CN109361227A - 一种基于ladrc优化逆变器电能质量的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，包括：电路连接的组合式三相逆变器、RLC滤波电路、不平衡负载及LADRC；与共用阀块连接并连通的梭阀和两个过滤器；其中所述LADRC输入端与不平衡负载前端相连，输出端与组合式三相逆变器相连，采集系统中电感三相电流和负载侧三相电压及电流信号。本发明解决逆变器交流侧因带不平衡负载引起的电能质量问题，达到降低电压三相不平衡度，减小电压波动，保证较低的总谐波畸变率，提高系统电能质量的目的。

Description

一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统
技术领域
本发明属于改善电力系统电能质量领域，特别涉及一种基于LADRC(LinearActive Disturbance Rejection Controller——线性自抗扰控制器)优化逆变器电能质量的系统。
背景技术
近年来，随着微电网的大力发展，逆变器的应用越来越广泛，三相逆变器是目前广泛应用的一种电力电子装置，通常都要求它具有同时向平衡/不平衡、线性/非线性负载供电的能力，保证三相输出电压的平衡是最基本的要求。由于电网中存在大量的单相负荷及不对称的三相负荷，使得三相逆变器系统应用时必须考虑由负荷不平衡引起的三相不平衡、电压波动、谐波干扰等电能质量问题。而当三相负载不平衡和负载突变时轻则降低线路和配电变压器的供电效率，重则会因负载超载过多，电磁元件过热，大大增加线路损耗，造成某相导线烧断或者开关烧坏等严重后果。伴随着非线性、不平衡负荷的出现，不仅使电网电压和电流发生畸变，产生大量谐波，而且会引起配电网三相电流不对称，导致配电网中性点电压偏移，使三相电压不对称，这使得电能质量问题在配电网中普遍存在。另外配电网中感性负载的存在会消耗大量的无功功率，这些无功功率不仅导致线路电压降低，而且增加线路和设备损耗。随着城市配电网负荷峰谷差的增大，负荷功率波动已经成为配电网电能质量的一个重要指标，负荷功率的波动会引起线路电压的不稳定，电压不对称，严重的可能会导致供电中断，这些都会影响到生产效益、生产产品的质量以及用户设备的使用。因此，解决上述问题是改善电能质量的关键。
工业应用中常选用组合式三相逆变器拓扑结构，组合式三相逆变器由三个单相逆变器并联而成，每个逆变器相互独立，根据需求可以单相或三相工作，可灵活配置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，在组合式三相逆变器拓扑结构电路中用以解决逆变器交流侧因带不平衡负载引起的电能质量问题，达到降低电压三相不平衡度，减小电压波动，保证较低的总谐波畸变率，提高系统电能质量的目的。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特点是，包括：
电路连接的组合式三相逆变器、RLC滤波电路、不平衡负载及LADRC；
与共用阀块连接并连通的梭阀和两个过滤器；
其中所述LADRC输入端与不平衡负载前端相连，输出端与组合式三相逆变器相连，采集系统中电感三相电流和负载侧三相电压及电流信号。
所述组合式三相逆变器主电路结构由3个全桥单元并联而成，所述全桥单元由两个桥臂组成，所述桥臂由4个IGBT管TI、T2与T3、T4分别串联后并联而成。
所述的不平衡负载由6种不同负载工况组成，所述6种工况分别为空载；三相对称负载；一相负载不平衡；两相负载不平衡，其中一相为感性负载；两相负载不平衡，其中一相为对称感性负载；三相负载不平衡，同时突增一相容性负载、一相不对称负载和一相容性负载。
所述LADRC由PD控制器、线性扩张状态观测器组合而成。
所述的PD控制器由一比例积分控制组合，将比例系数、微分时间常数与控制器带宽相联系。
所述的线性扩张状态观测器的设计利用系统的输入、输出来估计扩张后的系统状态。
所述的不平衡负载引起电压三相不平衡，衡量所述电压三相不平衡标准为电压三相不平衡度<2％，短时不超过4％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
