CN107069748B - 采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统及方法,包括:检测跌落前后的电网电压、电流的幅值和相位参数;通过最小电流注入算法计算动态电压恢复器完全补偿电网电压跌落的最小补偿电流对应的补偿电压参考;将得到的补偿电压参考通过电压控制环,输出补偿电流参考;补偿电流参考经过电流控制环,输出进入SPWM信号发生器产生控制开关信号。本发明有益效果:可以实现在深度跌落情况下,电网电压的完全补偿,保护敏感负载的正常运行;动态电压恢复器输出电流不超过器件允许的最大电流,且迅速地完全补偿电压跌落,并且不会产生电压跳变。
Description
技术领域
本发明涉及配电网动态电压恢复器的补偿控制技术领域,尤其涉及一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统及方法。
背景技术
由于配电网的日益复杂以及分布式发电单元的大量接入,用户侧出现了越来越多的稳态及瞬态的电压问题,例如电压暂降,突升和谐波。这些问题会损坏敏感负载,造成经济损失。动态电压恢复器是解决这一类问题的理想设备,它通过在网侧与负载之间注入一补偿电压来动态的恢复电网电压,降低电网畸变。常见的一种动态电压恢复器拓扑由H桥结构电压源逆变器,滤波器,串联交流电容和旁路单元四部分组成。如图1所示。
常见的动态电压恢复器的补偿控制方法主要有同相补偿、超前补偿和功率最优补偿等方法。同相补偿方法能够补偿负载电压幅值,补偿电压的相位和网侧一致。超前补偿方法能够应对电压暂降时发生的相位跳变,动态调整补偿电压幅值和相位,保证负载电压的稳定。功率最优补偿方法能够在补偿电网的电压暂降的同时最大效率利用直流母线的储能,延长补偿时间。但是上述三种补偿控制方法均没有考虑动态电压恢复器输出电流峰值的限制,无法在深度跌落时实现完全补偿。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题,对于动态电压恢复器在电网电压深度跌落时,受限于其开关器件的最大允许电流,不能完全补偿负载电压的情况下,提供了一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统及方法,该系统及方法在深度跌落发生时,能够进行完全补偿,保护敏感负载的正常运行。在本发明所提出的补偿方式下,动态电压恢复器输出电流不超过器件允许的最大电流,且迅速地完全补偿电压跌落,并且不会产生电压跳变。
为实现上述目的,本发明的具体方案如下:
一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统,包括:电网跌落检测模块、补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环;所述电网跌落检测模块与补偿电压计算模块连接,所述补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环依次连接;
所述电压控制环包括:加法器和电压控制环PR调节器连接;
所述电流控制环包括:自适应限幅器、加法器和电流控制环PR调节器;所述自适应限幅器的输出连接加法器,所述加法器连接电流控制环PR调节器。
进一步地,在所述电压控制环和电流控制环之间连接谐波提取模块。
一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,包括以下步骤:
(1)检测跌落前后的电网电压、电流的幅值和相位参数;
(2)根据上述检测到的参数,通过最小电流注入算法计算动态电压恢复器完全补偿电网电压跌落的最小补偿电流对应的补偿电压参考;
(3)将得到的补偿电压参考通过电压控制环,输出补偿电流参考;
(4)补偿电流参考先进入自适应限幅器,输出限幅后的补偿电流参考,即为自适应限幅后输出基波补偿电流参考,与输出特定次谐波补偿电流参考相加即为动态电压恢复器总输出补偿电流参考,该参考与动态电压恢复器实际输出电流之差进行PR调节,输出进入SPWM信号发生器产生控制开关信号。
进一步地,所述步骤(2)中的补偿电压参考具体为:
Vsag,ref=VDVR∠θDVR;
其中,
式中,VDVR为最小电流注入法的补偿电压幅值,θDVR为最小电流注入法的补偿电压相位;V* g表示跌落后的电网电压,Vs是负载电压,γ为最小补偿电流与负载电流相位夹角,为负载功率因数角、δ为电压跌落时相位跳变角。
进一步地,所述步骤(3)的具体方法为:
将步骤(2)中得到的补偿电压参考与设定电压之差输入电压控制环PR调节器,电压控制环PR调节器输出补偿电流参考。
进一步地,PR调节器输出的补偿电流参考具体为:
其中,ωh是基波及特定次谐波频率,ωc是截止频率,Kih是控制器积分系数,Kp1是控制器比例系数,Vsag,ref为补偿电压参考,VDVR为最小电流注入法的补偿电压幅值。
进一步地,所述自适应限幅器通过自适应限幅系数Glimit来限制电流峰值。
进一步地,限幅后的补偿电流参考具体如下:
其中,IDVR,f,inner是动态电压恢复器输出基波补偿电流参考、IDVR,max为动态电压恢复器输出最大允许电流。
