[發明專利]一種并聯能量單向流動可控整流器的無功補償技術

在審

• 申請號: 201811235718.3
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109301839A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 程紅;王聰;張瑩;劉瑨琪;田長庚;胡昊雨;趙志浩;盧其威
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種并聯能量單向流動單相可控整流器的無功補償技術，所述的能量單向流動單相可控整流器為所有可以使用單周期控制方法的能量單向流動單相可控整流器，包括雙開關維也納整流器模塊單元、無橋整流器模塊單元、單開關維也納整流器模塊單元；

其特征在于：首先將K個能量單向流動的單相可控整流器并聯起來，其中K為正整數且K≥2；當電網中需要無功功率時，控制M個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器的電流超前或滯后電源電壓，其中M為正整數，M≥1且M＜K，這M個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器組成A模塊，通過單周期控制適當的改變M個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器的電流相位，向電網提供超前或滯后的無功功率；然后檢測和提取公共耦合點處輸入電流的諧波分量，將此檢測值乘以1/N，其中N＝K-M且N為正整數，N≥1，得到均值諧波分量；最后將均值諧波分量注入到其余N個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器的電流中，這N個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器組成B模塊，從而達到抑制公共耦合點輸入電流畸變的目的；

并聯能量單向流動單相可控整流器的無功補償技術步驟如下：

(1)設輸入電壓u_s，公共耦合點輸入電流i_s，其中主功率電路包括K個輸入電感L_s1...L_sM、L_s(M+1)...L_sK和K個能量單向流動單相可控整流器模塊單元，i_s1...i_sM、i_s(M+1)...i_sK分別為能量單向流動單相可控整流器模塊單元的輸入電流，能量單向流動單相可控整流器模塊單元分別與各自的輸入電感串聯；將K個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器接入電網；當電網中含有非線性負載時，給出控制信號，此時A模塊的M個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器中的輸入電流i_s1...i_sM產生移相，為電網提供超前或滯后的無功功率，其電流表達式如式(1)所示，其中i_sof為i_so的基波分量，i_soh為i_so的諧波分量，ω為輸入電源電壓角頻率，I_so為i_sof的幅值，為i_sof的初相角，I'_2n-1和分別為i_so的2n-1次諧波分量幅值和初相角，o為正整數，1≤o≤M；

(2)當A模塊的M個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器為電網提供超前或滯后的無功功率時，輸入電流i_s將發生畸變，導致輸入電流THD增大，則需要控制N個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器減小或消除輸入電流中的諧波分量；將輸入電流i_s進行諧波分量檢測提取，其中i_s含有基波分量i_sf和諧波分量i_sh，i_s傅里葉展開式如式(2)所示，其中，I_s為i_sf的幅值，為i_sf的初相角，I_2n-1和分別為i_s的2n-1次諧波分量幅值和初相角；i_sh傅里葉展開式如式(3)所示，將諧波分量i_sh乘以1/N，得到N份均值諧波分量i_sh1...i_shN，均值諧波分量表達式如式(4)：

(3)其B模塊的N個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器輸入電流i_s(M+1)…i_sK表達式如式(5)，其中，p為正整數，M＜p≤K，i_spf為i_sp的基波分量，i_sph為i_sp的諧波分量，I_sp為i_spf的幅值，為i_spf的初相角，I”_2n-1和分別為i_sp的2n-1次諧波分量幅值和初相角；通過交流采樣電阻R_s對B模塊的N個基于并聯結構的能量單向流動單相可控整流器輸入電流進行采樣得到N個采樣信號R_si_sp，將采樣信號作為系數運算模塊的輸入，即為采樣信號增加一個比例控制，比例模塊的系數為k₁...k_N；

(4)將均值諧波分量通過交流采樣電阻R_s作為另一個系數運算模塊的輸入，即為均值諧波電流信號增加一個比例控制，比例模塊的系數為k_h1...k_hN；

(5)將步驟(3)與步驟(4)經過系數運算模塊得到的輸出信號，經過加法器分別對應相加，得到疊加的控制信號，疊加后的電流信號為i_z1...i_zN，疊加后的電流i_zN表達式如式(6)所示：

