓場(chǎng)合，成為了研究的熱點(diǎn)。高性能控制策略是三電平SVG研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，在三電平SVG中，最常用的高性能控制策略是電壓定向矢量控制策略(VoltageOrientedControlStrategy即VOC策略)。1983年，AkagiH教授提出了著名的瞬時(shí)功率理論(pq理論)，為新的電力電子變流器控制策略的產(chǎn)生提供了重要理論基礎(chǔ)；20世紀(jì)80年代中期，日本的TakahashiI教授和德國(guó)魯爾大學(xué)的DepenbrockM教授分別提出了圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案和六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1991年，OhnishiT結(jié)合瞬時(shí)功率理論和直接轉(zhuǎn)矩控制的思想提出了DPC策略，他將瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率用于PWM(PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制)變流器閉環(huán)控制系統(tǒng)中，形成了直接功率控制策略(DirectPowerControlStrategy即DPC策略)。自此以后，DPC策略被不斷的發(fā)展，應(yīng)用于各種電力電子變流器與各種應(yīng)用環(huán)境中。相對(duì)于VOC策略，DPC策略不需要旋轉(zhuǎn)變換，它直接選擇合適的矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)功率的控制，從而具有算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于三電平SVG的特殊性及矢量復(fù)雜性，DPC策略的應(yīng)用遠(yuǎn)不如VOC策略廣泛。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三電平DPC策略在某些區(qū)域會(huì)引起瞬時(shí)有功功率的異常波動(dòng)，這大大增加了系統(tǒng)輸出電壓、電流的THD(TotalHarmonicDistortion，總諧波失真)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，解決了現(xiàn)有三電平DPC策略在某些區(qū)域會(huì)引起瞬時(shí)有功功率的異常波動(dòng)的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1：采集電壓型三電平中點(diǎn)鉗位拓?fù)潆娐方涣鱾?cè)三相電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，計(jì)算得到系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q；步驟2：確定有功功率偏差變量Sp和無(wú)功功率偏差變量Sq；步驟3：采集兩個(gè)直流電容電壓情況，確定中點(diǎn)電壓偏差變量Sn；步驟4，根據(jù)Sp、Sq和Sn，確定DPC策略的候選矢量，根據(jù)各矢量對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)功率的影響，對(duì)系統(tǒng)中點(diǎn)電壓平衡的影響，采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法確定DPC策略的最終開關(guān)狀態(tài)；步驟5，根據(jù)步驟4中的開關(guān)狀態(tài)，控制每相各開關(guān)器件的打開和關(guān)閉，使系統(tǒng)實(shí)際輸出功率達(dá)到設(shè)定要求。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：步驟1中系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q的公式為：p=uaia+ubib+ucicq=13[(ub-uc)ia+(uc-ua)ib+(ua-ub)ic]---(1).]]>步驟2中根據(jù)公式(2)確定有功功率偏差變量Sp和無(wú)功功率偏差變量Sq：其中，x＝p,q，p*由直流側(cè)給定電壓Udc*與直流側(cè)總電壓Udc的差值經(jīng)過(guò)PI控制器得到，q*由系統(tǒng)設(shè)定，Hp為瞬時(shí)有功功率的滯環(huán)寬度，Hq為瞬時(shí)無(wú)功功率的滯環(huán)寬度，Hp和Hq由系統(tǒng)設(shè)定。步驟3中根據(jù)公式(3)確定中點(diǎn)電壓偏差變量Sn：Sn=1,uc1-uc2>Hn0,uc1-uc2<-Hn---(3)]]>其中，uc1和uc2分別為上下電容電壓，Hn為中點(diǎn)電壓的波動(dòng)幅值，由系統(tǒng)設(shè)定。步驟4具體為：步驟4.1：根據(jù)Sp、Sq，進(jìn)行候選矢量初選①若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq>0---(4)]]>②若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq<0---(5)]]>③若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq>0---(6)]]>④若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq<0---(7)]]>其中，U為三相電源相電壓有效值，urd和urq分別為各矢量在d軸和q軸上的投影值，d軸對(duì)應(yīng)有功電壓，q軸對(duì)應(yīng)無(wú)功電壓；步驟4.2：根據(jù)Sn的情況，對(duì)步驟4.1初選的候選矢量進(jìn)行二次篩選步驟4.2.1：根據(jù)公式(8)和(9)確定不同矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