CN110137971B - 一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，包括以下步骤：S1、基于微分平滑控制设计能量外环：由三相交流电力弹簧的平滑输出变量、状态变量和控制变量，得到平滑输出变量表达式，获取微分平滑控制律，计算得到外环参考值；S2、基于PI控制设计电流内环：将PI控制电流实际值与外环参考值进行差值计算，该差值输入给PI控制器，输出dq调制信号；S3、对dq调制信号进行dq‑abc转换，获取SPWM调制信号，根据SPWM调制信号控制三相交流电力弹簧的工作状态，以实现关键负载电压平稳输出的目的。与现有技术相比，本发明能快速跟踪参考轨迹，实现全局稳定，具有动态响应快、鲁棒性强的优点。

Description

一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行与控制领域，尤其是涉及一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法。

背景技术

电力弹簧技术是将电力电子变换器直接串入用电负载，根据实际情况自动发出或消耗无功功率，从而起到稳定电压的作用，随着太阳能、风能等可再生能源发电的渗透率越来越高，其间歇性和不可预测性给微电网造成供需侧功率不平衡和电压波动等问题，严重影响用户侧电能质量。此时可将电力弹簧串联在非关键负载中，以保障关键负载电压的平稳性，同时自动调节非关键负载的耗电量，使非关键负载的用电量随发电量的变化而变化。

在当前的微电网用户侧，用户接入的不同负载对电压的要求各有区别，为满足整个微电网的电压调节要求，需要通过三相交流电力弹簧来解决微电网电压稳定问题，现有的三相交流电力弹簧控制方法多基于矢量控制方法，采用传统线性PI控制器或PR控制器，通常是围绕特定工作点进行线性控制设计，因此只能保证工作点附近的局部稳定，稳定域窄，鲁棒性不强，当微电网电压大幅快速波动或电路参数改变时，控制性能难以保证，此外，由于三相交流电力弹簧本身是非线性系统，存在多个非线性分量，传统PI控制或PR控制多采用小信号扰动线性化近似处理，而无法对非线性分量进行直接补偿，不利于实现关键负载电压的平稳输出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，包括以下步骤：

S1、基于微分平滑控制设计能量外环：根据三相交流电力弹簧系统的电路结构，求解三相交流电力弹簧的平滑输出变量、状态变量和控制变量，得到平滑输出变量表达式，获取微分平滑控制律，计算得到外环参考值；

S2、基于PI控制设计电流内环：将PI控制电流实际值与外环参考值进行差值计算，该差值输入给PI控制器，输出dq调制信号；

S3、对dq调制信号进行dq-abc转换，获取SPWM调制信号，根据SPWM调制信号控制三相交流电力弹簧的工作状态，以实现关键负载电压平稳输出的目的。

优选的，所述三相交流电力弹簧系统包括三相交流电压源、线路电阻、三相交流电力弹簧、非关键负载和关键负载，所述三相交流电压源、线路电阻和关键负载依次连接成一个电路回路，所述三相交流电力弹簧的一端与非关键负载的一端连接，所述三相交流电力弹簧的另一端连接至线路电阻与关键负载之间，所述非关键负载的另一端连接至线路电阻与三相交流电源之间。

优选的，所述三相交流电力弹簧包括两个串联的储能电池、一个三相电压源型电力电子变换器、三个LC低通滤波器和三个隔离变压器，所述三相电力电子变换器的每一相输出端均连接一个LC低通滤波器，所述LC低通滤波器包括依次串联的滤波电感和滤波电容，所述滤波电容并接在对应的隔离变压器一次侧，所述隔离变压器二次侧的一端与非关键负载的一端连接，所述隔离变压器二次侧的另一端连接至关键负载与线路电阻之间。

