CN107947171A - 一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法，该方法包括以下步骤：⑴采用三相三线制的UPQC拓扑结构图建立同步旋转坐标系下的数学模型；⑵UPQC双闭环电压控制：以串联型三相变流电路作为电压源，输出与负载电压和电网电压差值大小相等方向相反的补偿电压，经双闭环PI控制获得正弦负载电压：⑶以并联型三相变流电路作为电流源，输出与电网电流和负载电流差值大小相等方向相反的补偿电流；⑷设计电流环PI，同时，加入零阶保持器；⑸设计重复控制器：建立重复控制器的传递函数；⑹结合PI控制内环和重复控制器外环，进行复合协调控制，跟踪电流补偿指令，输出补偿电流，间接控制电网输入电流为正弦电流。本发明可有效改善跟踪能力、补偿性能。

Description

一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法

技术领域

本发明涉及电能质量分析与控制领域，尤其涉及一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，大量的电力电子设备被广泛应用在各行各业中，这些电力电子设备的运行给电网造成很大的污染，影响公共电网的电能质量。因电网和用户之间的相互影响，电压质量和电流质量同时出现，单一的电能质量调节装置难以解决供电方和用电方对电能质量提出的新要求。统一电能质量调节器(UPQC)作为一种新型的电能质量补偿装置，同时进行多重电能质量调节，对供电端的电网电压进行电压补偿，补偿电压跌落、电压不平衡、谐波电压等电压质量问题。使得负载电压是与电网电压同相位的标准正弦波。对用电端的负载电流进行电流补偿。补偿谐波电流、无功电流等电流质量问题，使得电网电流是与电网电压同相位的正弦波电流，综合改善电能质量。

目前国内外对UPQC的控制方法的研究主要集中在：双环控制；H∞控制；模型预测控制等控制方法。双环控制在该领域中应用广泛，但由于PI控制跟踪能力差，补偿精度不高，无法精确跟踪UPQC补偿指令。重复控制器可提高系统的稳态性能，但其动态性能较差。针对上述控制缺陷，发明出一种新的双环控制策略，PI控制内环、重复控制器外环的UPQC并联侧双环复合控制策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效改善跟踪能力、补偿性能的统一电能质量调节器的双环复合控制方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法，包括以下步骤：

⑴采用三相三线制的UPQC拓扑结构图建立同步旋转坐标系下的数学模型；其中

串联型三相变流电路数学模型为

，

，

并联型三相变流电路数学模型为

，

式中：是相对直流侧的等效输出增益，和是在同步旋转坐标系下串联侧的电感电流，和为同步旋转坐标系下的补偿电压，为串联侧耦合电感的串联电阻，为d轴输入电流分量，为串联侧q轴的电容电流分量，为串联侧补偿电感，为UPQC直流侧电压，为串联侧d轴的电容电流分量，为q轴的补偿电流分量，为串联滤波电容，为滤波器上q轴的电容电压，为滤波器上d轴的电容电压，和是同步旋转坐标系d轴和q轴上的补偿电流，和为同步旋转坐标系下的负载侧电压，为并联侧耦合电感的串联电阻，为并联侧补偿电感；

⑵UPQC双闭环电压控制：

以所述串联型三相变流电路作为电压源，输出与负载电压和电网电压差值大小相等方向相反的补偿电压，式中为负载电压，为电网电压，为ABC三相所在相组；

然后补偿电网电压中的谐波电压和负序、零序分量，得到与电网电压基波正序分量同相位的正弦波负载电压；最后使用双闭环PI控制，跟踪补偿电压指令，并运用空间矢量调制得到控制触发脉冲信号，输出电压补偿量间接控制补偿电网电压获得正弦负载电压：

