CN102468653A - 配电网电能质量稳定控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网电能质量稳定控制系统，包括储能装置、PWM逆变器、滤波器、串联注入变压器，其特征在于：PWM逆变器检测部分的d-q检测法首先确定目标电压函数的有效值和相位跳变角α，其次确定目标电压函数，最后确定电压补偿量，补偿部分采用电流、电压为控制量的双闭环控制。本发明控制方法使检测算法能够对基波电压量进行补偿，并根据不同的补偿策略，求取不同的补偿量。改善了控制器的阻尼特性和在变负荷情况下的负荷参考电压跟踪能力，提高其动态和稳态性能，成本低投资小，且投入使用后效果理想。

Description

配电网电能质量稳定控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及对配电网电能质量出现问题的解决，尤其是对电网电压出现电压跌落和谐波电压时的补偿控制系统及控制方法。

背景技术

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的快速发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。由于电能质量问题的频发，美国每年的损失达到133亿美元。在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出。随着经济体制的转变，特别是近年来电力行业放松管制，电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求已成为重要的主题，这大大促进了电能质量标准化的进程和对质量优劣的监督和管理。尽管在电能质量的定义和解释上还存在许多不同看法，在劣质电能质量的起因上仍有较大分歧，但供电部门和电力终端用户对电能质量的关心程度却在与日俱增。如何提高和保证能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。

通常的电能质量问题如谐波、三相不对称等继续存在，而且严重性在增加。值得注意的是，近年来随着供电可靠性的不断提高人们逐渐将对传统的如供电中断、电压长时间偏高或偏低等老的配电网供电质量问题的注意力，逐步转向新的动态电能质量问题，如持续时间为周波级的动态电压升高，脉冲，电压凹陷和瞬时供电中断等。这些都是近年来随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来的新的电能质量问题。解决此类问题的传统方法是采用由储能装置、PWM逆变器、滤波器及串联注入变压器共同组成的电压补偿装置。此装置的不足之处在于：首先，由于部件参数波动，检测结果经常受到较大的影响；其次，当PWM逆变器进行补偿时，补偿信号的动态响应速度较慢，稳定性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测结果稳定、补偿信号动态响应速度快的电能质量稳定控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种配电网电能质量稳定控制系统，包括储能装置、PWM逆变器、滤波器、串联变压器，其特征在于：PWM逆变器检测部分的d-q检测法首先确定电压有效值和相位跳变角α，其次确定目标电压函数，最后确定电压补偿量，补偿部分采用电流、电压为控制量的双闭环控制。

配电网电能质量稳定控制方法，涉及PWM逆变器的检测和补偿，其特征在于包括下列步骤：

(1)确定电压有效值和相位跳变角α；

(2)确定目标电压函数；

(3)确定电压补偿量；

(4)采用电流、电压为控制量的双闭环补偿控制。

上述第(1)步确定电压有效值和相位跳变角α的步骤为：假设电压跌落时，伴随着相位的跳变，三相电压中基波分量分别变为：

式中u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)表示系统侧三相电压，U为电压的有效值，ω为角频率，

为初相角，α为相位跳变角。

三相电压经过d-q变换后，通过低通滤波器LPF后，将直流分量成分U_da，U_qa提取出来，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{da}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{sag}}\cos \mathrm{\α}\\ U_{\mathrm{qa}}=-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{sag}}\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$

U_da，U_qa计算出后，可以继续得出跌落后电压的有效值U和相位跳变角α分别为：

$U=\frac{\sqrt{3}}{3}\sqrt{U_{\mathrm{da}}^2+U_{\mathrm{qa}}^2}$

$\mathrm{\α}=-\arctan \left(\frac{U_{\mathrm{da}}}{U_{\mathrm{qa}}}\right).$

上述第(2)步目标电压函数确定步骤为：设三相目标电压函数为：

公式中，u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)表示三相目标电压函数，ω为角频率，

为初相角，β为目标电压函数的相位角，当系统发生凹陷时，根据第(1)步算出的相位跳变角α及不同的补偿策略，计算出β的大小，即确定了三相目标电压函数。

上述第(3)步确定电压补偿量步骤为：确定了三相目标电压函数后，将u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)通过d-q变换，并将变换的值u_d与u_q系统侧电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)经过d-q变换后的值u_d’、u_q’相减，最后经过d-q反变换就直接得出需要的电压补偿量u_a ^c(t)、u_b ^c(t)、u_c ^c(t)。