优选的，所述外环参考值为三相交流电力弹簧中滤波电感电流参考值，所述PI控制电流实际值为三相交流电力弹簧中滤波电感电流实际值。

优选的，所述三相交流电力弹簧的工作状态具体为三相交流电力弹簧中三相电力电子变换器的导通与关断，所述三相电力电子变换器具体为三相电压源型电力电子变换器。

优选的，所述步骤S1中平滑输出变量为三相交流电力弹簧滤波电容中储存的能量，具体为：

其中，y_td、y_tq分别表示平滑输出变量的d轴分量、q轴分量，C_f表示滤波电容，V_tesd、V_tesq分别表示滤波电容电压的d轴分量、q轴分量。

优选的，所述步骤S1中状态变量为：

控制变量为：

其中，i_tinjd ^*、i_tinjq ^*分别表示滤波电感电流参考值的d轴分量、q轴分量。

优选的，所述步骤S1中平滑输出变量表达式为：

其中，y_tdref、y_tqref分别表示y_td、y_tq的参考值，

分别表示y_tdref、y_tqref的一次微分量，

分别表示y_td、y_tq的一次微分量，k₁、k₂表示系数，∫表示积分算子，τ表示时间。

微分平滑控制律为：

其中，i_tncd、i_tncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率。

优选的，所述步骤S2中电流内环PI控制的方程为：

其中，m_td、m_tq分别表示dq调制信号的d轴分量、q轴分量，k_pd、k_pq分别表示PI控制器比例系数的d轴分量、q轴分量，k_id、k_iq分别表示PI控制器积分系数的d轴分量、q轴分量，i_tinjd、i_tinjq分别表示滤波电感电流的d轴分量、q轴分量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明基于三相交流电力弹簧的电路结构，提出了一种能量外环—电流内环的双闭环控制方法，具有动态响应快、鲁棒性强的优点，能实现全局稳定，有利于快速跟踪电压和电流参考轨迹，从而实现电压平稳控制的目标。

二、本发明控制方法中的能量外环利用微分平滑控制，能直接补偿非线性分量，避免近似处理，从而在较宽稳定域内保证系统静、动态控制性能，确保在系统参数摄动的情况下，电力弹簧电压实际值依然能够快速跟踪参考轨迹。

三、本发明控制方法中的电流内环采用PI控制，能有效实现滤波电感电流实时跟踪能量外环计算的参考值，在微电网电压发生波动或系统参数改变时，关键负载电压依然能够保持平稳。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为三相交流电力弹簧应用电路示意图；

图3为三相交流电力弹簧其中一相的拓扑电路图；

图4为本发明能量外环—电流内环的双闭环控制框图；

图5a为矢量控制方法下三相交流电力弹簧中滤波电容电压的d轴分量；

图5b为矢量控制方法下三相交流电力弹簧中滤波电容电压的q轴分量；

图6a为本发明控制方法下三相交流电力弹簧中滤波电容电压的d轴分量；

图6b为本发明控制方法下三相交流电力弹簧中滤波电容电压的q轴分量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，包括以下步骤：

S1、基于微分平滑控制设计能量外环：根据三相交流电力弹簧系统的电路结构，求解三相交流电力弹簧的平滑输出变量、状态变量和控制变量，得到平滑输出变量表达式，获取微分平滑控制律，计算得到外环参考值；

S2、基于PI控制设计电流内环：将PI控制电流实际值与外环参考值进行差值计算，该差值输入给PI控制器，输出dq调制信号；

S3、对dq调制信号进行dq-abc转换，获取SPWM调制信号，根据SPWM调制信号控制三相交流电力弹簧的工作状态，以实现关键负载电压平稳输出的目的。

其中，三相交流电力弹簧系统的应用电路如图2所示，包括三相交流电压源V_g、线路电阻R_l、三相交流电力弹簧TPES、非关键负载R_nc和关键负载R_c，三相交流电压源V_g、线路电阻R_l和关键负载R_c依次连接成一个电路回路，三相交流电路弹簧TPES的一端与非关键负载R_nc的一端连接，三相交流电力弹簧TPES的另一端连接至线路电阻R_l与关键负载R_c之间，非关键负载R_nc的另一端连接至线路电阻R_l与三相交流电源V_g之间；

三相交流电力弹簧TPES包括两个串联的储能电池V_dc、一个三相电压源型电力电子变换器IG、三个LC低通滤波器和三个隔离变压器，三相中每一个相的拓扑结构是相同的，以其中的一相为例，如图3所示，三相电压源型电力电子变换器IG的每一相输出端均连接一个LC低通滤波器，LC低通滤波器包括依次串联的滤波电感L_f和滤波电容C_f，滤波电容C_f并接在对应的隔离变压器一次侧T₁，隔离变压器二次侧T₂的一端与非关键负载R_nc的一端连接，隔离变压器二次侧T₂的另一端连接至关键负载R_c与线路电阻R_l之间。