式中：为串联侧电压环的d轴电压指令，为串联侧电压环的q轴电压指令，为补偿电压d轴分量，为补偿电压q轴分量，为d轴上电压环的积分系数，为q轴上电压环的积分系数，为d轴上电流环的积分系数，为q轴上电流环的积分系数，为d轴上电流环的比例系数，为q轴上电流环的比例系数，为d轴上电压环的比例系数，为q轴上电压环的比例系数；

⑶以所述并联型三相变流电路作为电流源，输出与电网电流和负载电流差值大小相等方向相反的补偿电流，式中为电网输入电流，为负载电流，为abc三相所在相；

⑷设计电流环PI：

根据UPQC并联侧的被控对象在s域的传递函数，得到UPQC单闭环PI电流控制的闭环传递函数：

式中：为d，q轴上PI控制器的比例系数，为d，q轴上PI控制器的积分系数；

同时，加入零阶保持器，其传递函数为：；

⑸设计重复控制器：

建立重复控制器的传递函数：；其中，；

式中：表示重复控制器内膜；表示补偿器；为周期性延迟环节；为衰减滤波器；是重复控制器增益系数；表示超前环节，用于相位补偿，一般选取；为低通滤波器；

⑹结合PI控制内环和重复控制器外环，进行复合协调控制，跟踪电流补偿指令，输出补偿电流，间接控制电网输入电流为正弦电流。

所述步骤⑴中的三相三线制的UPQC拓扑结构图由一个串联型三相变流电路和一个并联型三相变流电路共用一个直流侧电容组成；其中所述串联型三相变流电路通过耦合变压器串联接在负载与电网之间；所述并联型三相变流电路并联在非线性负载上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用PI控制内环、重复控制器外环的UPQC并联侧双环复合控制策略，降低了UPQC并联侧的跟踪误差，改善了PI控制的稳态性能较差的缺陷。同时，本发明利用指令电流前馈控制，提高UPQC的并联侧系统动态响应速度，增强系统的抗干扰性能。

2、本发明通过理论和仿真证明了双环复合电流控制的UPQC并联侧跟踪误差明显小于单闭环PI控制时的跟踪误差，其跟踪精度明显优于单闭环PI的跟踪精度，因而本发明具有有效性和可行性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的三相三线制的UPQC拓扑结构图。

图2为本发明UPQC在dq轴下的串联型三相变流电路电压控制结构框图。

图3为本发明同步旋转坐标系下并联型三相变流电路电流环控制框图。

图4为本发明UPQC并联侧电流环dq轴独立控制框图。

图5为本发明加入延时一拍和零阶保持器的d轴控制系统结构框图。

图6为本发明离散化控制系统的结构框图。

图7为本发明UPQC并联侧单一PI控制离散系统的频率特性曲线图。

图8为本发明重复控制系统结构框图。

图9为本发明的双环复合控制策略框图。

图10为本发明含谐波的三相负载UPQC的负载电压（）和电网电压（）。

图11为本发明含谐波的三相负载UPQC的串联补偿电压（）。

图12为本发明UPQC三相负载电流（）和电网输入电流（）。

图13为本发明补偿电流（）。

图14为采用本发明双环复合控制的补偿电流跟踪波形图。

图15为PI控制与本发明复合双环控制补偿效果对比图。a：PI控制下UPQC补偿A相电流补偿波形；b：本发明复合双环控制下UPQC补偿A相电流波形。

具体实施方式

一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法，包括以下步骤：

⑴如图1所示三相三线制的UPQC拓扑结构图由一个串联型三相变流电路和一个并联型三相变流电路共用一个直流侧电容组成；其中串联型三相变流电路通过耦合变压器串联接在负载与电网之间，起着补偿电网中畸变电压和调节负载电压幅值的作用，给负载供给三相平衡的正弦电压。并联型三相变流电路并联在非线性负载上，主要用来补偿非线性负载接入电网引起的谐波电流和无功电流，并维持直流侧电容电压稳定，保证电网输入电流是三相平衡正弦电流。

