CN106374459B - 一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统及控制方法，通过将直流侧电容两端电压和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电容两端电压和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电容两端电压和直流侧电压参考值确定三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈。本发明采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统及控制方法。
背景技术
随着非线性负载的应用日益广泛，电网污染问题日益严重。如何提高电能质量，有效抑制电网中的谐波、无功功率、扰动、闪变等问题，引起了研究人员的广泛关注。许多学者和专家进行了大量的理论和实验研究，致力于研究和开发补偿装置来解决电能质量问题。
通过对电力电子装置本身进行改造或装设补偿装置来解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题。这类装置有单位功率因数变流器、LC无源滤波器以及有源电力滤波器等。
对于电弧炉等引起的电压闪变，可装设静止无功补偿器进行综合治理，常用的静止无功补偿器有饱和电抗器、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器以及它们混合使用的装置等。
对于电压跌落的治理主要有两种方法：一是故障发生后迅速切断与故障点的联系，同时将负荷切换到另一路供电线路上。一般而言，采用电力电子器件作为开关将比机械断路器速度快，这方面的主要器件有固态断路器、固态切换开关等。二是采用动态电压恢复器，当电压跌落式利用储能元件中的能量进行补偿。
然而，随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，几种电能质量问题在同一配电系统中或在同一用电负荷中同时出现的情况越来越多。例如，对于同一配电母线上既有电压敏感负荷，又有非线性负荷，还有冲击负荷的情况下，就需要同时安装电压补偿装置和电流补偿装置。若针对每一种电能质量问题都分别采用一种类型的调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性，既不经济，也不现实。综合型电能质量调节装置的研究便由此产生。日本学者赤木泰文在1996年首次提出了统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)的概念。在这种系统中，一个并联变流器和一个串联变流器通过公共的直流母线组合到一起，既能补偿负载引起的谐波、无功电流问题，又能补偿电源电压骤升、骤降、不对称、闪边、波动等电能质量问题，是一种具有综合功能的电能质量调节器，是用户电力技术发展的最新趋势。
统一电能质量调节器并联侧可以补偿非线性负载引起的电流谐波及无功功率，串联侧可以补偿电网电压的暂降及谐波。本设计并联侧采用双闭环控制方式，该方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠。串联侧各相采用简单的单电压环控制方式。从而三相统一电能质量调节器控制系统如图1所示。
尽管此控制系统有上述优点，但实验显示其控制效果，尤其谐波电流治理效果并不理想，有必要对现有控制方法进行改进，以提高统一电能质量调节器的电压和电流谐波抑制能力。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统及控制方法，本发明自抗扰控制技术，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，并联侧采用双闭环控制方式，将直流侧电容两端电压和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电容两端电压和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电容两端电压和直流侧电压参考值确定三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈，以消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响。
一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，具体包括：
自抗扰控制器，被配置为采集直流侧电容两端电压和电压参考值，检测三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，以消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
锁相环，被配置为检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
乘法器，被配置为接收自抗扰控制器控制电流的三分之一和锁相环的输出值，得到电网侧电流的参考值；
电流比较器，被配置为与电网侧线路和乘法器的输出连接，通过检测电网侧电流实际值，计算电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
PWM驱动电路，被配置为接收电流比较器的计算结果，并根据计算结果确定并输出驱动信号；
并联变流器，被配置为受PWM驱动电路控制动作，根据驱动信号向负载侧输出对应相补偿电流；
串联变流器，被配置为与并联变流器通过公共的直流母线连接，且受驱动控制器驱动；
驱动控制器，被配置为根据串联变流器侧的相变压器两端电压参考值和相变压器对应两端电压值确定串联变流器的开关管驱动方式。
所述自抗扰控制器包括扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。
