CN104578083B - 一种配电网动态电压稳定器的控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网动态电压稳定器，包括隔离变压器、单相不控整流桥、直流母线电容、单相H桥逆变器、低通电感电容滤波器和旁路开关；所述隔离变压器的原边与电网相连，副边与单相不控整流桥的交流侧相连，所述单相不控整流桥、直流母线电容和单相H桥逆变器并联，所述单相H桥逆变器的交流侧与低通电感电容滤波器相连，所述旁路开关与低通电感电容滤波器的电容并联。本发明同时也公开了该动态电压稳定器的控制策略。本发明在传统比例谐振控制中引入半周期Posicast控制方法，增加了DVR阻尼，获得了较大的高频增益，降低了系统对噪声的敏感性，能够有效抑制低通电感电容滤波器带来的欠阻尼效应，大幅提升DVR的暂态响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网动态电压稳定器及其控制策略，属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域。
背景技术
随着现代电力系统的发展，电网中大量非线性负载的接入、电容器投切、电动机启停及各类系统故障所带来的电能质量问题越发引起人们的重视，对于电网用户来说，电能质量问题有可能导致其用电设备的失效或误动作，造成巨大的经济损失及安全隐患问题。
在众多电能质量控制装置中，动态电压稳定器(DVR)作为串联型装置的典型代表，是目前解决电压暂降问题最直接、经济的电力电子装置，在配电网中获得极其广泛的应用。DVR串联连接电网和负载，当电网发生电压暂降时，以注入电压的形式调整负载端电压波形、幅值及相位，从而达到改善负载电压质量的效果。ABB公司也很快利用新型的IGCT大功率开关器件研发并生产了兆瓦级的动态电压稳定器，国内的高等院校和科研机构对DVR的发明研究方兴未艾，有关DVR拓扑结构、故障检测、相位锁定、补偿策略、控制方法等方面一直是研究的重点。
目前DVR应用较多的控制策略中，传统的交流电压外环比例控制策略实现最为简单，暂态响应速度较快，但无法满足补偿电压无静差跟踪的要求；基于坐标变换的比例积分(PI)控制策略能够实现DVR输出电压的无静差控制，但坐标变换计算的复杂性大大限制了DVR的动态响应速度、削弱了设备的鲁棒性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种配电网动态电压稳定器及其控制策略。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种配电网动态电压稳定器，包括隔离变压器、单相不控整流桥、直流母线电容、单相H桥逆变器、低通电感电容滤波器和旁路开关；所述隔离变压器的原边与电网相连，副边与单相不控整流桥的交流侧相连，所述单相不控整流桥、直流母线电容和单相H桥逆变器并联，所述单相H桥逆变器的交流侧与低通电感电容滤波器相连，所述旁路开关与低通电感电容滤波器的电容并联。
所述单相不控整流桥包括并联的两个整流桥臂，每个整流桥臂包括串联的两二极管。
低通电感电容滤波器由一个电感和一个电容串联而成。
所述单相H桥逆变器包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括第一绝缘门极双极型晶体管和第二绝缘门极双极型晶体管，第一绝缘门极双极型晶体管的集电极与第二绝缘门极双极型晶体管的发射极连接，每个绝缘门极双极型晶体管的集电极与发射极之间反向并联有一个二极管。
一种配电网动态电压稳定器的控制策略，其特征在于：在传统比例谐振控制中引入半周期Posicast控制方法；具体步骤为，
步骤一，将采样得到的动态电压稳定器实际输出电压Udvr与动态电压稳定器参考输出电压Uref相减，获得控制后动态电压稳定器输出电压的偏差量；