在配电网中的主要作用是利用LADRC将采集到的由不平衡负载引起电压波动信号与设计的电压参考值进行比较得到误差信号，将误差信号进行调节进行控制组合式三相逆变器晶闸管的开关通断，从而保持逆变器输出电压稳定，以抑制电压波动。同时LADRC在应用中降低了电压三相不平衡度，保证了较小的谐波总畸变率。
附图说明
图1为本发明一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统的结构图；
图2为LADRC基本结构图；
图3为LADRC模型结构；
图4为LADRC控制器电压三相不平衡仿真结果图；
图5为系统总谐波畸变率。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，如图1所示，该系统包括组合式三相逆变器、RLC滤波电路、不平衡负载、LADRC。
所述组合式三相逆变器：属于三相逆变器常见的一种拓扑形式，由三个单相逆变器并联组合而成，单相逆变器采用全桥连接方式外加一个接地线组合而成，即所述全桥单元由两个桥臂组成，所述桥臂由4个IGBT管TI、T2与T3、T4分别串联后并联而成。三个逆变器彼此之间相互独立，另外可以根据需求，实现单相或三相工作，操作简单，且容易实现在连接大功率负荷情况下工作。
所述RLC滤波电路：R表示线路自身损耗，R与L串联再于C并联，且C与组合式三相逆变器中性点相连接地，滤波电路与不平衡负载串联。
所述不平衡负载：作为控制器实现功能的前提条件，负载不平衡的设计依据实际工程中可能出现的情况，设计了带感性负载，容性负载或者感性、容性负载并存的多种情况，在不同的负载不平衡条件下，进行仿真实验，不平衡负载由6种不同负载工况组成，所述6种工况分别为空载；三相对称负载；一相负载不平衡；两相负载不平衡，其中一相为感性负载；两相负载不平衡，其中一相为对称感性负载；三相负载不平衡，同时突增一相容性负载、一相不对称负载和一相容性负载。
其中，所述的组合式三相逆变器由一个由直流电源提供电压，通过设置检测点，采集电感电流为iLa、iLb、iLc，流经不平衡负载电流为iga、igb、igc，电容电压为uga、ugb、ugc；通过对组合式三相逆变器进行控制和对LADRC进行设计达到降低电压三相不平衡度，减小电压波动，保证较低的总谐波畸变率，提高系统电能质量的目的，具体为：
对组合式三相逆变器进行控制：如图1所示通过采集系统末端电容电压uga、ugb、ugc和设计的参考电压ugar、ugbr、ugcr进行比较得到误差信号，将误差信号经过LADRC调节进而控制组合式三相逆变器晶闸管的开关通断，从而保持逆变器输出电压稳定，以抑制电压波动。
对LADRC进行设计，具体设计流程如下：
所述LADRC基本结构如图2所示，包含PD控制器、线性扩张状态观测器。首先针对上述带不平衡负载的组合式三相逆变器系统，能够通过设置检测点，获得模型的部分信息，在系统模型仿真时将采集到的电感电流和电容电压作为控制器的已知信息，将这些已知的部分信息和作为扰动的未知信息加入线性扩张状态观测器(LESO)中分别进行估计，可提高扰动的估计精度，从而提高控制效果。该控制方法既能补偿系统内部参数及模型的扰动，又能抑制外界扰动。
首先基于模型辅助需要设计三阶的LESO，根据图3LADRC模型图所示，根采集到的电感电流为iLa、iLb、iLc，流经不平衡负载电流为iga、igb、igc，电容电压为uga、ugb、ugc，利用这些已知模型信息，列写模型基尔霍夫电压、电流方程：对上式加入未知扰动求两阶导数整理得到关于电压ug,k的二阶导数方程，将方程改写为标准的二阶方程形式：其中，y、u分别为输出与输入，b部分已知(已知部分记为b0)，f′为实际未知的总扰动，
取状态变量：x1＝y，x3＝f，则为包含扰动的扩张状态，将z替换x，z为观测器的观测值，由于未知且通过校正项可以估计出来，因此可以略去
则需要的设计二阶连续线性状态观测器(LESO)方程为：其中， C＝[1 0 0]。
所述线性扩张状态观测器的设计利用系统的输入、输出来估计扩张后的系统状态。