根据基尔霍夫定律，采用三相三线制的UPQC拓扑结构图建立同步旋转坐标系下的数学模型；其中

串联型三相变流电路数学模型为

，

，

并联型三相变流电路数学模型为

，

式中：是相对直流侧的等效输出增益，和是在同步旋转坐标系下串联侧的电感电流，和为同步旋转坐标系下的补偿电压，为串联侧耦合电感的串联电阻，为d轴输入电流分量，为串联侧q轴的电容电流分量，为串联侧补偿电感，为UPQC直流侧电压，为串联侧d轴的电容电流分量，为q轴的补偿电流分量，为串联滤波电容，为滤波器上q轴的电容电压，为滤波器上d轴的电容电压，和是同步旋转坐标系d轴和q轴上的补偿电流，和为同步旋转坐标系下的负载侧电压，为并联侧耦合电感的串联电阻，为并联侧补偿电感。

⑵如图2所示设计UPQC双闭环电压控制：

以串联型三相变流电路作为电压源，输出与负载电压和电网电压差值大小相等方向相反的补偿电压，式中为负载电压，为电网电压，为ABC三相所在相组。

然后补偿电网电压中的谐波电压和负序、零序分量，得到与电网电压基波正序分量同相位的正弦波负载电压。采用基于瞬时无功功率理论的补偿量检测算法（HirofumiAkagi，Edson Hirokazu Watanable, MauricioAredes. Instantaneous Power Theoryand Applications to Power Conditioning [M]. Wiley-IEEE Press，2007）得到补偿电压指令和补偿电流指令。最后使用双闭环PI控制，跟踪补偿电压指令，并运用空间矢量调制得到控制触发脉冲信号，输出电压补偿量间接控制补偿电网电压获得正弦负载电压：

式中：为串联侧电压环的d轴电压指令，为串联侧电压环的q轴电压指令，为补偿电压d轴分量，为补偿电压q轴分量，为d轴上电压环的积分系数，为q轴上电压环的积分系数，为d轴上电流环的积分系数，为q轴上电流环的积分系数，为d轴上电流环的比例系数，为q轴上电流环的比例系数，为d轴上电压环的比例系数，为q轴上电压环的比例系数。

⑶以并联型三相变流电路作为电流源，输出与电网电流和负载电流差值大小相等方向相反的补偿电流，式中为电网输入电流，为负载电流，为abc三相所在相。

⑷如图3、图4所示设计电流环PI：

根据UPQC并联侧的被控对象在s域的传递函数，得到UPQC单闭环PI电流控制的闭环传递函数：

式中：为d，q轴上PI控制器的比例系数，为d，q轴上PI控制器的积分系数；

图3虚线框内是UPQC并联型三相变流电路的平均模型，框图左侧是电流控制器，、是PI电流控制器的d轴和q轴上的传递函数。和是基于瞬时无功功率理论的检测算法计算得到的d轴和q轴上的补偿电流指令，引入状态反馈解耦得到d轴和q轴相互独立的控制系统。其并联型三相变流电路独立控制框图如图4所示。

在离散化控制系统中，由于采样和计算延时，使得当前周期计算的控制量延迟一拍作用，实际调制信号与计算得到的调制信号相比延时了一个采样周期。为表现延时一拍的作用，在控制模型中加入零阶保持器(zero-order holder)，其传递函数为：。

d轴和q轴控制系统的模型相同，在此只做出d轴控制系统的模型。加入零阶保持器的d轴控制系统结构图如图5所示。

图5中为PI电流控制器d轴上的传递函数，为延时一个采样周期，是零阶保持器的传递函数。

利用零阶保持器可得到图5的离散化控制系统框图，如图6所示。

通过图7所示的离散控制系统的闭环频率特性图可看出，在100Hz之前系统增益接近于0，相位滞后不明显，补偿电流输出可跟踪指令电流。在200Hz以后，输入输出幅值衰减缓慢，且相位滞后明显，会导致UPQC并联侧系统的不稳定。故单独的PI控制很难保证控制系的稳定性和系统的控制性能。所以，通过设计重复控制器外环控制来补偿PI控制的增益和相位滞后，提高UPQC并联侧系统的控制性能。