(6)將步驟(5)中的疊加信號i_z1...i_zN經過整流運算模塊得到絕對值；

(7)為了保證電流補償系數k₁...k_N與k_h1...k_hN有意義，保證控制系統的控制信號不超調，保持系統穩定性，將步驟(6)中的疊加電流i_zN的絕對值信號送入限幅器中，限制關系為：

(8)在直流側電壓外環中，直流側電壓參考值U^*_d(M+1)…U^*_dK和直流側反饋電壓U_d(M+1)...U_dK經過減法器后輸出壓差信號e_up表達式如式(8)，其中p為正整數，M＜p≤K；

e_up＝U^*_dp-U_dp (8)

壓差信號經過電壓環調節器控制后作為載波信號的幅值U_m(M+1)...U_mK，由單周期控制可知U_mp表達式如式(9)，其中p為正整數，M＜p≤K；

其中Z為負載阻抗：

Z＝R_e+j(X_L+X_C) (10)

(9)將步驟(7)限幅后的疊加信號，與由載波生成運算模塊產生的幅值為U_m(M+1)...U_mK的載波信號，通過比較器進行信號交割產生PWM信號送入總線，進而控制N個電力電子變流器開關器件的通斷。

2.一種并聯能量單向流動三相可控整流器的無功補償技術，所述的能量單向流動三相可控整流器為所有可以使用單周期控制方法的能量單向流動三相可控整流器，包括雙開關維也納整流器模塊單元、無橋整流器模塊單元、單開關維也納整流器模塊單元；

其特征在于：首先將K個能量單向流動的三相可控整流器并聯起來，其中K為正整數且K≥2；當電網中需要無功功率時，控制M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器的電流超前或滯后電源電壓，其中M為正整數，M≥1且M＜K，這M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器組成C模塊，通過單周期控制適當的改變M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器的電流相位，向電網提供超前或滯后的無功功率；然后檢測和提取公共耦合點處輸入電流的諧波分量，將此檢測值乘以1/N，其中N＝K-M且N為正整數，N≥1，得到均值諧波分量；最后將均值諧波分量注入到其余N個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器的電流中，這N個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器組成D模塊，從而達到抑制公共耦合點輸入電流畸變的目的；

本發明并聯能量單向流動三相可控整流器的無功補償技術的步驟如下：

(1)設輸入電壓為u_sa、u_sb、u_sc，公共耦合點輸入電流為i_sa、i_sb、i_sc，其中主功率電路包括3K個輸入電感L_sa1...L_saM、L_sa(M+1)...L_saK，L_sb1...L_sbM、L_sb(M+1)...L_sbK，L_sc1...L_scM、L_sc(M+1)...L_scK和K個能量單向流動三相可控整流器模塊單元，i_sa1...i_saM、i_sa(M+1)...i_saK，i_sb1...i_sbM、i_sb(M+1)...i_sbK，i_sc1...i_scM、i_sc(M+1)...i_scK分別為能量單向流動三相可控整流器模塊單元的三相輸入電流；將K個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器接入電網，當電網中含有非線性負載時，給出控制信號，此時C模塊的M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器中的輸入電流i_sa1...i_saM，i_sb1...i_sbM，i_sc1...i_scM產生移相，為電網提供超前或滯后的無功功率，其C模塊的M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器輸入電流i_sao、i_sbo、i_sco表達式如式(11)所示，其中，o為正整數，1≤o≤M，i_saof、i_sbof、i_scof分別為i_sao、i_sbo、i_sco的基波分量，i_saoh、i_sboh、i_scoh為i_sao、i_sbo、i_sco的諧波分量，ω為輸入電源電壓u_sa、u_sb、u_sc角頻率，I_sao、I_sbo、I_sco為i_saof、i_sbof、i_scof的幅值，為i_saof、i_sbof、i_scof的初相角，I'_a(2n-1)、I'_b(2n-1)、I'_c(2n-1)和分別為i_saof、i_sbof、i_scof2n-1次諧波分量的幅值和初相角；

