CN109149607B - 一种三相不平衡补偿控制系统及控制方法 - Google Patents

一种三相不平衡补偿控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相不平衡补偿控制系统及控制方法。本发明基于三电平结构的SVG数学模型来实现，通过以不平衡度外环和零序负序电流内环相结合的双闭环控制为基础，考虑电网侧复杂多变的负荷情况，并将突变的或频繁变化的三相不平衡电流作为控制系统的扰动量，控制器采用H2/H∞混合控制算法，满足H2和H∞的约束条件，求解不等式，从而设计状态反馈控制模块的最优控制参数，并按照经验与现场电网环境，调整混合控制比例，以达到更优的控制效果。本发明的控制方法不仅保证控制系统的稳定性，更提高了控制系统响应速度，增强三相不平衡的补偿能力，而对于复杂多变的负荷情况，时实变化的三相不平衡状况，更具明显的补偿效果。

Description

一种三相不平衡补偿控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于三相不平衡控制领域，涉及一种三相不平衡补偿控制系统及控制方法。
背景技术
保持电网三相平衡是节约能耗、降损减本的基础。三相不平衡严重的情况，可能会造成某一相导线烧断、开关损坏或配电变压器单相烧毁等严重后果。现阶段主流的有源三相不平衡补偿控制技术，通常为Clarke和Park变换，利用对称分量法计算零序和负序电流，并进行闭环控制，在算法方面多数采用PI，但这仅仅是一种通用算法，并不能针对不同的电网环境选择最优的控制方案。
电网负荷情况复杂，三相不平衡状况实时变化，有些场合变化频繁，若不能针对三相不平衡的变化状况及时采取措施，则无法做到快速响应；若仅追求其快速性，而忽视其稳定性及抗干扰能力，则在这种不平衡度变化频繁的情况下，容易导致系统不稳，控制能力无法满足要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三相不平衡补偿控制方法，其可以在保证系统稳定性的前提下，提高系统鲁棒性，改善系统的动态特性，尤其对于不平衡度变化频繁的工况，可以提高快速响应的能力，保证系统稳定运行。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种三相不平衡补偿控制系统，包括电流状态反馈模块H1、采样模块H2、不平衡计算模块H3、零负序计算模块G1、IGBT驱动控制模块G2、控制器C、不平衡时变模块W和被控对象P；
电网侧电压与电流信号由采样模块H2分别传递给不平衡计算模块H3和零负序计算模块G1，控制系统给定输入为设定的不平衡度参考值，与不平衡计算模块H3输出的当前不平衡度比较后的差值输入零负序计算模块G1中，形成不平衡度的外环控制，零负序计算模块G1的输出值传递给控制器C；
由控制器C、IGBT驱动控制模块G2和电流状态反馈模块H1组成补偿电流的内环，内环的输出与不平衡时变模块W共同作用于被控对象P，所述的被控对象P即为电网。
本发明的电流状态反馈模块H1，可实时检测内环的电流值；采样模块H2，可实时采集电网侧的三相电压和电流，同时传送给其它控制模块；不平衡计算模块H3，可根据接收到的电压电流值，计算不平衡度。
本发明的零负序计算模块G1，可根据接收到的电压电流值和不平衡度差值，计算零序和负序电流值；IGBT驱动控制模块G2，根据控制器C给定的电压信号，自动调节PWM信号，连接IGBT驱动器，实现输出不同电压值。
作为上述技术方案的补充，三相不平衡补偿控制系统还包括参数配置模块I，该参数配置模块I对控制器C进行参数配置。
作为上述技术方案的补充，所述的控制器C为H2/H∞混合控制器C，所述的H2/H∞混合控制器C根据三电平结构SVG数学模型、H2/H∞混合控制算法和有电网环境影响的扰动数学模型，设计出H2/H∞混合控制方法；根据当前的零序和负序电流分量，实时控制输出三相不平衡补偿电流。
H2侧重控制系统的动态影响能力，可以有效提高控制系统的响应速度；而H∞侧重控制系统的稳定性与抗干扰能力，保证控制系统的稳定运行。