当三相交流电压源V_g电压波动时，三相交流电力弹簧TPES注入一个三相交流电压V_tes，通过改变非关键负载电压V_tnc来实时自动调节关键负载电压V_ts至其参考值V_tsref，从而将来自电网侧的电压(或能量)波动转移至非关键负载上。

本发明的能量外环微分平滑-电流内环PI双闭环控制框图如图4所示，具体过程为：根据图3中三相交流电力弹簧的电路拓扑结构，由KCL定理可得dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型：

其中，V_tesd、V_tesq分别表示三相交流电力弹簧滤波电容两端电压的d轴分量、q轴分量，i_tinjd、i_tinjq分别表示滤波电感电流的d轴分量、q轴分量，i_tncd、i_tncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率，C_f表示滤波电容，

表示微分算子。

以关键负载电压平稳为控制目标，为使控制获得更好的动态相应性能，定义三相交流电力弹簧滤波电容C_f中储存的能量作为系统平滑输出变量y：

其中，y_td、y_tq分别表示平滑输出变量的d轴分量、q轴分量，C_f表示滤波电容，V_tesd、V_tesq分别表示滤波电容电压的d轴分量、q轴分量。

状态变量x定义为：

控制变量u定义为：

其中，i_tinjd ^*、i_tinjq ^*分别表示滤波电感电流参考值的d轴分量、q轴分量。

使系统平滑输出变量y满足：

其中，y_tdref、y_tqref分别表示y_td、y_tq的参考值，

分别表示y_tdref、y_tqref的一次微分量，

分别表示y_td、y_tq的一次微分量，k₁、k₂表示系数，∫表示积分算子，τ表示时间。

对式(2)等号左右两边求导，可得平滑输出变量y的一次微分量

为：

将式(6)代入式(1)并整理，可得：

对式(7)进行整理，可得系统微分平滑控制律为：

由式(3)、(8)式可知，状态变量x和控制变量u可表示为输出变量y及其有限阶导数的函数，由式(2)可知，输出变量y可表示为状态变量x、控制变量u及u的有限阶导数的函数。根据微分平滑控制理论可知，三相交流电力弹簧系统为非线性微分平滑系统，具有平滑特性，式(8)即为系统微分平滑控制律。

将能量外环求得的滤波电感电流参考值与滤波电感电流实际值作差后送入PI控制器，输出dq调制信号，电流内环PI控制的方程为：

其中，m_td、m_tq分别表示dq调制信号的d轴分量、q轴分量，k_pd、k_pq分别表示PI控制器比例系数的d轴分量、q轴分量，k_id、k_iq分别表示PI控制器积分系数的d轴分量、q轴分量，i_tinjd、i_tinjq分别表示滤波电感电流的d轴分量、q轴分量。

dq调制信号经过dq-abc转换后输出包含m_a、m_b和m_c的SPWM调制信号，根据SPWM调制信号控制三相电力弹簧TPES中电力电子变换器的导通与关断。

为了验证三相交流电力弹簧的微分平滑电压平稳控制方法的正确性和有效性，本实施例基于Matlab/Simulink平台进行仿真研究。

在Matlab/Simulink平台上搭建三相交流电力弹簧系统仿真模型，仿真参数如表1所示：

表1三相交流电力弹簧系统参数

参数	数值
		电网电压幅值V<sub>g</sub>/V	320
CL电压参考值幅值V<sub>s</sub>/V	311
		电网频率f/Hz	50
ES直流侧电压V<sub>dc</sub>/V	240
		线路电阻R<sub>l</sub>/Ω	0.5
低通滤波器电感L<sub>f</sub>/mH	6.6
		低通滤波器电容C<sub>f</sub>/μF	1
非关键负载R<sub>nc</sub>/Ω	9.8
		关键负载R<sub>c</sub>/Ω	30
开关频率f<sub>s</sub>/kHz	20

