电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法

技术领域

本发明涉及电网治理技术领域，具体为电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法。

背景技术

变换器作为交直流混合微电网的重要组成部分受到了广大学者的关注。为了满足电网不平衡工况下的并网要求，变换器的控制策略至关重要。由于三相不对称负荷及大量单相负载不断增加，使得每个相序在中性线积累大量零序电流，给电网系统带来严重的电能质量污染，增加了线路损耗。配电网三相电流不平衡主要是由三相负载不对称引起，各相负载为电力系统中的扰动变量，负载时刻在变化，一些较大容量单相负荷切入或退出会加剧三相不平衡度，为此提出电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法。

发明内容

本发明的目的在于提供电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法，通过瞬时功率理论参考补偿分量的检测方法，对不平衡电流进行检测提取，采用ip-iq-i0电流检测方法对目标电流进行提取，可计算出基波零序电流及下一时刻的预测电流，具有良好的补偿效果，提高了电网的电能质量，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法，包括电容分裂式变换器、不平衡电流检测系统和三相四线制电容分裂式模型预测控制系统，三相四线制电容分裂式模型预测控制系统与包括电容分裂式变换器电性连接，不平衡电流检测系统与三相四线制电容分裂式模型预测控制系统相连。

优选地，所述电容分裂式变换器包括三相电网电压ea、三相电网电压eb、三相电网电压ec、负载、电容C1、电容C2、滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3、复合管S1-复合管S6，三相电网电压ea、三相电网电压eb和三相电网电压ec的输入端均接到负载的输出端以及连接到Udc端子，三相电网电压ea的输出端连接到滤波电感L1的输入端以及连接到负载的输入端，三相电网电压eb的输出端连接到滤波电感L2的输入端以及连接到负载的输入端，三相电网电压ec的输出端连接到滤波电感L3的输入端以及连接到负载的输入端，滤波电感L1的输出端连接到复合管S1的发射极以及连接到复合管S2的集电极，滤波电感L2的输出端连接到复合管S3的发射极以及连接到复合管S4的集电极，滤波电感L3的输出端连接到复合管S5的发射极以及连接到复合管S6的集电极，复合管S1、复合管S3以及复合管S5的集电极相连后连接到电容C1的输出端，复合管S2、复合管S4以及复合管S5的发射极相连后连接到电容C2的输入端，电容C2的输出端与电容C1的输入端相连后连接到负载的输出端。

优选地，所述不平衡电流检测系统包括PLL锁相环、正余弦信号发生器、矩阵Cpq0、矩阵Cαβ0、低通滤波器LPF、矩阵Cαβ0-1和矩阵Cpq0-1，PLL锁相环的输入端接电压输入，PLL锁相环的输出端与正余弦信号发生器的输入端相连，正余弦信号发生器的输出端与矩阵Cpq0的输入端相连，矩阵Cpq0的输出端与低通滤波器LPF的输入端相连，矩阵Cpq0的输入端连接到矩阵Cαβ0的输出端，低通滤波器LPF的输出端连接到矩阵Cpq0-1的输入端，矩阵Cpq0-1的输出端连接到矩阵Cαβ0-1的输入端，矩阵Cαβ0-1的输出端输出负载电流iLa、iLb以及iLc。

优选地，所述三相四线制电容分裂式模型预测控制系统包括价值函数、预测函数、abc/αβ1、abc/αβ2、参考电流和零序电流提取，价值函数的输入端与预测函数的输出端相连，预测函数的输入端与abc/αβ1的输出端相连，abc/αβ1的输入端接三相电网电压ea、三相电网电压eb以及三相电网电压ec的输出端，参考电流的输出端与abc/αβ2的输入端相连，abc/αβ2的输出端以及零序电流提取的输出端与价值函数的输入端相连。

优选地，所述电容C1和电容C2分别为直流侧的两个串联电容，起到稳压和滤波作用。

优选地，所述电容C1的采样电压记为Udc1，电容C2的采样电压记为Udc2，三相电网电压ea、三相电网电压eb和三相电网电压ec的输入端连接点记为中性点n。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法，优点如下：