流io，以流出為正：io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic(8)步驟4.2.2：根據(jù)各矢量對(duì)應(yīng)的io的符號(hào)和實(shí)際的Sn值對(duì)初選的候選矢量進(jìn)行二次篩選若Sn＝1，保留io<0對(duì)應(yīng)的矢量，刪除io>0對(duì)應(yīng)的矢量；若Sn＝0，保留io>0對(duì)應(yīng)的矢量，刪除io<0對(duì)應(yīng)的矢量；步驟4.3：采用公式(10)所示的誤差目標(biāo)函數(shù)f，對(duì)步驟4.2得到的矢量進(jìn)行最終篩選，保留使得f最小的矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)f=ΔEP2+ΔEQ2+ΔEN2---(10)]]>其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分別表示在某個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，若選擇步驟4.2得到的矢量，到該開關(guān)周期結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差、瞬時(shí)無(wú)功功率誤差和中點(diǎn)電壓誤差。系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差ΔEP的計(jì)算公式如下：ΔEP＝ΔPk-ΔP(11)ΔPk=P*-P(k)ΔP=P(k+1)-P(k)=Ts(3U2-3Uurd-ωLsq)/Ls---(12)]]>其中，ΔPk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差，P*為系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率給定；P(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率，其值等于此時(shí)將電壓電流采樣值代入式(1)計(jì)算得到的瞬時(shí)有功功率，ΔP為在第k個(gè)開關(guān)周期應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差變化值。系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差ΔEQ的計(jì)算公式如下：ΔEQ＝ΔQk-ΔQ(13)ΔQk=Q*-Q(k)ΔQ=Q(k+1)-Q(k)=Ts(ωLsp+3Uurq)/Ls---(14)]]>其中，ΔQk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差，Q*為系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率給定；Q(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率，其值等于此時(shí)將電壓電流采樣值代入式(1)計(jì)算得到的瞬時(shí)無(wú)功功率，ΔQ為在第k個(gè)開關(guān)周期應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差變化值。系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差ΔEN的計(jì)算公式如下：ΔEN＝ΔUnk-ΔUn(15)ΔUnk=Udc/2-Un(k)ΔUn=Un(k+1)-Un(k)=Tsio(k+1)/C-Un(k)---(16)]]>其中，ΔUnk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差，Udc為直流側(cè)總電壓；Un(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的中點(diǎn)電壓，其值等于此時(shí)采樣得到的下電容電壓，ΔUn為在第k個(gè)開關(guān)周期應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差變化值，io(k+1)為將步驟4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中點(diǎn)電流值，C為直流側(cè)單個(gè)電容的容值。步驟5中控制每相各開關(guān)器件的打開和關(guān)閉具體為：輸出矢量表中包含三相的開關(guān)狀態(tài)，若某相輸出P狀態(tài)，則該相的自上而下的第一、第二開關(guān)管開通，第三、第四開關(guān)管關(guān)斷；若某相輸出O狀態(tài),則該相的自上而下的第二、第三開關(guān)管開通，第一、第四開關(guān)管關(guān)斷；若某相輸出N狀態(tài),則該相的自上而下的第三、第四開關(guān)管開通，第一、第二開關(guān)管關(guān)斷。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的精確控制，且不會(huì)引起系統(tǒng)瞬時(shí)功率異常波動(dòng)，利用目標(biāo)函數(shù)的方法將系統(tǒng)有功功率誤差、無(wú)功功率誤差和中點(diǎn)電壓誤差進(jìn)行整體控制，控制環(huán)路相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用效果好。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明直接功率控制方法中采用的電壓型三電平中點(diǎn)鉗位拓?fù)鋱D；圖2是本發(fā)明直接功率控制方法的控制策略框圖；圖3是本發(fā)明直接功率控制方法中三電平SVG電壓矢量圖；圖4是傳統(tǒng)電壓型三電平SVG直接功率控制方法引起的系統(tǒng)瞬時(shí)功率異常波動(dòng)和三相入網(wǎng)電流仿真圖；圖5是本發(fā)明直接功率控制方法中的瞬時(shí)功率波動(dòng)和三相入網(wǎng)電流仿真圖；圖6是本發(fā)明直接功率控制方法中的直流電容電壓波動(dòng)和入網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓仿真圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，采用如圖1所示的電壓型三電平中點(diǎn)鉗位拓?fù)?