步骤二，采用比例谐振控制算法对偏差量进行处理，获得动态电压稳定器 输出电压的理论控制值U* sig；
步骤三，将理论控制值U* sig分别乘以和获得两个分量，将两个分量相加获得动态电压稳定器输出电压的控制值Usig，其中δ为欠阻尼系统阶跃响应的超调量，Td为低通电感电容滤波器谐振周期的1/2；
步骤四，基于正弦脉宽调制的方法，利用动态电压稳定器输出电压的控制值Usig完成控制。
本发明所达到的有益效果：1、本发明拓扑简单，响应速度快，补偿效果优异，是治理电力系统动态电压问题最经济、有效的手段之一；2、本发明在传统比例谐振控制中引入半周期Posicast控制方法，增加了DVR阻尼，获得了较大的高频增益，降低了系统对噪声的敏感性，能够有效抑制低通电感电容滤波器带来的欠阻尼效应，大幅提升DVR的暂态响应特性；3、本发明有效解决了DVR传统交流电压外环比例控制策略的无法满足补偿电压无静差跟踪的问题，同时也有效解决了基于坐标变换的比例积分(PI)控制策略中坐标变化计算复杂、限制DVR动态响应速度、消弱DVR鲁棒性的问题。
附图说明
图1为本发明的配电网动态电压稳定器的补偿系统结构示意图。
图2为本发明的改进PR控制策略框图。
图3为无相位跳变下三相对称电压跌落的PSCAD\EMTDC仿真波形。
图4为无相位跳变下三相不对称电压跌落的PSCAD\EMTDC仿真波形。
图5为有相位跳变下不对称电压跌落的PSCAD\EMTDC仿真波形图；
图6为电压跌落开始时刻波形。
图7为电压跌落结束时刻波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种配电网动态电压稳定器，包括隔离变压器、单相不控整流桥、直流母线电容、单相H桥逆变器、低通电感电容滤波器和旁路开关。
隔离变压器的原边与电网相连，副边与单相不控整流桥的交流侧相连，单相不控整流桥、直流母线电容和单相H桥逆变器并联，单相H桥逆变器的交流侧与低通电感电容滤波器相连，旁路开关与低通电感电容滤波器的电容并联。
单相不控整流桥，用于对电网侧电压进行整流，得到直流母线电压；单相不控整流桥包括并联的两个整流桥臂，每个整流桥臂包括串联的两二极管。
直流母线电容，用于稳定直流母线电压，通过单相不控整流桥获取能量。
单相H桥逆变器，用于将直流母线电压转换成交流电压；单相H桥逆变器包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括第一绝缘门极双极型晶体管IGBT1和第二绝缘门极双极型晶体管IGBT2，第一绝缘门极双极型晶体管IGBT1的集电极与第二绝缘门极双极型晶体管IGBT2的发射极连接，每个绝缘门极双极型晶体管的集电极与发射极之间反向并联有一个二极管。
低通电感电容(LC)滤波器，用于滤除单相H桥逆变器交流侧输出的高次谐波；低通电感电容滤波器由一个电感和一个电容串联而成。
旁路开关，用于动态电压稳定器闲置时的旁路，并联在低通电感电容滤波器的电容两端。
上述配电网动态电压稳定器的控制策略，如图2所示，在传统比例谐振(PR)控制中引入半周期Posicast控制方法。
动态电压稳定器(DVR)采用传统比例谐振(PR)控制策略，能够在静止坐标系下实现交流信号的无静差跟踪。
PR控制器的传递函数可以表述如下：
其中，s为复变量，KP为比例系数，KI为谐振增益，ω0是目标交流信号的频率，可以看出理想情况下传递函数在频率在ω0处的增益为无穷大，对于更高的频率，传递函数特性逐渐和普通的PI控制器相同。
由于目标交流信号频率可能存在微小波动，实际中通常会在分母中增加阻尼项：
其中，ωr为谐振截止频率。
考虑到DVR的输出低通电感电容滤波器所导致的欠阻尼特性，在传统PR控制策略的基础上进行改进，在传统比例谐振控制中引入半周期Posicast控制方法，以增加DVR阻尼，获得较大的高频增益，降低了系统对噪声的敏感性。
改进型PR控制策略的具体步骤为：
