CN106936143B - 一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，该方法包括以下步骤：将三相电网电压、负载电压、负载电流由三相ABC交流坐标系变换到两相dq旋转坐标系，坐标变换需要的相位信息由对电网电压的锁相获得；坐标变换后，得到电网电压、负载电压及负载电流的交流分量和直流分量，经低通滤波器后，滤除变量中的交流分量；根据滤波后的直流分量和瞬时功率理论，计算网侧基波有功电流；将网侧基波有功电流与直流母线电压调节结果叠加得到三相网侧基准电流幅值。本发明方法不仅能够改善网侧三相电流平衡度、减小直流母线电压波动，还能提高系统的动态响应速度，克服了直流母线电压环对稳态控制效果差及动态响应速度慢的缺点。

Description

一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域和电力系统领域，尤其涉及一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，用于对电网电能质量进行控制。

背景技术

目前，国内的低压配电系统广泛的采用三相四线制，这种系统三相之间可以相互独立运行。三相回路带不平衡负载时，网侧三相电流也会出现不平衡状态，导致网侧中线流过电流，负载不平衡程度越大，网侧中线电流就越大。三相四线制系统中，一般会选择网侧中线作为主电路和控制电路的参考地，网侧中线有电流流过时，中线电位不为零，导致参考地发生偏移，不仅影响控制精度和效果，还会使三相电压出现不平衡状态，导致相电压不同程度的高于或低于额定电压，造成用电设备的损坏。

统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)系统中为了克服不平衡负载对网侧中线电位偏移的影响，要求对网侧电流加以控制，使三相网侧电流在不平衡负载状态下保持平衡的状态。当UPQC带不平衡最为严重的单相负载时，直流母线电压波动最大。在现有控制技术中，UPQC只是通过单一调节直流母线电压方法来实现网侧三相电流的平衡，该控制方法的缺陷体现在稳态和动态两方面。稳态方面：由于系统只带单相负载，直流母线电压会出现较大的波动，而直流电压的控制结果是网侧电流幅值基准，这会直接影响到网侧三相电流的平衡度。如果母线电压波动超出一定范围还会影响负载电压的控制效果，降低整个系统的运行稳定度和运行指标；动态方面：一般直流母线电压为外环所控制，其控制环路的带宽较低，会造成系统动态响应速度较慢。

为了克服UPQC现有控制技术中直流母线电压环在所述稳态与动态两方面的缺点，本发明提出了一种基于负载基波有功电流配比补偿算法，将所述算法与直流母线电压外环叠加，不仅可以保证不平衡负载时网侧电流的平衡控制，减小直流母线电压波动，还可以保证系统具有较快的动态响应速度。本发明方法具有很重要的学术价值和非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于解决UPQC现有控制技术中直流母线电压环对网侧三相电流平衡度控制效果差、直流母线电压波动大以及动态响应速度慢的问题，提供一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，尤其是在不平衡负载条件下，本发明方法优势更为明显。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压v_Sabc、三相负载电压v_Labc和三相负载电流i_Labc由三相静止ABC交流坐标系变换到两相dq旋转坐标系，坐标变换需要的相位信息ωt由对三相电网电压v_Sabc的锁相(Phase-Locked Loop,PLL)得到；

步骤2，坐标变换后，电网电压为负载电压为负载电流为经低通滤波器后，滤除变量中的交流分量和其中 和为直流分量，代表基波有功电压和电流；和为交流分量，代表谐波电压和电流；

步骤3，滤波后得到直流分量和根据网侧基波有功功率与负载侧基波有功功率相等，计算网侧基波有功电流

步骤4，直流母线电压经PI调节器调节后得到其目的是为稳定母线电压及维持系统内部损耗；

步骤5，负载基波有功电流配比补偿算法具体为：将网侧基波有功电流与直流母线电压调节结果叠加得到三相网侧基准电流幅值I_dref。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明方法不仅能够改善网侧三相电流平衡度、减小直流母线电压波动，还能提高系统的动态响应速度，克服了现有控制技术中直流母线电压环对稳态控制效果差及动态响应速度慢的缺点。

本发明可实现负载平衡及100％不平衡条件下的网侧电流三相平衡输入，从而使网侧中线电流为零，不会产生因带不平衡负载而引起的网侧中性点电位偏移，克服了UPQC现有控制技术中直流母线电压波动大、网侧电流不平衡度差及动态响应速度慢的缺点。

