[发明专利]一种并联能量单向流动可控整流器的无功补偿技术

权利要求书

1.一种并联能量单向流动单相可控整流器的无功补偿技术，所述的能量单向流动单相可控整流器为所有可以使用单周期控制方法的能量单向流动单相可控整流器，包括双开关维也纳整流器模块单元、无桥整流器模块单元、单开关维也纳整流器模块单元；

其特征在于：首先将K个能量单向流动的单相可控整流器并联起来，其中K为正整数且K≥2；当电网中需要无功功率时，控制M个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器的电流超前或滞后电源电压，其中M为正整数，M≥1且M＜K，这M个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器组成A模块，通过单周期控制适当的改变M个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器的电流相位，向电网提供超前或滞后的无功功率；然后检测和提取公共耦合点处输入电流的谐波分量，将此检测值乘以1/N，其中N＝K-M且N为正整数，N≥1，得到均值谐波分量；最后将均值谐波分量注入到其余N个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器的电流中，这N个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器组成B模块，从而达到抑制公共耦合点输入电流畸变的目的；

并联能量单向流动单相可控整流器的无功补偿技术步骤如下：

(1)设输入电压u_s，公共耦合点输入电流i_s，其中主功率电路包括K个输入电感L_s1...L_sM、L_s(M+1)...L_sK和K个能量单向流动单相可控整流器模块单元，i_s1...i_sM、i_s(M+1)...i_sK分别为能量单向流动单相可控整流器模块单元的输入电流，能量单向流动单相可控整流器模块单元分别与各自的输入电感串联；将K个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器接入电网；当电网中含有非线性负载时，给出控制信号，此时A模块的M个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器中的输入电流i_s1...i_sM产生移相，为电网提供超前或滞后的无功功率，其电流表达式如式(1)所示，其中i_sof为i_so的基波分量，i_soh为i_so的谐波分量，ω为输入电源电压角频率，I_so为i_sof的幅值，为i_sof的初相角，I'_2n-1和分别为i_so的2n-1次谐波分量幅值和初相角，o为正整数，1≤o≤M；

(2)当A模块的M个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器为电网提供超前或滞后的无功功率时，输入电流i_s将发生畸变，导致输入电流THD增大，则需要控制N个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器减小或消除输入电流中的谐波分量；将输入电流i_s进行谐波分量检测提取，其中i_s含有基波分量i_sf和谐波分量i_sh，i_s傅里叶展开式如式(2)所示，其中，I_s为i_sf的幅值，为i_sf的初相角，I_2n-1和分别为i_s的2n-1次谐波分量幅值和初相角；i_sh傅里叶展开式如式(3)所示，将谐波分量i_sh乘以1/N，得到N份均值谐波分量i_sh1...i_shN，均值谐波分量表达式如式(4)：

(3)其B模块的N个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器输入电流i_s(M+1)…i_sK表达式如式(5)，其中，p为正整数，M＜p≤K，i_spf为i_sp的基波分量，i_sph为i_sp的谐波分量，I_sp为i_spf的幅值，为i_spf的初相角，I”_2n-1和分别为i_sp的2n-1次谐波分量幅值和初相角；通过交流采样电阻R_s对B模块的N个基于并联结构的能量单向流动单相可控整流器输入电流进行采样得到N个采样信号R_si_sp，将采样信号作为系数运算模块的输入，即为采样信号增加一个比例控制，比例模块的系数为k₁...k_N；

(4)将均值谐波分量通过交流采样电阻R_s作为另一个系数运算模块的输入，即为均值谐波电流信号增加一个比例控制，比例模块的系数为k_h1...k_hN；

(5)将步骤(3)与步骤(4)经过系数运算模块得到的输出信号，经过加法器分别对应相加，得到叠加的控制信号，叠加后的电流信号为i_z1...i_zN，叠加后的电流i_zN表达式如式(6)所示：

(6)将步骤(5)中的叠加信号i_z1...i_zN经过整流运算模块得到绝对值；

(7)为了保证电流补偿系数k₁...k_N与k_h1...k_hN有意义，保证控制系统的控制信号不超调，保持系统稳定性，将步骤(6)中的叠加电流i_zN的绝对值信号送入限幅器中，限制关系为：

(8)在直流侧电压外环中，直流侧电压参考值U^*_d(M+1)…U^*_dK和直流侧反馈电压U_d(M+1)...U_dK经过减法器后输出压差信号e_up表达式如式(8)，其中p为正整数，M＜p≤K；

e_up＝U^*_dp-U_dp (8)

压差信号经过电压环调节器控制后作为载波信号的幅值U_m(M+1)...U_mK，由单周期控制可知U_mp表达式如式(9)，其中p为正整数，M＜p≤K；

其中Z为负载阻抗：

Z＝R_e+j(X_L+X_C) (10)

(9)将步骤(7)限幅后的叠加信号，与由载波生成运算模块产生的幅值为U_m(M+1)...U_mK的载波信号，通过比较器进行信号交割产生PWM信号送入总线，进而控制N个电力电子变流器开关器件的通断。

2.一种并联能量单向流动三相可控整流器的无功补偿技术，所述的能量单向流动三相可控整流器为所有可以使用单周期控制方法的能量单向流动三相可控整流器，包括双开关维也纳整流器模块单元、无桥整流器模块单元、单开关维也纳整流器模块单元；

其特征在于：首先将K个能量单向流动的三相可控整流器并联起来，其中K为正整数且K≥2；当电网中需要无功功率时，控制M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器的电流超前或滞后电源电压，其中M为正整数，M≥1且M＜K，这M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器组成C模块，通过单周期控制适当的改变M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器的电流相位，向电网提供超前或滞后的无功功率；然后检测和提取公共耦合点处输入电流的谐波分量，将此检测值乘以1/N，其中N＝K-M且N为正整数，N≥1，得到均值谐波分量；最后将均值谐波分量注入到其余N个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器的电流中，这N个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器组成D模块，从而达到抑制公共耦合点输入电流畸变的目的；