步骤一，将采样得到的动态电压稳定器实际输出电压Udvr与动态电压稳定器参考输出电压Uref相减，获得控制后动态电压稳定器输出电压的偏差量；
步骤二，采用比例谐振控制算法对偏差量进行处理，获得动态电压稳定器输出电压的理论控制值U* sig；
步骤三，将理论控制值U* sig分别乘以和获得两个分量，将两个分量相加获得动态电压稳定器输出电压的控制值Usig，其中δ为欠阻尼系统阶跃响应的超调量，Td为低通电感电容滤波器谐振周期的1/2；
步骤四，基于正弦脉宽调制的方法，利用动态电压稳定器输出电压的控制值Usig完成控制。
实施案例一：
如图3和4所示给出了动态电压稳定器无相位跳变下三相对称电压跌落和三相不对称电压跌落两种不同场景的PSCAD\EMTDC仿真图，如图5所示给出了有相位跳变下不对称电压跌落的PSCAD\EMTDC仿真图，来进一步详细说明本发明的具体工作过程，由于动态电压稳定器使用的是三个单相结构，三相分别独立控制，所以仅给出单相运行过程，同时以图3、图4和图5的三个不同场景中第一个场景下仿真波形为例进行详述。
仿真时间：0.52s，IGBT开关频率3.2kHz，系统频率50Hz；故障开始时间0.305s，故障持续时间0.2s；故障类型：三相对称电压跌落50％。
1.在0s-0.305s内，电网电压正常，检测装置输出触发信号置0，反向并联的绝缘门极双极型晶体管门极保持导通信号，两个桥臂第一绝缘门极双极型晶体管IGBT1同时导通，第二绝缘门极双极型晶体管IGBT2闭锁，DVR的单相H桥逆变器保持闭锁。配电网功率直接供给负载，电网电压与负载电压相同。
2.0.302s时，电网发生电网跌落，电网电压峰值跌至原峰值的50％(如图3和4的Ugrid电压波形图所示)，检测装置输出触发信号立即置1，反向并联的绝缘门极双极型晶体管门极的持续信号变为关断，同时，单相H桥逆变器在反向并联绝缘门极双极型晶体管的两端输出一个与当前绝缘门极双极型晶体管电流方向相反的电压脉冲(宽度1毫秒)，绝缘门极双极型晶体管在1毫秒内被强制关断，DVR控制系统进入正常工作状态，因此负载电压在0.302s时出现短时暂降，如图3和4所示Uload电压波形图所示。
3.0.505s时，电网电压恢复正常，检测装置输出触发信号置零，两个桥臂第一绝缘门极双极型晶体管IGBT1同时导通，下管闭锁，DVR停止工作。
实施案例二：
为了进一步验证本装置的工程实用性，建立了由DVR、异步电动机及电压跌落发生器组成的实验平台，如图6和7给出了电网电压跌落开始和结束时刻的展开波形。
信源1为电网电压，信源2为DVR输出电压，信源3为负载端电压；运行过程中，电网电压出现了时间跨度约为1s的跌落，其峰值从300V跌落到110V，电压跌落发生后，DVR迅速响应，将负载端电压维持在正常状态下的水平。
实验波形证实，在电网电压跌落至额定值30％的工况下，DVR在2ms之内完成了响应，并且没有出现系统欠阻尼易引起的电压振荡现象，动态特性良好，稳定后的补偿效果验证了DVR良好的稳态性能，在故障期间对负载端电压起到了很好的维持作用，实验中负载电动机始终稳定运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种配电网动态电压稳定器的控制策略，其特征在于：配电网动态电压稳定器包括隔离变压器、单相不控整流桥、直流母线电容、单相H桥逆变器、低通电感电容滤波器和旁路开关；所述隔离变压器的原边与电网相连，副边与单相不控整流桥的交流侧相连，所述单相不控整流桥、直流母线电容和单相H桥逆变器并联，所述单相H桥逆变器的交流侧与低通电感电容滤波器相连，所述旁路开关与低通电感电容滤波器的电容并联；
在传统比例谐振控制中引入半周期Posicast控制方法；具体步骤为，
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