⑸如图8所示设计重复控制器：

建立重复控制器的传递函数：；

图8中是衰减滤波器，其作用是抑制系统高频增益引起的不稳定性，可以是具有低通性质的函数，也可以为小于1的常数。此处取为0.97。补偿器是重复控制器设计的关键，决定了重复控制系统的性能。其作用是补偿被控对象的幅频特性和相频特性，以确保重复控制器的稳定运行。

重复控制器的内膜关系式可表示为：

，

补偿器可表示为：；

式中：表示重复控制器内膜；表示补偿器；为周期性延迟环节；为衰减滤波器；是重复控制器增益系数；表示超前环节，用于相位补偿，一般选取；为低通滤波器，主要对并联侧的被控对象进行幅值补偿。

⑹如图9所示，结合PI控制内环和重复控制器外环，进行复合协调控制，跟踪电流补偿指令，输出补偿电流，间接控制电网输入电流为正弦电流。

利用内环PI控制校正中低频段频率特性为、，保证并联型三相变流电路获得良好的补偿精度。重复控制器确保系统的稳态性能，利用补偿电流指令前馈到PI控制电流内环，形成单位负反馈的PI控制电流环，确保系统的动态性能，快速跟踪补偿电流指令。

当UPQC并联侧双环复合控制稳定运行时，补偿电流跟踪误差小，此时PI控制器的作用很小，主要由重复控制器作用；当负载侧电流发生畸变时，补偿电流的参考值与反馈值误差突然变大，重复控制器响应速度慢，而PI控制器快速响应产生调节作用，此时UPQC并联侧系统主要由PI控制起作用。1个周期过后，重复控制器产生调节作用，与PI控制相互协调，跟踪补偿电流误差信号。误差减小后，PI调节器的作用逐渐减小，重复控制器继续起主导作用，直至并联侧的控制系统达到新的稳态。

本发明双环复合控制策略稳定性分析：

并联侧的系统误差：

式中，是双环复合控制内环PI的闭环传递函数。

并联型三相变流电路内环PI的闭环传递函数：

为验证本发明双环复合控制策略稳定性，根据小增益原理推导出UPQC并联型三相变流电路新型复合控制策略系统稳定的充分条件：

将UPQC并联型三相变流电路系统稳定条件变换为：

其中，是采样周期，由上述重复控制器设计环节知。经过计算，上式成立。说明UPQC并联型三相变流电路的双环复合控制策略的系统稳定。

【仿真结果分析】

采用图1的拓扑结构图，利用MATLAB建立UPQC的仿真模型，相关参数见表1。

表 1 UPQC电路仿真参数

图10是UPQC含谐波的负载电压和补偿后的电网电压波形图。发现UPQC串联型三相变流电路使用双闭环控制，可实现对负载侧电压的补偿，补偿后的电网电压是正弦电压。图11是UPQC电压补偿量。

图12是补偿前畸变负载电流和补偿后输入电流波形图，经FFT分析A相负载电流的THD为29.77%，电流波形严重畸变。经新的双环复合控制补偿后电网输入电流的THD降到1.96%，得到电网正弦电流。图13为相应的补偿电流波形图。

图14是UPQC采用新型双环复合控制的三相补偿电流对补偿电流指令的电流跟踪波形图。由图可看出，当负载发生畸变时，UPQC并联侧系统主要是PI控制起作用，在经过一个周期的延迟后，重复控制器开始发生作用，PI和重复控制器协调作用控制，跟踪电流补偿指令，实现了对补偿电流指令信号的快速响应。