作为上述技术方案的补充，将突变的或频繁变化的电网负荷不平衡电压电流作为控制系统的扰动量，电网负荷的不平衡度作为被控量，三电平结构SVG的数学模型发出的三相电流分量作为控制量，结合H2/H∞混合控制算法，H2/H∞混合控制器包含以下设计准则：
||Gzw(s)||∞≤γ，
Figure BDA0001776529650000021
其中，z代表输出的电流值，z0代表控制系统的响应速率，w代表扰动量，给定正数γ表示根据实际需求所选择的无穷范数限值，K表示正则实有理控制器，||Gzw(s)||∞代表z对w传递函数的H∞范数，
Figure BDA0001776529650000022
代表z0对w传递函数的H2范数；通过求解不等式，计算H2/H∞混合控制器的有效控制参数；另外，通过调整H2和H∞的混合控制权值，公式如下：
α||Gzw(s)||∞+β||Tzw(s)||2，
根据经验或实际电网环境，选取合适的α和β的数值，起到更好的控制作用。
本发明还提供上述三相不平衡补偿控制系统的控制方法，其包括：
1)设备上电，控制系统启动，进入系统初始化模式：进行设备初始化及状态检查、直流侧电压调整，采样模块H2多次采集电网侧三相电压和电流，并将数据传送给参数配置模块I，经参数配置模块I进行数据分析，初步确定电网的运行环境，有针对性地选取控制参数，并对所述的控制器C进行参数配置，直到配置完成；
2)待所有模块准备就绪后，控制系统切换到补偿控制模式：所述的采样模块H2仍需要不断进行电压电流采样，传给不平衡计算模块H3和零负序计算模块G1，控制系统给定输入为用户设定的不平衡度参考值，与不平衡计算模块H3输出的当前不平衡度比较后，将所得到的差值输入到零负序计算模块G1中，零负序计算模块G1结合不平衡度差值与当前电压电流量，计算需要抵消的零序与负序电流，形成不平衡度的外环控制；
3)将零负序计算模块G1所输出的需要抵消的零序与负序电流作为给定值，与电流状态反馈模块H1采集到的补偿输出电流比对，将差值传递给所述的控制器C，控制器C将控制信号传递给IGBT驱动控制模块G2，控制三相输出电压，从而控制电流，形成补偿电流的内环控制；
4)所述的采样模块H2同步将数据传送给不平衡时变模块W，对多次采集的数据进行数据分析，判断初始扰动模型的准确性，根据电网的实时变化不断进行调整。
作为上述控制方法的补充，在系统初始化模式中，所述的不平衡时变模块W，根据当前电网环境从多种固化的常用扰动数学模型中选取最合适的，作为初始扰动模型。
作为上述控制方法的补充，所述的参数配置模块I仅在系统初始化模式内工作。
本发明的三相不平衡补偿控制方法，从上电到正常运行，包括两种工作模式，通过三相不平衡度外环控制和三相不平衡补偿电流内环控制，结合H2/H∞混合算法，完成对电网侧三相不平衡的实时控制；不仅保证控制系统的稳定性，更提高了控制系统响应速度，增强三相不平衡的补偿能力，而对于复杂多变的负荷情况及时实变化的三相不平衡状况，更具明显的补偿效果。
附图说明
图1为本发明控制系统的结构框图；
图2为本发明控制系统的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明所提出的一种三相不平衡补偿控制系统，其包含：电流状态反馈模块H1，采样模块H2，不平衡计算模块H3，零负序计算模块G1，IGBT驱动控制模块G2，H2/H∞混合控制器C，参数配置模块I，不平衡时变模块W，被控对象P。
所涉及到的运行模式包括系统初始化模式和补偿控制模式，所述的系统初始化模式仅在设备上电的起作用，此模式结束后才可进入补偿控制模式。
所述补偿控制模式的连接方法为：采样模块H2实时采集电网侧的三相电压和电流，并将其分别传送给不平衡计算模块H3和零负序计算模块G1，设定的不平衡度标准与所述模块H3作比较，并将结果传给所述模块G1，形成不平衡度外环控制；电流状态反馈模块H1实时检测SVG支路的电流值，并与所述的模块G1作比较，并将结果传给H2/H∞混合控制器C，经计算输出补偿电流，并与不平衡时变模块W共同作用于被控对象P，形成三相电流的内环控制；参数配置模块I仅在系统初始化模式中对H2/H∞混合控制器C做初始参数配置操作。