进一步地,所述步骤(3)中输出的补偿电流参考经过谐波提取后进入电流控制环。
进一步地,电流控制环PR调节器输出具体为:
其中,ωh是基波及特定次谐波频率,ωc是截止频率,Kih是控制器积分系数,Kp2是控制器比例系数;I* DVR,f是自适应限幅后输出基波补偿电流参考、I* DVR,h是输出特定谐波次补偿电流参考、IDVR是动态电压恢复器输出实际电流。
本发明的有益效果:
(1)本发明可以实现在深度跌落情况下,电网电压的完全补偿;
(2)本发明可以实现动态电压恢复器输出补偿电流不超过最大允许电流;
(3)本发明可以实现补偿过程中,输出补偿电流最小。
(4)通过加入谐波提取模块,还可在补偿跌落的同时实现对电网电压谐波的抑制。
附图说明
图1为动态电压恢复器拓扑图;
图2为动态电压恢复器等效系统框图;
图3传统同相注入补偿法向量图;
图4最小电流注入法向量图;
图5为本发明提出的最小电流注入方法控制框图;
图6(a)为削顶限幅器工作示意图;
图6(b)为自适应限幅器工作示意图;
图7(a)为同相注入法补偿跌落(削顶限幅器)仿真结果;
图7(b)为同相注入法补偿跌落(自适应限幅器)仿真结果;
图8为最小电流注入发补偿跌落的仿真结果。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明进行详细说明:
以如图1所示动态电压恢复器拓扑阐述补偿电压跌落控制方法。
动态电压恢复器拓扑由H桥结构电压源逆变器,滤波器,串联交流电容和旁路单元四部分组成,以串联形式接入在电网与负载之间。图2为动态电压恢复器的等效系统框图,通过注入相应的补偿电压来使电压恢复。
本发明中采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统包括:电网跌落检测模块、补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环;电网跌落检测模块与补偿电压计算模块连接,补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环依次连接;
电压控制环包括:加法器和电压控制环PR调节器连接;电流控制环包括:自适应限幅器、加法器和电流控制环PR调节器;所述自适应限幅器的输出连接加法器,所述加法器连接电流控制环PR调节器。在电压控制环和电流控制环之间连接谐波提取模块。通过加入谐波提取模块,还可在补偿跌落的同时实现对电网电压谐波的抑制。
本发明中采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法主要包括以下内容:
(1)检测跌落前后的电网电压、电流的幅值和相位参数;
(2)根据上述检测到的参数,通过最小电流注入算法计算动态电压恢复器完全补偿电网电压跌落的最小补偿电流对应的补偿电压参考;
(3)将步骤(2)中得到的补偿电压参考与设定电压之差输入电压控制环PR调节器,电压控制环PR调节器输出补偿电流参考;
(4)补偿电流参考先进入自适应限幅器,输出限幅后的补偿电流参考,即为自适应限幅后输出基波补偿电流参考,与输出特定次谐波补偿电流参考相加即为动态电压恢复器总输出补偿电流参考,该参考与动态电压恢复器实际输出电流之差输入电流控制环PR调节器,电流控制环PR调节器输出进入SPWM信号发生器产生控制开关信号。
在本发明中,最小电流注入法的各矢量对应关系如图4所示,其中Vg和V* g表示跌落前后的电网电压,Vs是负载电压,I* g为跌落后的负载电流,Cf为动态电压恢复器的串联电容。补偿后电网电压相位由下式给出:
其中,γ可用于求解最小电流注入法的补偿电压幅值和相位,由下式可得:
由上述两式可得补偿电压参考,如下式所示:
Vsag,ref=VDVR∠θDVR (5)
由图4向量关系可知,该补偿电压参考即对应最小补偿电流。利用向量关系进一步求解出最小电流注入法的最小补偿电流,如下式所示:
其中,
同样作为对比,可以得到传统的同相注入补偿法的补偿电流,如图3所示。即下式:
由式(6)和(7)可得,在完全补偿时,同相注入补偿法与本发明的最小电流注入法所需的补偿电流相比,本发明完成电压补偿所需的补偿电流均小于传统方法,尤其在功率因数低,电压深度跌落的情况下,本发明相比于传统补偿方法有较大优势。
本发明提出的最小电流注入方法控制框图如图5所示,上述补偿电压参考计算模块,电网检测模块位于图5上方,输出补偿电压参考进入控制闭环。其中电压环采用PR控制器,如下式:
其中,ωh是基波及特定次谐波频率,ωc是截止频率,Kih是控制器积分系数,Kp1是控制器比例系数。
电压电流闭环控制框图位于图5下方,与传统控制方法不同,在电流环中,加入了一个电流限幅器。传统的限幅器如图6(a)所示,为削顶限幅,即电流达到上限后就限制为上限值。如下式所示:
这种方式简单,易实现,但是会在补偿电压的同时引入大量谐波,对敏感负荷产生危害。
本发明中所使用的自适应限幅器通过自适应限幅系数Glimit来限制电流峰值,控制示意图见图6(b),如下式所示:
通过该系数的自适应调整,使得补偿电流始终低于最大允许电流。在该电流环中同样采用PR控制器,在本发明中,通过加入谐波提取模块,还可在补偿跌落的同时实现对电网电压谐波的抑制。如下式:
本发明中所提出的最小电流注入方法可以显著减小补偿电流,在完全补偿电压跌落的同时还能够抑制电网电压谐波。
在MATLAB/Simulink 2014b中,仿真模型参数如下表所示:
电压跌落发生在t=0.06s,持续8个周波,电压跌落深度为75%。该动态电压恢复器的输出补偿电流上限设为50A。图7(a)为传统同相注入补偿法采用削顶限幅器的补偿仿真结果。通过仿真可知,该方法的补偿电流由于超过所设补偿电流上限被削顶,使得补偿后的负载电压发生畸变,含有大量三次谐波成分。传统同相注入补偿法采用自适应限幅器的补偿仿真结果,如图7(b)所示。通过仿真可知,更换限幅器后,补偿电流经限幅系数等比例减小后,补偿电压并没有使负载电压发生畸变,但是电网电压并没有被完全补偿,补偿效果欠佳。
图8为本发明所提的最小电流注入补偿控制方法的补偿仿真结果。通过仿真可知,补偿电流不超过最大允许电流,且能够完全补偿电网电压深度跌落,补偿效果好。
通过以上仿真结果可知,本发明所提出的采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法可以有效降低补偿电流,实现在深度跌落情况下对电网电压的快速完全补偿。
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 (7)
1.一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,该方法基于一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制系统,所述系统包括:电网跌落检测模块、补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环;所述电网跌落检测模块与补偿电压计算模块连接,所述补偿电压计算模块、电压控制环和电流控制环依次连接;
所述电压控制环包括:加法器和电压控制环PR调节器连接;
所述电流控制环包括:自适应限幅器、加法器和电流控制环PR调节器;所述自适应限幅器的输出连接加法器,所述加法器连接电流控制环PR调节器;
所述的方法包括以下步骤:
(1)检测跌落前后的电网电压、电流的幅值和相位参数;
(2)根据上述检测到的参数,通过最小电流注入算法计算动态电压恢复器完全补偿电网电压跌落的最小补偿电流对应的补偿电压参考;
补偿电压参考具体为:
Vsag,ref=VDVR∠θDVR;
其中,
式中,VDVR为最小电流注入法的补偿电压幅值,θDVR为最小电流注入法的补偿电压相位;V* g表示跌落后的电网电压,Vs是负载电压,γ为最小补偿电流与负载电流相位夹角,为负载功率因数角、δ为电压跌落时相位跳变角;
(3)将得到的补偿电压参考通过电压控制环,输出补偿电流参考;
(4)补偿电流参考先进入自适应限幅器,输出限幅后的补偿电流参考,即为自适应限幅后输出基波补偿电流参考,与输出特定次谐波补偿电流参考相加即为动态电压恢复器总输出补偿电流参考,该参考与动态电压恢复器实际输出电流之差输入电流控制环PR调节器,输出进入SPWM信号发生器产生控制开关信号。
2.如权利要求1所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,所述步骤(3)的具体方法为:
将步骤(2)中得到的补偿电压参考与设定电压之差输入电压控制环PR调节器,电压控制环PR调节器输出补偿电流参考。
3.如权利要求2所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,PR调节器输出的补偿电流参考具体为:
其中,ωh是基波及特定次谐波频率,ωc是截止频率,Kih是控制器积分系数,Kp1是控制器比例系数,Vsag,ref为补偿电压参考,VDVR为最小电流注入法的补偿电压幅值。
4.如权利要求1所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,所述自适应限幅器通过自适应限幅系数Glimit来限制电流峰值。
5.如权利要求1所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,限幅后的补偿电流参考具体如下:
其中,IDVR,f,inner是动态电压恢复器输出基波补偿电流参考、IDVR,max为动态电压恢复器输出最大允许电流,Glimit为自适应限幅系数。
6.如权利要求1所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,所述步骤(3)中输出的补偿电流参考经过谐波提取后进入电流控制环。
7.如权利要求1所述的一种采用最小电流注入法的动态电压恢复器补偿控制方法,其特征在于,电流控制环PR调节器输出具体为:
其中,ωh是基波及特定次谐波频率,ωc是截止频率,Kih是控制器积分系数,Kp2是控制器比例系数;I* DVR,f是自适应限幅后输出基波补偿电流参考、I* DVR,h是输出特定谐波次补偿电流参考、IDVR是动态电压恢复器输出实际电流。
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