所述电流比较器包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和乘法器的输出相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。
所述并联变流器包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
一种基于上述系统的控制方法，包括以下步骤：
1)在并联侧采用自抗扰控制采集直流侧电压实际值和电压参考值，以检测三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
2)采用锁相环检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
3)将步骤1)的控制电流的三分之一和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；
4)检测电网侧电流实际值，与所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值，计算驱动信号，并驱动三相有源电力滤波器主电路向负载侧输出对应相的补偿电流。
所述自抗扰控制包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。
所述扩张状态观测器设置控制参数b0和高增益调整参数ε，观测输出三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，所述控制参数的取值满足被控三相有源电力滤波器的控制要求，所述高增益调整参数的取值满足扩张状态观测器的稳定性要求。
所述观测器反馈控制回路设置控制参数b0、比例增益参数Kp和积分增益参数KI，生成控制电流；控制参数的取值满足被控三相有源电力滤波器的控制要求，比例增益参数取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。
本发明的有益效果为：
(1)采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差；
(2)有效地降低了网侧电流谐波畸变率，提高了控制性能，极大地提升了三相有源电力滤波器的动态性能，提高了三相有源电力滤波器的谐波抑制能力；
(3)估计系统内部未建模动态和外部扰动等不确定性，避免因忽略非线性因素而造成的误差。
附图说明
图1为现有的三相统一电能质量调节器控制系统示意图；
图2为自抗扰控制器结构示意图；
图3为本发明的自抗扰控制器结构示意图；
图4为本发明的三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统示意图；
图5为PI控制系统下的网侧电流示意图；
图6为自抗扰控制系统下的网侧电流示意图；
图7为PI控制系统下的负载电压示意图；
图8为自抗扰控制系统下的负载电压示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
统一电能质量调节器并联侧可以补偿非线性负载引起的电流谐波及无功功率，串联侧可以补偿电网电压的暂降及谐波。本设计并联侧采用双闭环控制方式，该方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠。串联侧各相采用简单的单电压环控制方式。从而三相统一电能质量调节器控制系统如图1所示。
其中，Vdc是直流侧电容两端电压，Vdcref是直流侧电压参考值，vsa(bc)是A(B、C)相电网电压，isa(bc)是A(B、C)相电网侧电流，isa(bc)ref是A(B、C)相网侧电流参考值，iLa(bc)是A(B、C)相负载电流，ica(bc)是并联侧A(B、C)相补偿电流，vLa(bc)ref是A(B、C)相理想负载电压参考值，dua(bc)ref是A(B、C)相变压器两端电压参考值，dua(bc)是A(B、C)相变压器两端电压，iua(bc)是串联侧A(B、C)相输出电流。
尽管此控制系统有上述优点，但实验显示其控制效果，尤其谐波电流治理效果并不理想，有必要对现有控制方法进行改进，以提高统一电能质量调节器的电压和电流谐波抑制能力。为了解决问题，实现目标，引入了自抗扰控制技术。
自抗扰控制器是基于对现代控制理论过多地依赖于系统数学模型的反思，并吸收了PID控制的思想精髓而提出的一种不依赖系统精确模型的控制方法，可以用来处理系统非线性、大不确定性和外部扰动等问题。
自抗扰控制器由三个主要环节组成：跟踪微分器、扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制，如图2所示。
跟踪微分器是为了改进PID控制中D不能物理实现的局限性而提出的。因为在许多情况下，PID中的D不便于直接测量或直接测量代价太大，同时经典差分方法在提取噪声污染信号的微分时通常会将噪声放大，PID控制在很多情况下其实只是PI控制。跟踪微分器对噪声污染的鲁棒性可以克服这一缺陷。
扩张状态观测器是普通状态观测器的推广。其不同之处在于普通观测器是通过系统输出的部分状态来估计其余状态，扩张状态观测器则不仅可以估计系统的状态，还可以估计系统内部未建模动态和外部扰动等不确定性。这是扩张状态观测器名称的来源，同时也在一定程度上解释了为什么自抗扰控制器不依赖于精确的数学模型。
本设计采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。
三相统一电能质量调节器的自抗扰控制：
根据直流侧与两个变换器输出电流之间的关系，可得
其中SPa(bc)、SSa(bc)分别为并联侧和串联侧各相开关函数，f为非线性因素等扰动，化简可得
式中，u为控制量，b为控制参数，ω为系统总扰动。
由于直流侧电压参考值为一常数，从而在设计过程中省去跟踪微分器。扩张状态观测器设计为:
其中，控制参数的标称值b0取值为1000，高增益调整参数ε＝0.01。
基于观测器的反馈控制设计为：
其中，kp＝0.12，kI＝0.12。至此，自抗扰控制系统设计完成。三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统如图4所示。