1)建立了αβ坐标系下预测电流数学模型，通过预测函数得到下一时刻逆变器在不同电压矢量作用下所有可能输出的预测电流值，选择使价值函数取得最小的电压矢量并应用于下一采样周期，使逆变器输出电流快速逼近给定参考值。

2)通过瞬时功率理论参考补偿分量的检测方法，对不平衡电流进行检测提取，采用ip-iq-i0电流检测方法对目标电流进行提取，可计算出基波零序电流及下一时刻的预测电流。

3)根据模型预测电流控制原理搭建了Simulink仿真与实验平台，仿真与实验结果表明在三相负载不平衡条件下，所提出的模型预测控制策略具有良好的补偿效果，提高了电网的电能质量。

附图说明

图1为本发明的电容分裂式变换器结构图；

图2为本发明的不平衡电流检测系统框图；

图3为本发明的三相四线制电容分裂式模型预测控制系统图；

图4为本发明的模型预测控制原理图；

图5为本发明的单相不平衡模型预测控制仿真结果图；

图6为本发明的三相不平衡模型预测控制仿真结果图；

图7为本发明的补偿前三相电流波形图；

图8为本发明的补偿后三相电流波形图；

图9为本发明的三相相电流的平均值仿真参数图。

图中：1、电容分裂式变换器；2、不平衡电流检测系统；3、三相四线制电容分裂式模型预测控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法，包括电容分裂式变换器1、不平衡电流检测系统2和三相四线制电容分裂式模型预测控制系统3，三相四线制电容分裂式模型预测控制系统3与包括电容分裂式变换器1电性连接，不平衡电流检测系统2与三相四线制电容分裂式模型预测控制系统3相连；所述电容分裂式变换器1包括三相电网电压ea、三相电网电压eb、三相电网电压ec、负载、电容C1、电容C2、滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3、复合管S1-复合管S6，三相电网电压ea、三相电网电压eb和三相电网电压ec的输入端均接到负载的输出端以及连接到Udc端子，三相电网电压ea的输出端连接到滤波电感L1的输入端以及连接到负载的输入端，三相电网电压eb的输出端连接到滤波电感L2的输入端以及连接到负载的输入端，三相电网电压ec的输出端连接到滤波电感L3的输入端以及连接到负载的输入端，滤波电感L1的输出端连接到复合管S1的发射极以及连接到复合管S2的集电极，滤波电感L2的输出端连接到复合管S3的发射极以及连接到复合管S4的集电极，滤波电感L3的输出端连接到复合管S5的发射极以及连接到复合管S6的集电极，复合管S1、复合管S3以及复合管S5的集电极相连后连接到电容C1的输出端，复合管S2、复合管S4以及复合管S5的发射极相连后连接到电容C2的输入端，电容C2的输出端与电容C1的输入端相连后连接到负载的输出端；其中电容C1和电容C2分别为直流侧的两个串联电容，起到稳压和滤波作用；电容C1的采样电压记为Udc1，电容C2的采样电压记为Udc2，三相电网电压ea、三相电网电压eb和三相电网电压ec的输入端连接点记为中性点n。

通过采用上述技术方案，如图1所示，三相四线制电容分裂式变换器是一个三相相互独立的非耦合系统，可以将其等效为三个独立的单相半桥逆变电路，其直流侧电容中点与三相电网系统的中性线相连接，形成中线电流回路，通过引出线补偿所需的基波零序电流，以消除或减少电网中三相电流不平衡度。

通过在直流侧上下电容器的中点引出一条通路作为零序电流的补偿方式，根据基尔霍夫定律，得到变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程为

式中：uan、ubn、ucn为变换器输出三相电压；ia、ib、ic为输出三相电流；ea、eb、ec为三相电网电压。

对式(1)进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：

式中，iα、iβ、uα、uβ、eα、eβ分别为逆变器输出电流、电压和电网电压的α、β分量。

定义变换器的开关状态S i(i＝a，b，c)如下：

令开关状态矢量S为

式中，a＝e

式中，uan、ubn、ucn为逆变器输出对中性点n的电压。对式(5)进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下变换器输出电压与开关状态的表达式：

