CN110445140B - 一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法,可在下列三个自由度上实现电能质量设备的自适应控制：功能需求自由度：设置包括但不限于无功电流补偿、谐波电流补偿、不平衡电流补偿等功能；优先级别自由度：可在预设功能中自由切换或任意组合所选功能的优先级；条件约束自由度：能够自动匹配参数约束，根据设备容量、环境温度、预设目标功率因数等边界条件输出补偿电流。本发明能显著提高并联型电流补偿设备的运行性能及效率，可以但不限于应用在并联型电能质量补偿设备中。

Description

一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，属于电能质量治理领域。
背景技术
现代电力系统中存在大量的非线性、冲击性、波动性、非对称性负载，导致电网谐波电流超标、功率因数较低、网侧电流严重不平衡、电网电压波动闪变等电能质量问题。
并联型电能质量补偿装置通常并联连接在负载之前，补偿负载产生的无功电流、不平衡电流、谐波电流，能够有效治理配电系统的电流电能质量问题。
随着电力电子技术的发展，基于晶闸管投切的无功电容器组补偿设备，基于可控元件(IGBT、IGCT等)的有源无功补偿设备(SVG)，谐波补偿设备(APF)已较为成熟。亦有混合型无功补偿设备，即电容组与SVG共同实现无功补偿。或在SVG设备中嵌入APF功能实现无功补偿的同时兼具谐波补偿功能。但尚未有能够实现无功电流、谐波电流、不平衡电流补偿的同时，做到功能可设置、优先级可选择、自动匹配参数约束三维自由度的自适应补偿控制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，能显著提高并联型电流补偿设备的运行性能及效率，可以但不限于应用在并联型电能质量补偿设备中。
实现上述目的的技术方案是：一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，所述电能质量补偿装置包括控制器和PWM模块，所述自适应控制方法包括以下步骤：
S1，通过上位机、远程控制或拨码开关选择以下补偿方式之一：
方式一：无功补偿；
方式二：谐波补偿；
方式三：不平衡补偿；
方式四：无功、谐波补偿；
方式五：谐波、无功补偿；
方式六：无功、不平衡补偿；
方式七：不平衡、无功补偿；
方式八：谐波、不平衡补偿；
方式九：不平衡、谐波补偿；
方式十：无功、谐波、不平衡补偿；
方式十一：无功、不平衡、谐波补偿；
方式十二：谐波、无功、不平衡补偿；
方式十三：谐波、不平衡、无功补偿；
方式十四：不平衡、无功、谐波补偿；
方式十五：不平衡、谐波、无功补偿；
S2，所述控制器实时采集当前同一时刻电网电压、负载电流、补偿设备输出电流和直流电压信号，利用锁相环得到电网电压同步角度ωt信息；对负载电流以及补偿设备输出电流进行正序dq变换，得到负载基波正序d轴电流、负载基波正序q轴电流、设备输出基波正序d轴电流和设备输出基波正序q轴电流；对负载电流以及补偿设备输出电流进行负序dq变换，得到负载基波负序d轴电流、负载基波负序q轴电流、设备输出基波负序d轴电流和设备输出基波负序q轴电流；
S3，对负载电流及补偿设备输出电流按次进行离散傅立叶变换，得到负载各次谐波电流及补偿设备输出各次谐波电流；
S4，负载基波正序q轴电流和负载基波负序q轴电流为无功补偿的目标电流；
负载基波负序d轴电流为不平衡补偿的目标电流；
负载各次谐波电流为谐波补偿的目标电流。
S5，定义三级优先级补偿系数分别为Level1、Level2和Level3，
S51，若补偿方式为一级：计算Level1系数并输出对应的补偿电流，确保设备运行参数在约束范围内，Level2系数为0，Level3系数为0；
S52，若补偿方式为两级，分以下两种情况：
情况S521，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0；Level3系数为0；
情况S522，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，确保设备运行参数在约束范围内；Level3系数为0；
在情况S522中，当Level1系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数保持上限，Level1系数对应的输出电流增加；Level2系数减少，Level2系数对应的输出电流减少；若Level1系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，则情况S522中转变为情况S521；
S53，若补偿方式为三级，分以下三种情况：
情况S531，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0，Level3系数为0；
情况S532，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，设备运行参数达到约束范围上限，Level3系数为0；
情况S533，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数；若Level2系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level3系数；确保设备运行参数在约束范围内；
情况S533中，当Level1系数或Level2系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数及Level2系数保持上限，即Level1系数或Level2系数对应的输出电流增加；Level3系数减少，即Level3系数对应的输出电流减少；若Level1系数或Level2系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，情况S533转变为情况S532；
情况S532中，当Level1系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数保持上限，Level1系数对应的输出电流增加；Level2系数减少，Level2系数对应的输出电流减少；若Level1系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，情况S532转变为情况S531。
S6，根据步骤S1中选择的补偿方式对应分级系数，如选择方式十：无功、谐波、不平衡补偿，则对应Level1系数为无功补偿系数，对应Level2系数为谐波补偿系数，对应Level3系数为不平衡补偿系数；即得到补偿设备的目标补偿电流；