，包括三相交流部?包含三相交流源加三相交流平波電抗器)、電壓型三電平中點(diǎn)鉗位變流器主電路部分、電壓傳感器、電流傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)字處理器，其中，電壓傳感器檢測(cè)三相交流部分電壓和直流側(cè)各電容電壓、電流傳感器檢測(cè)交流側(cè)各相電流，電壓傳感器和電流傳感器通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片與數(shù)字處理器連接，數(shù)字處理器通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路控制三電平SVG中各功率器件的開關(guān)。本發(fā)明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法，如圖2所示，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1：采集電壓型三電平中點(diǎn)鉗位拓?fù)潆娐方涣鱾?cè)三相電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，計(jì)算得到系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q：p=uaia+ubib+ucicq=13[(ub-uc)ia+(uc-ua)ib+(ua-ub)ic]---(1).]]>步驟2：確定有功功率偏差變量Sp和無(wú)功功率偏差變量Sq：其中，x＝p,q，p*由直流側(cè)給定電壓Udc*與直流側(cè)總電壓Udc的差值經(jīng)過(guò)PI控制器得到，q*由系統(tǒng)設(shè)定，Hp為瞬時(shí)有功功率的滯環(huán)寬度，Hq為瞬時(shí)無(wú)功功率的滯環(huán)寬度，Hp和Hq由系統(tǒng)設(shè)定。步驟3：采集兩個(gè)直流電容電壓情況，確定中點(diǎn)電壓偏差變量Sn：Sn=1,uc1-uc2>Hn0,uc1-uc2<-Hn---(3)]]>其中，uc1和uc2分別為上下電容電壓，Hn為中點(diǎn)電壓的波動(dòng)幅值(實(shí)際中點(diǎn)電壓波動(dòng)范圍為(U*dc-Hn/2,U*dc+Hn/2)，U*dc為直流側(cè)給定電壓)，由系統(tǒng)設(shè)定。步驟4，根據(jù)Sp、Sq和Sn，確定DPC策略的候選矢量，根據(jù)各矢量對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)功率的影響，對(duì)系統(tǒng)中點(diǎn)電壓平衡的影響，采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法確定DPC策略的最終開關(guān)狀態(tài)，具體為：步驟4.1：根據(jù)Sp、Sq，進(jìn)行候選矢量初選初選時(shí)根據(jù)Sp、Sq的具體情況，采用公式(4)、(5)、(6)、(7)選擇滿足初選條件(功率變化條件)的合適矢量(具體的矢量分布圖如圖3所示)。①若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq>0---(4)]]>②若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq>0ωLsp+3Uurq<0---(5)]]>③若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq>0---(6)]]>④若則要求矢量滿足3U2-3Uurd-ωLsq<0ωLsp+3Uurq<0---(7)]]>其中，U為三相電源相電壓有效值，urd和urq分別為各矢量在d軸和q軸上的投影值，d軸對(duì)應(yīng)有功電壓，q軸對(duì)應(yīng)無(wú)功電壓；步驟4.2：根據(jù)Sn的情況，對(duì)步驟4.1初選的候選矢量進(jìn)行二次篩選步驟4.1得到的矢量只滿足系統(tǒng)瞬時(shí)功率的增減需求，但未考慮中點(diǎn)電壓的波動(dòng)需求，同時(shí)，圖3中有6對(duì)矢量具有相同的位置(即PPO和OON，POO和ONN，POP和ONO，OOP和NNO，OPP和NOO，OPO和NON)，這6對(duì)矢量對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)功率的影響相同，因而需根據(jù)中點(diǎn)電壓的波動(dòng)需求對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。步驟4.2.1：根據(jù)公式(8)和(9)確定不同矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流io，以流出為正：io＝Sao×ia+Sbo×ib+Sco×ic(8)步驟4.2.2：根據(jù)各矢量對(duì)應(yīng)的io的符號(hào)和實(shí)際的Sn值對(duì)初選的候選矢量進(jìn)行二次篩選若Sn＝1，保留io<0對(duì)應(yīng)的矢量，刪除io>0對(duì)應(yīng)的矢量；若Sn＝0，保留io>0對(duì)應(yīng)的矢量，刪除io<0對(duì)應(yīng)的矢量；步驟4.3：采用公式(10)所示的誤差目標(biāo)函數(shù)f，對(duì)步驟4.2得到的矢量進(jìn)行最終篩選，保留使得f最小的矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)f=ΔEP2+ΔEQ2+ΔEN2---(10)]]>其中，ΔEP、ΔEQ和ΔEN分別表示在某個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，若選擇步驟4.2得到的矢量，到該開關(guān)周期結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差、瞬時(shí)無(wú)功功率誤差和中點(diǎn)電壓誤差。