对式(2)进行离散化，得

式中，Ts为采样周期，化简式(7)，得tk+1时刻的预测电流为

式中：iα(k)、iβ(k)、uα(k)、uβ(k)分别为t k时刻变换器输出电流、电压的α、β分量；eα(k)、eβ(k)分别为tk时刻电网电压的α、β分量；iα(k+1)、iβ(k+1)分别为tk+1时刻预测电流值的α、β分量。

作为本发明的进一步方案，不平衡电流检测系统2包括PLL锁相环、正余弦信号发生器、矩阵Cpq0、矩阵Cαβ0、低通滤波器LPF、矩阵Cαβ0-1和矩阵Cpq0-1，PLL锁相环的输入端接电压输入，PLL锁相环的输出端与正余弦信号发生器的输入端相连，正余弦信号发生器的输出端与矩阵Cpq0的输入端相连，矩阵Cpq0的输出端与低通滤波器LPF的输入端相连，矩阵Cpq0的输入端连接到矩阵Cαβ0的输出端，低通滤波器LPF的输出端连接到矩阵Cpq0-1的输入端，矩阵Cpq0-1的输出端连接到矩阵Cαβ0-1的输入端，矩阵Cαβ0-1的输出端输出负载电流iLa、iLb以及iLc。

通过采用上述技术方案，基于瞬时功率理论的ip-iq-i0电流检测方法，在三相四线制系统中需要考虑零序电流的影响，否则零序电流无法补偿。abc三相电网电压通过PLL锁相环和正余弦信号发生器得到与基波同步变化的变换矩阵Cpq0，三相静止的abc坐标系经过变换得到和基波磁场、同步角速度相同方向的α-β-0旋转坐标系的变换矩阵为Cαβ0，由此可计算出ip、iq、i0为

得到的公式在三相四线系统中任何情况都成立，包括系统电压畸变和不平衡负载的情况。

如图2所示，通过低通滤波器LPF获取有功直流分量

根据Clark变换得到零轴电流i0(k)为

α轴的电流分量为

联立式(10)、式(11)可得零序电流为

在k+1时刻零序电流为

作为本发明的进一步方案，三相四线制电容分裂式模型预测控制系统3包括价值函数、预测函数、abc/αβ1、abc/αβ2、参考电流和零序电流提取，价值函数的输入端与预测函数的输出端相连，预测函数的输入端与abc/αβ1的输出端相连，abc/αβ1的输入端接三相电网电压ea、三相电网电压eb以及三相电网电压ec的输出端，参考电流的输出端与abc/αβ2的输入端相连，abc/αβ2的输出端以及零序电流提取的输出端与价值函数的输入端相连。

通过采用上述技术方案，模型预测控制是一种基于离散时间模型的闭环优化控制策略，可预测下一时刻的动态模型，重复计算并依次执行控制动作和误差反馈矫正。首先采集网测电压ea、eb、ec和电流ia、ib、ic，经过Clark变换分别得到预测模型所需要的各个参数eα、eβ、iα、iβ，三相参考电流ia*、ib*、ic*经过坐标变换后得到αβ坐标系下的参考电流iαref、iβref。预测函数输出不同电压矢量对应的下一时刻可能出现的iα(k+1)、iβ(k+1)，通过瞬时功率理论得到目标补偿电流，并计算出基波零序参考电流为i0ref，下一时刻预测电流为i0(k+1)。参考值和各个预测电流值通过价值函数进行比较，通过价值函数选择出使得函数取得最小值的最优电压矢量开关状态Sa、Sb、Sc，应用于tk+1时刻，实现模型预测电流控制。