所述的H2/H∞混合控制器C，结合三电平SVG的基本结构原理和不平衡时变模块W，对整个控制系统建立基础数学模型，并将H2/H∞混合控制算法结合，得到最终的控制系统模型如下，
Figure BDA0001776529650000041
其中，x(t)＝[ia ib ic]T，ia、ib、ic分别为A、B、C三相电流分量，
Figure BDA0001776529650000042
为x(t)的一阶导数；u(t)＝[Δid负 Δiq负 Δi0]T，Δid负、Δiq负、Δi0分别为d、q坐标系下的负序电流分量差值和零序电流差值；y(t)为三相电流；w(t)为不平衡时变模块的数学模型，根据电网实际负荷情况而定；A、B1、B2、C1、D1、D11、C0、D0、D01、C分别表示状态方程的系数，即控制器的有效控制参数，可通过求解条件约束不等式及实测参数获得。满足H2和H∞的约束条件，求解不等式，从而设计状态反馈控制模块的最优控制参数，z∞(t)表述了H∞性能，是传递函数Gzw(s)的时域表达式，以||Gzw(s)||∞≤γ为原则，保证系统输出稳定的H∞性能；z2(t)为表述了H2性能，是传递函数
Figure BDA0001776529650000043
的时域表达式，以
Figure BDA0001776529650000044
为原则，提高系统输出响应速度的H2性能。
另外，H2/H∞混合控制的目标是，求取一个实有理控制器K，使其组成的闭环控制系统稳定，且使H2和H∞的综合性能指标α||Gzw(s)||∞+β||Tzw(s)||2(注，为便于区分，此处将
Figure BDA0001776529650000045
暂写作Tzw(s))的值极小。其中，α和β分别是H∞性能和H2性能的权值。根据极小值关系式确定权值后，仍可根据经验或现场电网的实际运行环境，适当调整混合控制比例，以达到更优的控制效果。
实施例2
如图2所示，本发明所提出的三相不平衡补偿控制方法，其具体控制流程如下：
(1)控制系统启动后，首先进入系统初始化模式。此时会进行设备初始化及各模块的运行状态检查，直流侧电压调整等操作。所述的采样模块H2经过多次采集网侧三相电压和电流，并将数据传送给所述的参数配置模块I，经参数配置模块I进行数据分析，初步确定电网的运行环境，有针对性地选取控制参数，并对所述的混合控制器C进行参数配置，直到配置完成。在系统初始化模式中，所述的不平衡时变模块W，会根据当前电网环境从多种固化的常用扰动数学模型中选取最合适的作为当前有效模型，所述扰动数学模型，为当前电网环境中长期存在的基本干扰类型的数学模型集合。
(2)待所有模块准备就绪后，系统会切换到补偿控制模式。此时所述的采样模块H2仍需要不断进行电压电流采样，传给不平衡计算模块H3进行不平衡度的转化，传给零负序计算模块G1进行零序和负序电流的转化，最后将转化后的需要抵消的零序和负序电流传递给控制器，由此形成不平衡度的外环控制。
(3)将零负序计算模块G1转化后的需要抵消的零序和负序电流作为给定值，与电流状态反馈模块H1采集到的补偿输出电流比对，将差值传递给所述的混合控制器C，控制器将控制信号传递给IGBT驱动控制模块G2，控制三相输出电压，从而控制电流，形成补偿电流的内环控制。
(4)所述的采样模块H2同步将数据传送给不平衡时变模块W，对多次采集的数据进行数据分析，判断初始扰动模型的准确性，必要时对初始扰动模型进行调整。扰动模型的实时调整，对H2/H∞混合控制器的参数调整起着非常重要的作用。H2/H∞混合控制器的参数，是在三电平结构SVG数学模型基础上结合整个控制系统，同时加入H2/H∞混合控制算法的约束条件而设计。电网侧的电压电流，即被控对象P，是补偿控制电流和不平衡时变模块W共同作用的结果。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不可认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明构思前提下，做出的若干简单推演或替换均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相不平衡补偿控制系统，包括电流状态反馈模块H1、采样模块H2、不平衡计算模块H3、零负序计算模块G1、IGBT驱动控制模块G2、控制器C、不平衡时变模块W和被控对象P；其特征在于，