系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差ΔEP的計(jì)算公式如下：ΔEP＝ΔPk-ΔP(11)ΔPk=P*-P(k)ΔP=P(k+1)-P(k)=Ts(3U2-3Uurd-ωLsq)/Ls---(12)]]>其中，ΔPk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差，P*為系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率給定，在SVG系統(tǒng)中，P*一般接近0；P(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率，其值等于此時(shí)將電壓電流采樣值代入式(1)計(jì)算得到的瞬時(shí)有功功率，ΔP為在第k個(gè)開關(guān)周期(一個(gè)開關(guān)周期時(shí)間為Ts)應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率誤差變化值。系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差ΔEQ的計(jì)算公式如下：ΔEQ＝ΔQk-ΔQ(13)ΔQk=Q*-Q(k)ΔQ=Q(k+1)-Q(k)=Ts(ωLsp+3Uurq)/Ls---(14)]]>其中，ΔQk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差，Q*為系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率給定；Q(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率，其值等于此時(shí)將電壓電流采樣值代入式(1)計(jì)算得到的瞬時(shí)無(wú)功功率，ΔQ為在第k個(gè)開關(guān)周期(一個(gè)開關(guān)周期時(shí)間為Ts)應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率誤差變化值。系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差ΔEN的計(jì)算公式如下：ΔEN＝ΔUnk-ΔUn(15)ΔUnk=Udc/2-Un(k)ΔUn=Un(k+1)-Un(k)=Tsio(k+1)/C-Un(k)---(16)]]>其中，ΔUnk表示第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差，Udc為直流側(cè)總電壓；Un(k)為第k個(gè)開關(guān)周期初始時(shí)系統(tǒng)的中點(diǎn)電壓，其值等于此時(shí)采樣得到的下電容電壓，ΔUn為在第k個(gè)開關(guān)周期(一個(gè)開關(guān)周期時(shí)間為Ts)應(yīng)用步驟4.2得到的矢量后系統(tǒng)中點(diǎn)電壓誤差變化值，io(k+1)為將步驟4.2得到的矢量代入式(8)、(9)得到的中點(diǎn)電流值，C為直流側(cè)單個(gè)電容的容值。步驟5，根據(jù)步驟4中的開關(guān)狀態(tài)，控制每相各開關(guān)器件的打開和關(guān)閉，使系統(tǒng)實(shí)際輸出功率達(dá)到設(shè)定要求，具體為：輸出矢量表中包含三相的開關(guān)狀態(tài)，以PON為例，則a相輸出P狀態(tài)，b相輸出O狀態(tài)，c相輸出N狀態(tài)。若某相輸出P狀態(tài)，則該相的自上而下的第一、第二開關(guān)管開通，第三、第四開關(guān)管關(guān)斷，若某相輸出O狀態(tài),則該相的自上而下的第二、第三開關(guān)管開通，第一、第四開關(guān)管關(guān)斷，若某相輸出N狀態(tài),則該相的自上而下的第三、第四開關(guān)管開通，第一、第二開關(guān)管關(guān)斷。在Matlab/Simulink軟件對(duì)圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)定基本參數(shù)如表1所示：表1電壓型三電平SVGDPC仿真參數(shù)利用Matlab/Simulink軟件，根據(jù)表1中仿真參數(shù)，分別采用傳統(tǒng)直接功率控制策略和本發(fā)明直接功率控制策略得到的仿真結(jié)果圖(圖4-6)。其中，圖4是傳統(tǒng)電壓型三電平SVG直接功率控制方法引起的系統(tǒng)瞬時(shí)功率異常波動(dòng)和三相入網(wǎng)電流仿真圖；圖5是本發(fā)明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法中的瞬時(shí)功率波動(dòng)和三相入網(wǎng)電流仿真圖；圖6是本發(fā)明一種電壓型三電平SVG直接功率控制方法中的直流電容電壓波動(dòng)和入網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓仿真圖。對(duì)比三個(gè)仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)直接功率控制策略將導(dǎo)致系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率的異常波動(dòng)，且瞬時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)范圍也較大，當(dāng)采用本發(fā)明提出的三電平SVG直接功率控制方法后，系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率異常波動(dòng)消失，且瞬時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)較小，同時(shí)，系統(tǒng)中點(diǎn)電壓得到較好控制。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3