一种三相不平衡负载零序分量补偿方法及系统与流程

1.本发明涉及电压补偿技术领域，尤其是一种三相不平衡负载零序分量补偿方法及系统。


背景技术：

2.微电网中负载构成复杂，负载的不平衡特性会降低逆变电源的质量，导致逆变电源的输出电压不平衡，增加配电变压器及线路功率的电能损耗，降低逆变电源的电能转换效率，更严重时会导致三相负载如旋转电压等出现高温，甚至损坏用电设备。
3.目前，通常有两种方法补偿三相负载不平衡，一种是安装电能质量调节装备，如串联型平衡补偿和并联型平衡补偿装置，另一种是三相不平衡电压动态补偿方法。第一种方法的缺陷是：串联型或并联型补偿装置均需要增加额外的补偿设备，增加了系统的体积及成本；而且第一种方法从电流补偿角度出发，通过改变负载输入电压达到补偿的目标，在实际应用中，三相负载并不单一，多个不平衡负载需要多个补偿装置，且会影响到其它负载的输入电压。第二种方法的缺陷是：需要增加不平衡治理装置，增加了系统的体积及成本；三相电压是否平衡需要根据预设值来进行判断，在不平衡度较小时，可能并没有超过预设值，不能实现实时补偿；采用pi控制算法进行补偿，pi控制能够对阶跃信号进行无静态误差的跟踪，但是pi控制不能对周期性的正弦指令信号实现无静态误差的跟随，响应性能较差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种三相不平衡负载零序分量补偿方法及系统，本发明无需增加任何硬件设备，在控制器软件设计时增加对零序分量的检测以及对零序分量进行实时和无静差补偿，在三相负载不平衡时，能快速保证逆变电源的输出电压，具有良好的平衡度。
5.本发明实施例的一方面提供了一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，包括：
6.根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；
7.将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；
8.根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；
9.根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；
10.根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。
11.可选地，所述相角参数的确定过程，包括：
12.将所述三相电压输入至锁相环，通过锁相算法输出所述三相电压对应的实际频
率；
13.将给定频率与所述实际频率作差后输入至pi调节器，得到相角参数。
14.可选地，所述根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值，包括：
15.将所述三相电压转换为直角坐标系下的第三电压与第四电压；
16.根据所述第三电压与第四电压以及所述相角参数确定旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压；
17.计算所述直轴电压和交轴电压对应的实际电压矢量值。
18.可选地，所述根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值，包括：
19.所述给定零序分量值与所述实际零序分量值作差计算得到误差值；
20.根据所述误差值与预设的控制周期，通过余弦补偿计算第一分量补偿值；
21.根据所述第一分量补偿值经过幅度限制得到的限幅值计算第二分量补偿值；
22.根据所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值计算零序分量补偿值。
23.可选地，所述根据所述误差值与预设的控制周期，通过余弦补偿计算第一分量补偿值，包括：
24.根据第一表达式计算所述第一分量补偿值，其中，第一表达式为根据第一表达式计算所述第一分量补偿值，其中，第一表达式为，式中，v1表示第一分量补偿值，v
err
为误差值，v
err
＝v
0_set-v
0_act
，为上一次计算的v
err
值，t为预设的控制周期。
25.可选地，所述根据所述第一分量补偿值经过幅度限制得到的限幅值计算第二分量补偿值，包括：
26.根据第二表达式计算所述第二分量补偿值，第二表达式为式中，v2表示第二分量补偿值，cos(ωt)＝cos(2πf
ref
t)，v3表示限幅值，为上一次计算的v3值，为上上次计算的v3值，v3＝v1+v2。
27.可选地，所述根据所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值计算零序分量补偿值，包括：
28.将所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值相加后，与预设的增益参数相乘，计算得到零序分量补偿值。
29.本发明实施例的另一方面还提供了一种三相不平衡负载零序分量补偿系统，包括：
30.第一补偿模块，用于根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；
31.第二补偿模块，用于将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；
32.第三补偿模块，用于根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；
33.第四补偿模块，用于根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；
34.第五补偿模块，用于根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。
35.本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
36.所述存储器用于存储程序；
37.所述处理器执行所述程序实现上述的方法。
38.本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现上述的方法。
39.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述的方法。
40.与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