附图说明

图1为三相四线制UPQC电路拓扑图；

图2为本发明方法的串联变换器控制原理图；

图3为本发明方法的并联变换器控制原理图；

图4为现有技术中的单相负载时网侧电流仿真图；

图5为本发明方法的单相负载时网侧电流仿真图；

图6为现有技术中的网侧与负载侧中线电流仿真图；

图7为本发明方法的网侧与负载侧中线电流仿真图；

图8为现有技术中的单相负载时直流母线电压仿真图；

图9为本发明方法的单相负载时直流母线电压仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的技术方案，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压v_Sa、v_Sb、v_Sc，三相负载电压v_La、v_Lb、v_Lc，三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc由三相静止ABC交流坐标系变换到两相dq旋转坐标系，坐标变换需要的相位信息ωt由对三相电网电压v_Sa、v_Sb、v_Sc的锁相(PLL)得到；

为了更清晰的阐述本发明控制方法的工作原理，现以三相四相制UPQC为例，其电路拓扑图如图1所示。在电路拓扑图中，串联变换器由第一IGBT器件Q₁～第六IGBT器件Q₆组成，通过变压器T_rabc串联在主路中；并联变换器由第七IGBT器件Q₇～第十二IGBT器件Q₁₂组成，通过电感L_par并联到主路中。v_Sa、v_Sb和v_Sc为三相电网电压；i_Sa、i_Sb和i_Sc为三相电网电流；S_a、S_b和S_c为主路三相反并联可控硅；L_s和C_s为输入滤波电感和输入滤波电容，用来消除电网中的高次谐波；L_sera、L_serb和L_serc为串联变换器滤波电感；i_sera、i_serb和i_serc为串联变换器输出电流；L_para、L_parb和L_parc以及C_para、C_parb和C_parc分别为并联变换器的滤波电感和滤波电容；i_para、i_parb和i_parc为并联变换器输出电流；C_dc1和C_dc2分别为直流正负母线电容；v_La、v_Lb和v_Lc为三相负载电压；i_La、i_Lb和i_Lc为三相负载电流；Z_a、Z_b和Z_c为系统输出负载；变压器T_ra、T_rb和T_rc与主路相连侧为一次侧，与变换器相连侧为二次侧。

串联变换器被控制为一个正弦电流源，直接控制网侧电流，使其与电网电压同频同相，实现单位功率因数，同时稳定直流母线电压；并联变换器被控制为一个正弦电压源，直接控制负载电压使其为稳定纯净的正弦电压。串联变换器具有电流源的特性，其输出阻抗对电压谐波较大，隔断了电网与负载之间的相互污染；并联变换器具有电压源的特性，其输出阻抗对电流谐波较小，为负载提供所需无功和谐波。

设三相平衡电网电压幅值为V_m，基波角频率为ω，则三相电网电压可以表示为：

由三相静止ABC坐标系变换到两相旋转dq坐标系，具体为：

其中，x_A、x_B和x_C分别表示三相静止ABC交流坐标系下电压或电流分量；x_d和x_q分别表示两相dq旋转坐标系下电压或电流分量；ωt由对电网电压的锁相(PLL)获得。

步骤2，坐标变换后，电网电压为负载电压为负载电流为经低通滤波器后，滤除变量中的交流分量和

图2为本发明方法的串联变换器控制原理图，虚线框内为本发明的负载基波有功电流配比补偿算法，而现有技术中并不包含本发明内容，只包含一个直流母线电压外环。

三相电网电压v_Sabc、三相负载电压v_Labc及三相负载电流i_Labc经ABC-dq变换后分别得到均含有直流分量和交流分量的电网电压、负载电压和负载电流：

和为直流分量，代表基波有功电压和电流，和为交流分量，代表谐波电压和电流。一般情况下，电网电压含有一定量谐波并带有不平衡现象，经dq变换后电网电压含有交流分量为若负载为非线性负载，那么负载电压和电流经dq变换后一定是含有交流分量和电网电压和负载电流的畸变是不可控的，是由电网本身和负载性质决定的，这就会造成功率的波动，对计算网侧电流基准产生误差，因此，采用低通滤波器(LPF-low passfilter)将电压和电流中的交流分量滤除。