基于αβ坐标系下用于电容分裂式变换器的模型预测电流控制，选择参考值和预测电流误差的绝对值之和作为价值函数，考虑零序电流的价值函数g如式(14)所示。

式中：iαref、iβref分别为t k+1时刻αβ坐标系下的参考电流分量；iα(k+1)、iβ(k+1)分别为t k+1时刻电流预测值在αβ坐标系下的分量；λ

依据电容分裂式变换器的开关状态，对应8种电压矢量，其逆变器输出电流不同。模型预测控制策略基本原理如图4所示，在t k时刻采集系统变量x(k)，通过预测模型计算得到下一时刻的预测值，使输出量尽快接近参考值x*，用系统离散时间模型去预测每一个开关状态(1，2，3，...n)所对应的变量结果x

为验证模型预测电流控制策略在电网不平衡条件下的控制效果，在上下电容中点均压条件下进行模型预测控制算法仿真实验，验证模型预测控制策略对电容分裂式变换器的控制性能，并对其进行仿真分析。三相电流不平衡度是衡量电能质量的重要指标，电流不平衡度I

式中，iavg为三相相电流的平均值，仿真参数如图9。

图5为单相负载不平衡模型预测控制的仿真结果，三相电网电压波形如图5a所示，无补偿前单相负载不平衡电流如图5b所示，由于c相负载过重导致其c相负载电流跌落，补偿前三相电流ia＝4.8A，ib＝4.9A，ic＝4A，不平衡度为12.4％；补偿后三相负载电流如图5c所示，ia＝4.9A，ib＝4.95A，ic＝4.97A，带有零序补偿电流能快速跟踪c相参考电流，并使三相电流达到稳定，电流不平衡度为0.08％；

图6为三相负载不平衡模型预测控制的仿真结果。三相电网电压波形如图6a所示，无补偿前单相负载不平衡电流如图6b所示，ia＝5.2A，ib＝4.5A，ic＝4A，abc相设置为不同阻感性负载，导致其三相负载电流不平衡，无补偿前三相电流不平衡度为12％；补偿后三相负载电流如图6c所示，ia＝4.95A，ib＝5A，ic＝4.9A，电流不平衡度为0.01％，仿真表明，该控制策略使得三相电流基本达到平衡，三相不平衡度明显降低。变换器在三相负载不平衡条件下仍能保证正常运行，并且电流波形正弦度良好，通过仿真验证了所提控制策略的有效性。

为了验证电容分裂式变换器的电能质量综合补偿效果，搭建的实验平台，考虑在网侧电压不变的情况下，通过模型预测控制策略补偿不平衡时的基波电流，将abc相阻感负载设置为不平衡。实验波形由Fluke-F435电能质量分析仪录制，平台采用三相电子负载Chroma 63804模拟三相负载不平衡工况。实验装置参数与仿真一致，如表1所示。

图7为补偿前的电网电流实验波形，补偿前三相电流ia＝12A，ib＝7A，ic＝10A，三相电流不平衡度为27.5％，中线零序电流幅值为9A，电网电流滞后电压一定的角度，系统供电电能质量相对较差，不利于电网的安全、经济运行。采用模型预测电流控制策略补偿负序零序电流，图8为补偿后的电网电流实验波形，ia＝9A，ib＝8A，ic＝9A，三相电流不平衡度为0.07％，中线零序电流为1A，三相负载电流基本达到了平衡。实验结果表明，该控制策略对于电容分裂式变换器结构具有较好的补偿不平衡电流的能力，系统有功不平衡和无功电流的含量进一步减小，系统功率因数增加，提高了电网的电能质量。

综上所述：本电容分裂式变换器模型预测三相不平衡治理方法，优点如下：

1)建立了αβ坐标系下预测电流数学模型，通过预测函数得到下一时刻逆变器在不同电压矢量作用下所有可能输出的预测电流值，选择使价值函数取得最小的电压矢量并应用于下一采样周期，使逆变器输出电流快速逼近给定参考值。

2)通过瞬时功率理论参考补偿分量的检测方法，对不平衡电流进行检测提取，采用ip-iq-i0电流检测方法对目标电流进行提取，可计算出基波零序电流及下一时刻的预测电流。

3)根据模型预测电流控制原理搭建了Simulink仿真与实验平台，仿真与实验结果表明在三相负载不平衡条件下，所提出的模型预测控制策略具有良好的补偿效果，提高了电网的电能质量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。