上述第(4)步双闭环控制方法：系统运行时，系统信号通过G₁(s)进入G₃(s)中，当电感电流I_L过大时，先后通过β与P后输出的I_e进入G₃(s)控制不让U_e通过，直接送入6V信号，使得逆变器处于非工作状态；当电流处于正常工作范围时，I_e不起控制作用，逆变器通过U_e控制逆变器的输出，从而达到调节负载上电压的目的。

G₁(s)为超前校正环节的传递函数，G₂(s)为输出滤波器和负载的导纳，G₃(s)为选择开关的传递函数，

为超前校正环节传递函数，k_m为PWM信号的增益，P为PI调节系数，α、β分别为反馈电压和反馈电流的放大系数，Y_e为G₃(s)的输出电压，I_L为电感电流，U_r、I_r为系统运行时电压和电流，U_e、I_e为反馈电压和电流。

本发明优点如下：

1.补偿量的检测

传统的d-q检测方案由于部件参数波动，检测结果经常受到较大的影响。为了降低谐波检测结果对主要部件参数的灵敏度，本发明提出了一种改进的d-q检测法。在常见的d-q变换法基础上添加两个环节：一个是确定电压有效值和相位跳变角环节；另一个是确定目标电压函数环节，使检测算法能够对基波电压量进行补偿，并根据不同的补偿策略，求取不同的补偿量。

2.控制策略的改进

装置中逆变器部分电压和电流采用双闭环控制策略，同时控制电压和电流，电压作为外环控制量，电流用于内环控制。电流控制动态性能将直接影响外环控制性能。其中电压控制为精确控制，电流控制为粗略控制。改善了控制器的阻尼特性和在变负荷情况下的负荷参考电压跟踪能力，提高其动态和稳态性能，成本低投资小，且投入使用后效果理想。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是改进d-q变换法检测原理框图；

图3是新型复合型双闭环控制原理结构图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括储能装置、PWM逆变器、滤波器和串联变压器，电压源为发电厂提供的电压，阻抗为线路与系统的阻抗，负载即用户的用电设备。整个系统相当于一个串联在配电系统中的动态受控电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，如电压凹陷、电压不平衡及谐波等。当电网正常输出电压时，储能装置进行充电；当电网电压出现异常时，储能装置提供的电能通过PWM逆变器、滤波器回馈到电网中，保证负载侧电压正常。

本发明优选的储能装置为PWM整流电路共用直流母线电容器，450V/4700μf的电解电容，它的优点是电容器容量余地大、使用方便、价格相对比较便宜。

PWM逆变器是本发明的核心，本发明选择的是标准的基于全控器件的电压源型PWM逆变器，根据控制策略通过逆变器对直流侧电压的逆变产生补偿所需的交流电压。它的逆变器拓扑结构为常见的三单相桥结构。三单相桥结构的三相输出电压互相独立，可以补偿零序电压，可以分相控制，且控制简单，对三相三线制和三相四线制系统都可应用。

本发明滤波器优选安装位置为串联注入变压器的逆变器侧。其中电阻、电感、电容参数分别选取为18Ω、2.5mH、8μf。

串联变压器对装置补偿性能有很大影响，本发明选择的变压比为50∶220。

参照图2，本发明对传统的d-q检测方法进行了改进，即在原有的d-q变换法的基础上添加两个环节：一个是确定电压有效值和相位跳变角环节；另一个是确定目标电压函数环节，使检测算法能够对基波电压量进行补偿，并根据不同的补偿策略，求取不同的补偿量。

具体方法包括下列步骤：

第一步：确定电压有效值和相位跳变角α

假设电压跌落时，伴随着相位的跳变，三相电压中基波分量分别变为：

式中u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)表示系统侧三相电压，U为电压的有效值，ω为角频率，

为初相角，α为相位跳变角。

三相电压经过d-q变换后，通过低通滤波器LPF后，将直流分量成分U_da，U_qa提取出来，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{da}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{sag}}\cos \mathrm{\α}\\ U_{\mathrm{qa}}=-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{sag}}\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$

U_da，U_qa计算出后，可以继续得出跌落后电压的有效值U和相位跳变角α分别为：

$U=\frac{\sqrt{3}}{3}\sqrt{U_{\mathrm{da}}^2+U_{\mathrm{qa}}^2}$

$\mathrm{\α}=-\arctan \left(\frac{U_{\mathrm{da}}}{U_{\mathrm{qa}}}\right)$

第二步：目标电压函数的确定

目标电压函数即敏感负荷侧电压经过本系统补偿后要达到的电压量，它是一个三角函数。

设三相目标电压函数为：

公式中，u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)表示三相目标电压函数，ω为角频率，

为初相角，β为目标电压函数的相位角。前面第一步中已经算出相位跳变的角度α，当系统发生凹陷时，就可以根据不同的补偿策略，计算出β的大小，这样三相目标电压函数就确定了。