电网侧电压与电流信号由采样模块H2分别传递给不平衡计算模块H3和零负序计算模块G1，控制系统给定输入为设定的不平衡度参考值，与不平衡计算模块H3输出的当前不平衡度比较后的差值输入零负序计算模块G1中，形成不平衡度的外环控制，零负序计算模块G1的输出值传递给控制器C；
由控制器C、IGBT驱动控制模块G2和电流状态反馈模块H1组成补偿电流的内环，内环的输出与不平衡时变模块W共同作用于被控对象P，所述的被控对象P即为电网。
2.根据权利要求1所述的三相不平衡补偿控制系统，其特征在于，还包括参数配置模块I，该参数配置模块I对控制器C进行参数配置。
3.根据权利要求1或2所述的三相不平衡补偿控制系统，其特征在于，所述的控制器C为H2/H∞混合控制器C，所述的H2/H∞混合控制器C根据三电平结构SVG数学模型、H2/H∞混合控制算法和有电网环境影响的扰动数学模型，设计出H2/H∞混合控制方法；根据当前的零序和负序电流分量，实时控制输出三相不平衡补偿电流。
4.根据权利要求3所述的三相不平衡补偿控制系统，其特征在于，将突变的或频繁变化的电网负荷不平衡电压电流作为控制系统的扰动量，电网负荷的不平衡度作为被控量，三电平结构SVG的数学模型发出的三相电流分量作为控制量，结合H2/H∞混合控制算法，H2/H∞混合控制器包含以下设计准则：
||Gzw(s)||∞≤γ，
Figure FDA0001776529640000011
其中，z表示输出的电流值，z0表示控制系统的响应速率，w表示扰动量，给定正数γ表示根据实际需求所选择的无穷范数限值，K表示正则实有理控制器，||Gzw(s)||∞代表z对w传递函数的H∞范数，
Figure FDA0001776529640000012
代表z0对w传递函数的H2范数；通过求解不等式得到正则实有理控制器K，计算H2/H∞混合控制器的有效控制参数；另外，通过调整H2和H∞的混合控制权值，公式如下：
α||Gzw(s)||∞+β||Tzw(s)||2，
根据经验或实际电网环境，选取合适的α和β的数值，起到更好的控制作用。
5.权利要求1-4任一项所述三相不平衡补偿控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
1)设备上电，控制系统启动，进入系统初始化模式：进行设备初始化及状态检查、直流侧电压调整，采样模块H2多次采集电网侧三相电压和电流，并将数据传送给参数配置模块I，经参数配置模块I进行数据分析，初步确定电网的运行环境，有针对性地选取控制参数，并对所述的控制器C进行参数配置，直到配置完成；
2)待所有模块准备就绪后，控制系统切换到补偿控制模式：所述的采样模块H2仍需要不断进行电压电流采样，传给不平衡计算模块H3和零负序计算模块G1，控制系统给定输入为用户设定的不平衡度参考值，与不平衡计算模块H3输出的当前不平衡度比较后，将所得到的差值输入到零负序计算模块G1中，零负序计算模块G1结合不平衡度差值与当前电压电流量，计算需要抵消的零序与负序电流，形成不平衡度的外环控制；
3)将零负序计算模块G1所输出的需要抵消的零序与负序电流作为给定值，与电流状态反馈模块H1采集到的补偿输出电流比对，将差值传递给所述的控制器C，控制器C将控制信号传递给IGBT驱动控制模块G2，控制三相输出电压，从而控制电流，形成补偿电流的内环控制；
4)所述的采样模块H2同步将数据传送给不平衡时变模块W，对多次采集的数据进行数据分析，判断初始扰动模型的准确性，根据电网的实时变化不断进行调整。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在系统初始化模式中，所述的不平衡时变模块W，根据当前电网环境从多种固化的常用扰动数学模型中选取最合适的，作为初始扰动模型。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的参数配置模块I仅在系统初始化模式内工作。
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