关于极点配置问题：把特征方程的极点放在同一个位置(-w0，w0为观测器带宽)，取L为观测器误差反馈增益矩阵，设使得λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+wo)3，经计算后得到
其中上式中
C＝[1 0 0]。
其次，如图3所示，需要对LADRC中PD控制器进行设计：
基于本文设计的二阶LESO，控制器采用线性PD组合，需要
设计为：其中，r为给定值，z1，z2为
来自LESO的观测器观测值，kp，kd分别为比例(P)和微分(D)的放大系数，是需要设计的参数。通过LESO，原对象中扩张出的代表扰动状态变量x3(即f)被状态变量LESO的z3跟踪，由简化成即变成一个双重积分器串联单位增益的控制问题。由上述两式子得控制信号为经过参数化，可使闭环系统特征多项式为：
s2+kd*s+kp＝(s+wc)2，可得到kp＝wc 2，kd＝2wc，wc表示控制器带宽。经过参数化后，LADRC的参数调整仅剩下三个参数，wo，wc，b0，b0可由系统状态方程求二阶导求出，根据实际系统模型的变化而变化，而对于大部分的工程对象，wo和wc具有满足wo≈(3～5)*wc的数量关系，这进一步简化了LADRC的参数整定工作量，更利用该控制器在实际工程中广泛的应用。
利用LADRC控制由不平衡负载在工况改变下引起的电压三相不平衡，电压波动和谐波干扰等问题，所述的不平衡负载引起电压三相不平衡，衡量所述电压三相不平衡标准为电压三相不平衡度<2％，短时不超过4％，利用MATLAB/Simulink平台进行仿真验证，仿真结果如图4、图5所示。由图4可知LADRC可以保证系统在三相负载不平衡工况下电压三相不平衡度保持在2％标准以内，进而可以验证该控制器可以较好的控制电压波动，同时不会引起系统谐波总畸变率增大现象，如图5所示，在不同负载切换下系统总谐波含量为THD％＝1.39％，不超过5％。因此，验证了LADRC既有效的提高三相逆变器在不同工况下带不平衡负载的能力，又维护系统稳定，改善系统电能质量问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，包括：
电路连接的组合式三相逆变器、RLC滤波电路、不平衡负载及LADRC；
与共用阀块连接并连通的梭阀和两个过滤器；
其中所述LADRC输入端与不平衡负载前端相连，输出端与组合式三相逆变器相连，采集系统中电感三相电流和负载侧三相电压及电流信号。
2.如权利要求1所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述组合式三相逆变器主电路结构由 3 个全桥单元并联而成，所述全桥单元由两个桥臂组成，所述桥臂由4个IGBT管TI、T2与T3、T4分别串联后并联而成。
3.如权利要求1所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述的不平衡负载由6种不同负载工况组成，所述6种工况分别为空载；三相对称负载；一相负载不平衡；两相负载不平衡，其中一相为感性负载；两相负载不平衡，其中一相为对称感性负载；三相负载不平衡，同时突增一相容性负载、一相不对称负载和一相容性负载。
4.如权利要求1所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述LADRC由PD控制器、线性扩张状态观测器组合而成。
5.如权利要求4所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述的PD控制器由一比例积分控制组合，将比例系数、微分时间常数与控制器带宽相联系。
6.如权利要求4所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述的线性扩张状态观测器的设计利用系统的输入、输出来估计扩张后的系统状态。
7.如权利要求1所述的基于LADRC优化逆变器电能质量的系统，其特征在于，所述的不平衡负载引起电压三相不平衡，衡量所述电压三相不平衡标准为电压三相不平衡度<2%，短时不超过4%。
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