(3)确定电压补偿量

目标电压函数确定后，将u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)通过d-q变换，并将变换的值u_d与u_q系统侧电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)经过d-q变换后的值u_d’、u_q’相减，最后经过d-q反变换就直接得出需要的电压补偿量u_a ^c(t)、u_b ^c(t)、u_c ^c(t)。

参照图3，要实现PWM逆变器正常的工作，必须同时控制电压和电流，电压作为外环控制量，电流用于内环控制。本发明以输出电流和电压为控制量的双闭环控制系统。其中电压控制为精确控制，电流控制为粗略控制。在系统的前向通道中加入了超前校正环节。

图3中，G₁(s)为超前校正环节的传递函数，G₂(s)为输出滤波器和负载的导纳，G₃(s)为选择开关的传递函数，

为超前校正环节传递函数，k_m为PWM信号的增益，P为PI调节系数，α、β分别为反馈电压和反馈电流的放大系数，Y_e为G₃(s)的输出电压，I_L为电感电流，U_r、I_r为系统运行时电压和电流，U_e、I_e为反馈电压和电流。

系统运行时，系统信号通过G₁(s)进入G₃(s)中，当电感电流I_L过大时，先后通过β与P后输出的I_e进入G₃(s)控制不让U_e通过，直接送入6V信号，使得逆变器处于非工作状态；当电流处于正常工作范围时，I_e不起控制作用，逆变器通过U_e控制逆变器的输出，从而达到调节负载上电压的目的。

Claims (6)

1.一种配电网电能质量稳定控制系统，包括储能装置、PWM逆变器、滤波器、串联变压器，其特征在于：PWM逆变器检测部分的d-q检测法首先确定电压有效值和相位跳变角α，其次确定目标电压函数，最后确定电压补偿量，补偿部分采用电流、电压为控制量的双闭环控制。

2.根据权利要求1所述的配电网电能质量稳定控制系统的控制方法，涉及PWM逆变器的检测和补偿，其特征在于包括下列步骤：

(1)确定电压的有效值和相位跳变角α；

(2)确定目标电压函数；

(3)确定电压补偿量；

(4)采用电流、电压为控制量的双闭环补偿控制。

3.根据权利要求2所述的配电网电能质量稳定控制方法，其特征在于：确定电压的有效值和相位跳变角α的步骤为：假设电压跌落时，伴随着相位的跳变，三相电压中基波分量分别变为：

式中u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)表示系统侧三相电压，U为电压的有效值，ω为角频率， 

为初相角，α为相位跳变角。

三相电压经过d-q变换后，通过低通滤波器LPF后，将直流分量成分U_da，U_qa提取出来，可得：

U_da，U_qa计算出后，可以继续得出跌落后电压的有效值U和相位跳变角α分 别为：

4.根据权利要求2所述的配电网电能质量稳定控制方法，其特征在于：目标电压函数确定步骤为：设三相目标电压函数为：

公式中，u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)表示三相目标电压函数，ω为角频率， 

为初相角，β为目标电压函数的相位角，当系统发生凹陷时，根据相位跳变角α及不同的补偿策略，计算出β的大小，即确定了三相目标电压函数。

5.根据权利要求2所述的配电网电能质量稳定控制方法，其特征在于：确定电压补偿量步骤为：确定了三相目标电压函数后，将u_a′(t)、u_b′(t)、u_c′(t)通过d-q变换，并将变换的值u_d与u_q系统侧电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)经过d-q变换后的值u_d’、u_q’相减，最后经过d-q反变换就直接得出需要的电压补偿量u_a ^c(t)、u_b ^c(t)、u_c ^c(t)。

6.根据权利要求2所述的配电网电能质量稳定控制方法，其特征在于：采用电流、电压为控制量的双闭环补偿控制方法为：系统运行时，系统信号通过G₁(s)进入G₃(s)中，当电感电流I_L过大时，先后通过β与P后输出的I_e进入G₃(s)控制不让U_e通过，直接送入6V信号，使得逆变器处于非工作状态；当电流处于正常工作范围时，I_e不起控制作用，逆变器通过U_e控制逆变器的输出，从而达到调节负载上电压的目的。 

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