41.本发明无需增加任何硬件设备，不会增加系统体积及成本，在三相负载出现不平衡时，可以根据第一电压与第二电压以及零序分量补偿值快速确定三相调制电压，并将三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到经过零序分量补偿的三相输出电压，因此能够快速保证逆变电源的输出电压具有良好的平衡度，在接入多种三相负载时，不会因为某一负载的不平衡而对其它负载造成影响。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例提供的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法的流程示意图；
44.图2为本发明实施例提供的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法的整体控制框图；
45.图3为本发明实施例提供的一种频率控制框图；
46.图4为本发明实施例提供的一种补偿模块设计框图；
47.图5为本发明实施例提供的一种三相输出电压以及零序分量补偿值的仿真波形图；
48.图6为本发明实施例提供的一种三相不平衡负载零序分量补偿系统的结构框图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.参照图1，本发明实施例提供了一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，具体包括以下步骤：
51.s100：根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值。
52.本发明实施例提供的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法的整体控制框图如图2所示，其中包含电压控制环路、零序分量补偿环路及驱动生成部分。
53.具体的，本发明的逆变部分可以采用三线三相制电路拓扑，输出380v相电压，即给定参考电压给定频率f
ref
＝50hz，频率控制框图如图3所示，相角参数的确定过程可以包括：将实际采样得到的三相电压va、vb、vc输入至锁相环，通过锁相算法输出实际频率值f
act
，将f
ref
与f
act
做差输入至pi调节器，经pi调节后，输出逆变控制所需的相角参数θ。
54.具体的，在得到相角参数后，确定实际电压矢量值的过程可以包括以下步骤1至步骤3：
55.步骤1，采用等幅值变换将三相电压由三相坐标系转换成直角坐标系，将实际采样的三相电压va、vb、vc经clark变换式(1)后得到直角坐标系电压u
α
、u
β
：
[0056][0057]
步骤2，直角坐标系转换成旋转坐标系，将相角参数θ及u
α
、u
β
经park变换式(2)后得到旋转坐标系d、q轴电压ud、uq；其中d轴表示旋转坐标系的直轴，ud表示直轴电压，q轴表示旋转坐标系的交轴，uq表示交轴电压。式(2)如下所示：
[0058][0059]
步骤3，经矢量电压计算的式(3)计算出实际电压矢量值：
[0060][0061]
s110：将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压。
[0062]
具体的，计算直轴参考电压的过程可以包括以下：
[0063]
步骤4，给定参考电压v
ref
与实际电压矢量值v
act
作差输入至pi调节器，输出d轴参考电压vd。
[0064]
s120：根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压。
[0065]
具体的，计算第一电压与第二电压的过程可以包括以下：
[0066]
步骤5，旋转坐标系转换成直角坐标系，经过上述步骤，可得到d轴参考电压vd，预设的交轴参考电压表示为vq，本发明实施例可以取vq＝0，经park逆变换式(4)后可得直角坐标系电压v
α
和v
β
：
[0067][0068]
s130：根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值。
[0069]
计算零序分量补偿值的过程可以参考步骤6至步骤7：
[0070]
步骤6，实时计算零序分量，将实际采样得到的三相电压va、vb、vc经零序分量计算的式(5)得到实际的零序分量值v
0_act
：
[0071][0072]
步骤7，零序分量补偿量计算，该计算过程可以采用余弦补偿方法，分一级补偿和二级反馈补偿，零序分量给定值v
0_set
＝0＝f
0_set
，补偿模块设计框图如图4所示。
[0073]
一级补偿输出式中，v
err
＝v
0_set-v
0_act
，为上一次计算的v
err
值，t为控制周期，一种可选的实施方式下，本发明实施例中频率f＝8000hz，因此本发明实施例中频率f＝8000hz，因此本发明实施例中频率f＝8000hz，因此
[0074]
二级反馈补偿其中，cos(ωt)＝cos(2πf
ref
t)＝0.999229，为上一次计算的v3值，为上上次计算的v3值，v3＝v1+v2，且v3会由限幅模块进行限制；
[0075]
零序分量补偿值v0＝k*v3，本发明实施例的增益参数k可以取0.04。
[0076]
本发明实施例对零序分量采用余弦补偿方法，可对零序分量进行实时和无静差补偿。
[0077]
s140：根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。
[0078]
具体的，计算三相输出电压的过程可以参考步骤8至步骤9：
[0079]
步骤8，采用等幅值变换将直角坐标系转换成三相坐标系，根据步骤5得到的直角坐标系电压v
α
和v
β
，以及步骤7计算得到的零序分量补偿值v0，经过clark逆变换式(6)后可以三相调制电压va、vb和vc：
[0080][0081]
步骤9，将步骤8得到的三相调制电压va、vb和vc，经spwm调制生成六路驱动信号并作用于igbt上，即可得到三相输出电压。
[0082]
为了更详细描述本发明，接下来将以具体实例说明本发明的实际应用过程。
[0083]
具体的，可以在matlab/simulink中进行仿真，基本参数可以设定为：给定参考电压v
ref
＝311v，给定频率f
ref
＝50hz，三相输出电压以及零序分量补偿值的仿真波形如图5所
示，图5中在虚线框时刻投入不平衡负载，可见，三相输出电压瞬间出现不平衡，零序分量补偿值也瞬间出现突变，在非常短的时间内就能够使三相输出电压回到平衡的状态。
[0084]
参照图6，本发明实施例提供了一种三相不平衡负载零序分量补偿系统，包括：
[0085]
第一补偿模块，用于根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；
[0086]
第二补偿模块，用于将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；
[0087]
第三补偿模块，用于根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；
[0088]