LPF的传递函数为：

τ与LPF的截止频率有关。

步骤3，滤波后得到直流分量和根据网侧基波有功功率与负载侧基波有功功率相等，计算网侧基波有功电流

网侧基波有功功率与负载侧基波有功功率相等，根据瞬时功率理论可得：

进一步有：

网侧基波有功电流为：

步骤4，直流母线电压经PI调节器调节后得到其目的是为稳定母线电压及维持系统内部损耗。

为直流母线电压调节结果，其含义是：直流母线电压之所以能够稳定在800V上就是由于直流母线电压环的存在，是直流母线电压环调节后的输出值。

步骤5，负载基波有功电流配比补偿算法具体为：将网侧基波有功电流与直流母线电压调节结果叠加得到三相网侧基准电流幅值I_dref。

将计算得到的基波有功电流与直流母线电压v_dc(v_dc++v_dc-)经PI调节后得到的结果相叠加，实现了负载基波有功电流配比补偿算法。三相网侧基准电流幅值为：

三相网侧基准电流分别为：

串联变换器输出电流i_serabc与网侧电流i_Sabc的关系为：

式中n＝N₂:N₁，为变压器二次侧与一次侧匝比。

为了控制两组母线电压的平衡，控制环路中还加入了均压环，将其调节结果Δi_d1引入到电流基准上。为了消除变压器压差对串联变换器的影响，控制环路中加入了变压器压差前馈，有：

在串联变换器的控制下，网侧中线电流为：i_SN＝0

并联变换器的主要任务是稳定负载电压，提供负载所需的谐波和无功。图3所示为本发明方法的并联变换器控制原理图，i_2abc为电感L_parabc的电流，K_PWM为变换器的增益。

电压基准为：

电流Δi_abc对控制环路来说是一个扰动量，本发明采用电流前馈来消除扰动量的影响。根据UPQC采样点的位置，电流扰动量Δi_abc是由负载电流和串联变换器输出电流得到的：

负载侧中线电流为：i_LN＝i_La+i_Lb+i_Lc

图4～图9中在0.05s时系统加入单相负载的效果对比图。

现有控制技术中并不加入负载基波有功电流配比补偿算法，图4为现有技术的单相负载时网侧电流仿真图。从图4看出，利用现有控制技术对系统进行控制，网侧三相电流i_Sabc平衡度较差。而使用本发明的控制方法，网侧三相电流i_Sabc平衡明显优于现有技术的控制效果，如图5所示的本发明方法的单相负载时网侧电流仿真图。

在现有技术控制方法下，由于网侧三相电流i_Sabc平衡度较差，这就导致网侧中线电流i_SN较大，如图6所示的现有技术中的网侧与负载侧中线电流仿真图。而采用本发明的控制方法，网侧中线电流i_SN较小，如图7所示的本发明方法的网侧与负载侧中线电流仿真图，因此对网侧中性点电位影响很小。图6和图7中的负载侧中线电流i_LN等于单相负载电流。

现有技术对直流母线电压的控制如图8所示，加载时母线电压跌落至750V，而且母线电压恢复时间长，在仿真0.3s结束时仍没有恢复到800V。本发明方法对直流母线电压的控制如图9所示，加载时母线电压跌落至759V，且恢复时间明显快于现有技术控制方法，在0.16s时恢复到稳定状态。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种统一电能质量调节器网侧电流平衡控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压(v_Sabc)、三相负载电压(v_Labc)和三相负载电流(i_Labc)由三相静止ABC交流坐标系变换到两相dq旋转坐标系，三相静止ABC交流坐标系变换到两相dq旋转坐标系，具体为：

其中，x_A、x_B和x_C分别表示三相静止ABC交流坐标系下电压或电流分量；x_d和x_q分别表示两相dq旋转坐标系下电压或电流分量;

坐标变换需要的相位信息(ωt)由对三相电网电压(v_Sabc)的锁相得到；

步骤2，坐标变换后，电网电压为负载电压为负载电流为可表示为：

其中，和为直流分量，代表基波有功电压和电流，和为交流分量，代表谐波电压和电流；

经低通滤波器后，滤除变量中的交流分量和

步骤3，滤波后得到直流分量和根据网侧基波有功功率与负载侧基波有功功率相等，计算网侧基波有功电流

依据瞬时功率理论可得：

进一步有：

网侧基波有功电流为：

步骤4，直流母线电压经PI调节器调节后得到其目的是为稳定母线电压及维持系统内部损耗；

步骤5，负载基波有功电流配比补偿算法具体为：将网侧基波有功电流与直流母线电压调节结果叠加得到三相网侧基准电流幅值：

其中，为直流母线电压控制环路中PI调节器输出的控制量；

三相网侧基准电流分别为：