为了验证该设计的实用性，在MATLAB仿真平台进行了实验。设备参数为：电网电源380V、50Hz交流电源，负载为三相不控全桥整流电路，直流侧电容10000μF，并联侧各相滤波电感3mH，串联侧各相滤波电感3mH。
实验结果如图5-图8所示，当负载为非线性负载且电网电压发生跌落和畸变时，经使用该软件的统一电能质量调节器处理后，网侧电流的总谐波畸变率(THD)由原来的3.11％降为1.52％，负载电压的THD由原来的2.11％降为0.98％。自抗扰控制系统的使用极大地提升了统一电能质量调节器的谐波治理能力。
并联侧采用双闭环，串联侧各相使用单闭环控制的三相相统一电能质量调节器算法简单、易于实现、经济可靠，但其直流侧使用传统的PI控制器，使得控制效果不够理想。针对这一问题，设计了三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，达到了理想的控制效果：在负载为非线性负载，且电网电压发生跌落和畸变时，通过使用该设计的统一电能质量调节器处理后，网侧电流的总谐波畸变率(THD)由原来的3.11％降为1.52％，负载电压的THD由原来的2.11％降为0.98％。自抗扰控制系统的使用极大地提升了统一电能质量调节器的谐波治理能力。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，并联侧采用双闭环控制方式，将直流侧电压实际值和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电压实际值和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电压实际值和直流侧电压参考值确定三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈，以消除三相统一电能质量调节器的非线性和外部扰动带来的影响，其特征是：具体包括：
自抗扰控制器，被配置为采集直流侧电压实际值和电压参考值，检测三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，以消除三相统一电能质量调节器的非线性和外部扰动带来的影响；
锁相环，被配置为检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
乘法器，被配置为接收自抗扰控制器控制电流的三分之一和锁相环的输出值，得到电网侧电流的参考值；
电流比较器，被配置为与电网侧线路和乘法器的输出连接，通过检测电网侧电流实际值，计算电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
PWM驱动电路，被配置为接收电流比较器的计算结果，并根据计算结果确定并输出驱动信号；
并联变流器，被配置为受PWM驱动电路控制动作，根据驱动信号向负载侧输出对应相补偿电流；
串联变流器，被配置为与并联变流器通过公共的直流母线连接，且受驱动控制器驱动；
驱动控制器，被配置为根据串联变流器侧的相变压器两端电压参考值和相变压器对应两端电压值确定串联变流器的开关管驱动方式。
2.如权利要求1所述的一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，其特征是：所述自抗扰控制器包括扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。
3.如权利要求1所述的一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，其特征是：所述电流比较器包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和乘法器的输出相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。
4.如权利要求1所述的一种三相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，其特征是：所述并联变流器包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
5.一种基于如权利要求1-4中任一项所述的系统的控制方法，其特征是：包括以下步骤：
1)在并联侧采用自抗扰控制采集直流侧电压实际值和电压参考值，以检测三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，消除三相统一电能质量调节器的非线性和外部扰动带来的影响；
2)采用锁相环检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
3)将步骤1)的控制电流的三分之一和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；
4)检测电网侧电流实际值，与所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值，计算驱动信号，并驱动三相统一电能质量调节器主电路向负载侧输出对应相的补偿电流。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征是：所述自抗扰控制包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述扩张状态观测器设置控制参数b0和高增益调整参数ε，观测输出三相统一电能质量调节器的状态量和扰动量，所述控制参数的取值满足被控三相统一电能质量调节器的控制要求，所述高增益调整参数的取值满足扩张状态观测器的稳定性要求。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述观测器反馈控制回路设置控制参数b0、比例增益参数Kp和积分增益参数KI，生成控制电流；控制参数的取值满足被控三相统一电能质量调节器的控制要求，比例增益参数取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。
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