第四补偿模块，用于根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；
[0089]
第五补偿模块，用于根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。
[0090]
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
[0091]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0092]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0093]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0094]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0095]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0096]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0097]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0098]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0099]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，包括：根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。2.根据权利要求1所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述相角参数的确定过程，包括：将所述三相电压输入至锁相环，通过锁相算法输出所述三相电压对应的实际频率；将给定频率与所述实际频率作差后输入至pi调节器，得到相角参数。3.根据权利要求1所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值，包括：将所述三相电压转换为直角坐标系下的第三电压与第四电压；根据所述第三电压与第四电压以及所述相角参数确定旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压；计算所述直轴电压和交轴电压对应的实际电压矢量值。4.根据权利要求1所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值，包括：所述给定零序分量值与所述实际零序分量值作差计算得到误差值；根据所述误差值与预设的控制周期，通过余弦补偿计算第一分量补偿值；根据所述第一分量补偿值经过幅度限制得到的限幅值计算第二分量补偿值；根据所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值计算零序分量补偿值。5.根据权利要求4所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述根据所述误差值与预设的控制周期，通过余弦补偿计算第一分量补偿值，包括：根据第一表达式计算所述第一分量补偿值，其中，第一表达式为根据第一表达式计算所述第一分量补偿值，其中，第一表达式为式中，v1表示第一分量补偿值，v
err
为误差值，v
err
＝v
0_set-v
0_act
，为上一次计算的v
err
值，t为预设的控制周期。6.根据权利要求5所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述根据所述第一分量补偿值经过幅度限制得到的限幅值计算第二分量补偿值，包括：根据第二表达式计算所述第二分量补偿值，第二表达式为式中，v2表示第二分量补偿值，cos(ωt)＝cos(2πf
ref
t)，v3表示限幅值，为上一次计算的v3值，为上上次计算的v3值，v3＝v1+v2。
7.根据权利要求4所述的一种三相不平衡负载零序分量补偿方法，其特征在于，所述根据所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值计算零序分量补偿值，包括：将所述第一分量补偿值与所述第二分量补偿值相加后，与预设的增益参数相乘，计算得到零序分量补偿值。8.一种三相不平衡负载零序分量补偿系统，其特征在于，包括：第一补偿模块，用于根据实际采样得到的三相电压以及由所述三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；第二补偿模块，用于将所述实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至pi调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；第三补偿模块，用于根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、所述直轴参考电压以及所述相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；第四补偿模块，用于根据给定零序分量值以及由所述三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；第五补偿模块，用于根据所述第一电压与第二电压以及所述零序分量补偿值确定三相调制电压，并将所述三相调制电压经spwm调制且经过igbt，得到三相输出电压。9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序；所述处理器执行所述程序实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种三相不平衡负载零序分量补偿方法及系统，方法包括：根据实际采样得到的三相电压及由三相电压确定的相角参数，确定实际电压矢量值；将实际电压矢量值与给定参考电压作差后输入至PI调节器，得到旋转坐标系下的直轴参考电压；根据旋转坐标系下预设的交轴参考电压、直轴参考电压及相角参数确定直角坐标系下的第一电压与第二电压；根据给定零序分量值以及由三相电压确定实际零序分量值，确定零序分量补偿值；根据第一电压与第二电压及零序分量补偿值确定三相调制电压，并将三相调制电压经SPWM调制且经过IGBT，得到三相输出电压。本发明在三相负载不平衡时，能快速补偿逆变电源的输出电压，可广泛应用于电压补偿领域。域。域。


技术研发人员：曾立三
受保护的技术使用者：广州鼎汉轨道交通装备有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/6