本发明并联能量单向流动三相可控整流器的无功补偿技术的步骤如下：

(1)设输入电压为u_sa、u_sb、u_sc，公共耦合点输入电流为i_sa、i_sb、i_sc，其中主功率电路包括3K个输入电感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个能量单向流动三相可控整流器模块单元，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分别为能量单向流动三相可控整流器模块单元的三相输入电流；将K个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器接入电网，当电网中含有非线性负载时，给出控制信号，此时C模块的M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器中的输入电流i_sa1...i_saM，i_sb1...i_sbM，i_sc1...i_scM产生移相，为电网提供超前或滞后的无功功率，其C模块的M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器输入电流i_sao、i_sbo、i_sco表达式如式(11)所示，其中，o为正整数，1≤o≤M，i_saof、i_sbof、i_scof分别为i_sao、i_sbo、i_sco的基波分量，i_saoh、i_sboh、i_scoh为i_sao、i_sbo、i_sco的谐波分量，ω为输入电源电压u_sa、u_sb、u_sc角频率，I_sao、I_sbo、I_sco为i_saof、i_sbof、i_scof的幅值，为i_saof、i_sbof、i_scof的初相角，I'_a(2n-1)、I'_b(2n-1)、I'_c(2n-1)和分别为i_saof、i_sbof、i_scof2n-1次谐波分量的幅值和初相角；

(2)当C模块的M个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器为电网提供超前或滞后的无功功率时，输入电流i_sa、i_sb、i_sc将发生畸变，导致输入电流THD增大，则需要控制其余N个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器减小或消除输入电流中的谐波分量；将输入电流i_sa、i_sb、i_sc进行谐波分量检测提取，其中i_sa、i_sb、i_sc含有基波分量i_saf、i_sbf、i_scf和谐波分量i_sah、i_sbh、i_sch，i_sa、i_sb、i_sc傅里叶展开式如式(12)所示，I_sa、I_sb、I_sc为i_sa、i_sb、i_sc幅值，为i_sa、i_sb、i_sc初相角，I_a(2n-1)、I_b(2n-1)、I_c(2n-1)和分别为i_sa、i_sb、i_sc的2n-1次谐波分量的幅值和初相角；i_sah、i_sbh、i_sch傅里叶展开式如式(13)所示，将谐波分量i_sah、i_sbh、i_sch各乘以1/N，分别得到N份均值谐波分量i_sah1...i_sahN、i_sbh1...i_sbhN、i_sch1...i_schN，均值谐波分量表达式如式(14)：

(3)其D模块的N个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器输入电流i_sap、i_sbp、i_scp表达式如式(15)，其中，p为正整数，M＜p≤K，i_sapf、i_sbpf、i_scpf分别为i_sap、i_sbp、i_scp的基波分量，i_saph、i_sbph、i_scph为i_sap、i_sbp、i_scp的谐波分量，I”_a(2n-1)、I”_b(2n-1)、I”_c(2n-1)和分别为i_sap、i_sbp、i_scp的2n-1次谐波分量幅值和初相角；通过交流采样电阻R_s对D模块的N个基于并联结构的能量单向流动三相可控整流器输入电流i_sap、i_sbp、i_scp进行采样，得到N个采样信号R_si_sap、R_si_sbp、R_si_scp，将采样信号作为系数运算模块的输入，即为采样信号增加一个比例控制，比例模块的系数为k_a1...k_aN、k_b1...k_bN、k_c1...k_cN；

(4)将均值谐波分量通过交流采样电阻R_s作为另一个系数运算模块的输入，即为均值谐波电流信号增加一个比例控制，比例模块的系数为k_ah1...k_ahN、k_bh1...k_bhN、k_ch1...k_chN；

(5)将步骤(3)与步骤(4)经过系数运算模块得到的输出信号，经过加法器分别对应相加，得到叠加的控制信号，叠加后的电流信号为i_az1...i_azN、i_bz1...i_bzN、i_cz1...i_czN，叠加后的电流i_azN、i_bzN、i_czN表达式如式(16)所示：

(6)将步骤(5)中的叠加信号i_az1...i_azN、i_bz1...i_bzN、i_cz1...i_czN经过整流运算模块得到绝对值；

(7)为了保证电流补偿系数k_a1...k_aN、k_b1...k_bN、k_c1...k_cN与k_ah1...k_ahN、k_bh1...k_bhN、k_ch1...k_chN有意义，保证控制系统的控制信号不超调，保持系统稳定性，将步骤(6)中的叠加电流i_azN、i_bzN、i_czN的绝对值信号送入限幅器中，限制关系为：

(8)在直流侧电压外环中，直流侧电压参考值U^*_d(M+1)…U^*_dK和直流侧反馈电压U_d(M+1)...U_dK经过减法器后输出压差信号e_u(M+1)...e_uK表达式如式(18)，其中p为正整数，M＜p≤K；

e_up＝U^*_dp-U_dp (18)

压差信号经过电压环调节器控制后作为载波信号的幅值U_m(M+1)...U_mK，由单周期控制可知U_mp有如下表示：

其中Z为负载阻抗：

Z＝R_e+j(X_L+X_C) (20)

(9)将步骤(7)限幅后的叠加信号，与由载波生成运算模块产生的幅值为U_m(M+1)...U_mK的载波信号，通过比较器进行信号交割产生PWM信号送入总线，进而控制N个电力电子变流器开关器件的通断。