在dq两相同步旋转坐标系下，三相交流电力弹簧滤波电容两端电压的d轴、q轴参考量均为167V，在t＝0.02s时，三相交流电力弹簧滤波电感L_f值上升50％，为9.9mH，滤波电容C_f值上升100％，为2uF。图5a、图5b分别为矢量控制方法下三相交流电力弹簧中滤波电容电压的d轴分量、q轴分量波形图，图6a、图6b分别为本发明控制方法下三相交流电力弹簧滤波电容电压的d轴分量、q轴分量波形图。由图5a、图5b、图6a、图6b可以看出，在滤波电感L_f和滤波电容C_f参数摄动的综合影响下，采用矢量控制时，三相交流电力弹簧系统电力电子变换器IG交流侧滤波电容电压d轴分量、q轴分量从t＝0.02s时起波动幅值增大，使三相交流电力弹簧直流侧储能电池进行频繁充放电；采用本发明的能量外环微分平滑-电流内环PI双闭环控制时，三相交流电力弹簧系统电力电子变换器IG交流侧滤波电容电压d轴分量、q轴分量经小幅波动后快速恢复至参考值，且稳定后纹波幅值小，避免了三相交流电力弹簧直流侧储能电池频繁充放电，延长了其使用寿命，保证了三相交流电力弹簧系统的安全、稳定运行。仿真结果表明三相交流电力弹簧的微分平滑电压平稳控制方法具有动态响应快、鲁棒性强的特点。

Claims (9)

1.一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于微分平滑控制设计能量外环：根据三相交流电力弹簧系统的电路结构，求解三相交流电力弹簧的平滑输出变量、状态变量和控制变量，得到平滑输出变量表达式，获取微分平滑控制律，计算得到外环参考值；

S2、基于PI控制设计电流内环：将PI控制电流实际值与外环参考值进行差值计算，该差值输入给PI控制器，输出dq调制信号；

S3、对dq调制信号进行dq-abc转换，获取SPWM调制信号，根据SPWM调制信号控制三相交流电力弹簧的工作状态，以实现关键负载电压平稳输出的目的。

2.根据权利要求1所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述三相交流电力弹簧系统包括三相交流电压源、线路电阻、三相交流电力弹簧、非关键负载和关键负载，所述三相交流电压源、线路电阻和关键负载依次连接成一个电路回路，所述三相交流电力弹簧的一端与非关键负载的一端连接，所述三相交流电力弹簧的另一端连接至线路电阻与关键负载之间，所述非关键负载的另一端连接至线路电阻与三相交流电源之间。

3.根据权利要求2所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述三相交流电力弹簧包括两个串联的储能电池、一个三相电力电子变换器、三个LC低通滤波器和三个隔离变压器，所述三相电压源型电力电子变换器的每一相输出端均连接一个LC低通滤波器，所述LC低通滤波器包括依次串联的滤波电感和滤波电容，所述滤波电容并接在对应的隔离变压器一次侧，所述隔离变压器二次侧的一端与非关键负载的一端连接，所述隔离变压器二次侧的另一端连接至关键负载与线路电阻之间。

4.根据权利要求3所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述外环参考值为三相交流电力弹簧中滤波电感电流参考值，所述PI控制电流实际值为三相交流电力弹簧中滤波电感电流实际值。

5.根据权利要求3所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述三相交流电力弹簧的工作状态具体为三相交流电力弹簧中三相电力电子变换器的导通与关断，所述三相电力电子变换器具体为三相电压源型电力电子变换器。

6.根据权利要求3所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S1中平滑输出变量为三相交流电力弹簧滤波电容中储存的能量，具体为：

其中，y_td、y_tq分别表示平滑输出变量的d轴分量、q轴分量，C_f表示滤波电容，V_tesd、V_tesq分别表示滤波电容电压的d轴分量、q轴分量。

7.根据权利要求6所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S1中状态变量为：

控制变量为：

其中，i_tinjd ^*、i_tinjq ^*分别表示滤波电感电流参考值的d轴分量、q轴分量。

8.根据权利要求7所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S1中平滑输出变量表达式为：

其中，y_tdref、y_tqref分别表示y_td、y_tq的参考值，

分别表示y_tdref、y_tqref的一次微分量，

分别表示y_td、y_tq的一次微分量，k₁、k₂表示系数，∫表示积分算子，τ表示时间；

微分平滑控制律为：

其中，i_tncd、i_tncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率。

9.根据权利要求8所述的一种三相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S2中电流内环PI控制的方程为：

其中，m_td、m_tq分别表示dq调制信号的d轴分量、q轴分量，k_pd、k_pq分别表示PI控制器比例系数的d轴分量、q轴分量，k_id、k_iq分别表示PI控制器积分系数的d轴分量、q轴分量，i_tinjd、i_tinjq分别表示滤波电感电流的d轴分量、q轴分量。

Images