为更好的验证双环复合控制的有效性，对PI控制和本发明双环复合控制在UPQC装置中的补偿效果进行对比，图15a表示只采用PI控制的A相输入电流波形，图15b表示采用本发明双环复合控制的A相输入电流波形。通过比较发现，图15a中，输入电流波形的正弦化程度不高，出现部分畸变，经FFT分析其THD为3.99%。图15b中输入电流的波形更平滑，正弦化程度更高，其THD是1.96%。通过对比发现，采用本发明双环复合控制比使用PI控制时UPQC的电流补偿效果要明显，这说明采用本发明双环复合控制策略在UPQC的控制中更具优势。

Claims (2)

1.一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法，包括以下步骤：

⑴采用三相三线制的UPQC拓扑结构图建立同步旋转坐标系下的数学模型；其中

串联型三相变流电路数学模型为

，

，

并联型三相变流电路数学模型为

，

式中：是相对直流侧的等效输出增益，和是在同步旋转坐标系下串联侧的电感电流，和为同步旋转坐标系下的补偿电压，为串联侧耦合电感的串联电阻，为d轴输入电流分量，为串联侧q轴的电容电流分量，为串联侧补偿电感，为UPQC直流侧电压，为串联侧d轴的电容电流分量，为q轴的补偿电流分量，为串联滤波电容，为滤波器上q轴的电容电压，为滤波器上d轴的电容电压，和是同步旋转坐标系d轴和q轴上的补偿电流，和为同步旋转坐标系下的负载侧电压，为并联侧耦合电感的串联电阻，为并联侧补偿电感；

⑵UPQC双闭环电压控制：

以所述串联型三相变流电路作为电压源，输出与负载电压和电网电压差值大小相等方向相反的补偿电压，式中为负载电压，为电网电压，为ABC三相所在相组；

然后补偿电网电压中的谐波电压和负序、零序分量，得到与电网电压基波正序分量同相位的正弦波负载电压；最后使用双闭环PI控制，跟踪补偿电压指令，并运用空间矢量调制得到控制触发脉冲信号，输出电压补偿量间接控制补偿电网电压获得正弦负载电压：

式中：为串联侧电压环的d轴电压指令，为串联侧电压环的q轴电压指令，为补偿电压d轴分量，为补偿电压q轴分量，为d轴上电压环的积分系数，为q轴上电压环的积分系数，为d轴上电流环的积分系数，为q轴上电流环的积分系数，为d轴上电流环的比例系数，为q轴上电流环的比例系数，为d轴上电压环的比例系数，为q轴上电压环的比例系数；

⑶以所述并联型三相变流电路作为电流源，输出与电网电流和负载电流差值大小相等方向相反的补偿电流，式中为电网输入电流，为负载电流，为abc三相所在相；

⑷设计电流环PI：

根据UPQC并联侧的被控对象在s域的传递函数，得到UPQC单闭环PI电流控制的闭环传递函数：

式中：为d，q轴上PI控制器的比例系数，为d，q轴上PI控制器的积分系数；

同时，加入零阶保持器，其传递函数为：；

⑸设计重复控制器：

建立重复控制器的传递函数：；其中，；

式中：表示重复控制器内膜；表示补偿器；为周期性延迟环节；为衰减滤波器；是重复控制器增益系数；表示超前环节，用于相位补偿，一般选取；为低通滤波器；

⑹结合PI控制内环和重复控制器外环，进行复合协调控制，跟踪电流补偿指令，输出补偿电流，间接控制电网输入电流为正弦电流。

2.如权利要求1所述的一种统一电能质量调节器的双环复合控制方法，其特征在于：所述步骤⑴中的三相三线制的UPQC拓扑结构图由一个串联型三相变流电路和一个并联型三相变流电路共用一个直流侧电容组成；其中所述串联型三相变流电路通过耦合变压器串联接在负载与电网之间；所述并联型三相变流电路并联在非线性负载上。