(2)當C模塊的M個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器為電網提供超前或滯后的無功功率時，輸入電流i_sa、i_sb、i_sc將發生畸變，導致輸入電流THD增大，則需要控制其余N個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器減小或消除輸入電流中的諧波分量；將輸入電流i_sa、i_sb、i_sc進行諧波分量檢測提取，其中i_sa、i_sb、i_sc含有基波分量i_saf、i_sbf、i_scf和諧波分量i_sah、i_sbh、i_sch，i_sa、i_sb、i_sc傅里葉展開式如式(12)所示，I_sa、I_sb、I_sc為i_sa、i_sb、i_sc幅值，為i_sa、i_sb、i_sc初相角，I_a(2n-1)、I_b(2n-1)、I_c(2n-1)和分別為i_sa、i_sb、i_sc的2n-1次諧波分量的幅值和初相角；i_sah、i_sbh、i_sch傅里葉展開式如式(13)所示，將諧波分量i_sah、i_sbh、i_sch各乘以1/N，分別得到N份均值諧波分量i_sah1...i_sahN、i_sbh1...i_sbhN、i_sch1...i_schN，均值諧波分量表達式如式(14)：

(3)其D模塊的N個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器輸入電流i_sap、i_sbp、i_scp表達式如式(15)，其中，p為正整數，M＜p≤K，i_sapf、i_sbpf、i_scpf分別為i_sap、i_sbp、i_scp的基波分量，i_saph、i_sbph、i_scph為i_sap、i_sbp、i_scp的諧波分量，I”_a(2n-1)、I”_b(2n-1)、I”_c(2n-1)和分別為i_sap、i_sbp、i_scp的2n-1次諧波分量幅值和初相角；通過交流采樣電阻R_s對D模塊的N個基于并聯結構的能量單向流動三相可控整流器輸入電流i_sap、i_sbp、i_scp進行采樣，得到N個采樣信號R_si_sap、R_si_sbp、R_si_scp，將采樣信號作為系數運算模塊的輸入，即為采樣信號增加一個比例控制，比例模塊的系數為k_a1...k_aN、k_b1...k_bN、k_c1...k_cN；

(4)將均值諧波分量通過交流采樣電阻R_s作為另一個系數運算模塊的輸入，即為均值諧波電流信號增加一個比例控制，比例模塊的系數為k_ah1...k_ahN、k_bh1...k_bhN、k_ch1...k_chN；

(5)將步驟(3)與步驟(4)經過系數運算模塊得到的輸出信號，經過加法器分別對應相加，得到疊加的控制信號，疊加后的電流信號為i_az1...i_azN、i_bz1...i_bzN、i_cz1...i_czN，疊加后的電流i_azN、i_bzN、i_czN表達式如式(16)所示：

(6)將步驟(5)中的疊加信號i_az1...i_azN、i_bz1...i_bzN、i_cz1...i_czN經過整流運算模塊得到絕對值；

(7)為了保證電流補償系數k_a1...k_aN、k_b1...k_bN、k_c1...k_cN與k_ah1...k_ahN、k_bh1...k_bhN、k_ch1...k_chN有意義，保證控制系統的控制信號不超調，保持系統穩定性，將步驟(6)中的疊加電流i_azN、i_bzN、i_czN的絕對值信號送入限幅器中，限制關系為：

(8)在直流側電壓外環中，直流側電壓參考值U^*_d(M+1)…U^*_dK和直流側反饋電壓U_d(M+1)...U_dK經過減法器后輸出壓差信號e_u(M+1)...e_uK表達式如式(18)，其中p為正整數，M＜p≤K；

e_up＝U^*_dp-U_dp (18)

壓差信號經過電壓環調節器控制后作為載波信號的幅值U_m(M+1)...U_mK，由單周期控制可知U_mp有如下表示：

其中Z為負載阻抗：

Z＝R_e+j(X_L+X_C) (20)

(9)將步驟(7)限幅后的疊加信號，與由載波生成運算模塊產生的幅值為U_m(M+1)...U_mK的載波信號，通過比較器進行信號交割產生PWM信號送入總線，進而控制N個電力電子變流器開關器件的通斷。