S7，按照变流器SVG一般补偿方式，将目标补偿电流与补偿设备输出电流作差后PI调制，经过电流内环及直流电压外环解耦控制后，生成基波调制波；
S8，按照变流器APF一般补偿方式，按次将目标补偿电流与补偿设备输出电流作差后PI调制，生成谐波调制波；
S9，将步骤S7生成的基波调制波及步骤S8生成的谐波调制波叠加，经过PWM模块生成电力电子开关器件的触发信号。
本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，可在下列三个自由度上实现电能质量设备的自适应控制：
(1)功能需求自由度：设置包括但不限于无功电流补偿、谐波电流补偿、不平衡电流补偿等功能；
(2)优先级别自由度可在预设功能中自由切换或任意组合所选功能的优先级；
(3)条件约束自由度：能够自动匹配参数约束，根据设备容量、环境温度、预设目标功率因数等边界条件输出补偿电流。
本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，能显著提高并联型电流补偿设备的运行性能及效率，可以但不限于应用在并联型电能质量补偿设备中。
附图说明
图1为并联型电能质量补偿装置的结构图；
图2为本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法的控制框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1和图2，补偿设备采用并联型电能质量补偿装置，并联型电能质量补偿装置100包括控制器101和PWM模块102。控制器101采集必须的AD信号如电网电压Us、负载电流Il、补偿设备输出电流Ic后，经过本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法计算出指令电流及对应的PWM脉冲信号，输出的补偿电流能够抵消负载产生的无功电流、谐波电流、不平衡电流。
本发明的实施例，一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，包括以下步骤：
S1，通过上位机、远程控制或拨码开关选择以下补偿方式之一：
方式一：无功补偿；
方式二：谐波补偿；
方式三：不平衡补偿；
方式四：无功、谐波补偿；
方式五：谐波、无功补偿；
方式六：无功、不平衡补偿；
方式七：不平衡、无功补偿；
方式八：谐波、不平衡补偿；
方式九：不平衡、谐波补偿；
方式十：无功、谐波、不平衡补偿；
方式十一：无功、不平衡、谐波补偿；
方式十二：谐波、无功、不平衡补偿；
方式十三：谐波、不平衡、无功补偿；
方式十四：不平衡、无功、谐波补偿；
方式十五：不平衡、谐波、无功补偿；
S2，控制器101实时采集当前同一时刻电网电压us、负载电流il、补偿设备输出电流ic和直流电压信号u，利用锁相环(SPLL)得到电网电压同步角度ωt信息；对负载电流il以及补偿设备输出电流ic进行正序dq变换(派克变换)，得到负载基波正序d轴电流1ild +、负载基波正序q轴电流2ilq +、设备输出基波正序d轴电流3icd +和设备输出基波正序q轴电流4icq +；对负载电流il以及补偿设备输出电流ic进行负序dq变换(派克变换)，得到负载基波负序d轴电流5ild -、负载基波负序q轴电流6ilq -、设备输出基波负序d轴电流7icd -和设备输出基波负序q轴电流8icq -；
S3，对负载电流及补偿设备输出电流按次进行离散傅立叶变换(DFT)，得到负载各次谐波电流9i* lan，10i* lbn，11i* lcn及补偿设备输出各次谐波电流12ican、13icbn、14iccn；
S4，负载基波正序q轴电流2ilq +和负载基波负序q轴电流6ilq -为无功补偿的目标电流；
负载基波负序d轴电流5ild -为不平衡补偿的目标电流；
负载各次谐波电流9i* lan、10i* lbn、11i* lcn为谐波补偿的目标电流；
S5，定义三级优先级补偿系数分别为Level1、Level2和Level3，
S51，若补偿方式为一级：计算Level1系数并输出对应的补偿电流，确保设备运行参数在约束范围内，Level2系数为0，Level3系数为0；
S52，若补偿方式为两级，分以下两种情况：
情况S521，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0；Level3系数为0；
情况S522，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，确保设备运行参数在约束范围内；Level3系数为0；
S53，若补偿方式为三级，分以下三种情况：
情况S531，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0，Level3系数为0；
情况S532，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，设备运行参数达到约束范围上限，Level3系数为0；
情况S533，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数；若Level2系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level3系数；确保设备运行参数在约束范围内；
S6，根据步骤S1中选择的补偿方式对应分级系数，如选择方式十：无功、谐波、不平衡补偿，则对应Level1系数为无功补偿系数，对应Level2系数为谐波补偿系数，对应Level3系数为不平衡补偿系数；即得到补偿设备的目标补偿电流；
S7，按照变流器SVG一般补偿方式，将目标补偿电流与补偿设备输出电流作差后PI调制，经过电流内环及直流电压外环解耦控制后，生成基波调制波；
S8，按照变流器APF一般补偿方式，按次将目标补偿电流与补偿设备输出电流作差后PI调制，生成谐波调制波；
S9，将步骤S7生成的基波调制波及步骤S8生成的谐波调制波叠加，经过PWM模块102生成电力电子开关器件200的触发信号。
采用本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法计算出的三级补偿系数，分别赋值给上位机(或远程控制设备、屏幕等)选择的补偿方式，并在控制指令中加以限制。最终补偿设备(并联型电能质量补偿装置)即能够按照所选择的优先级对负载电流进行补偿。
本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，可完全由软件实现，也可以由软件及硬件结合实现。可以在单独控制器(包括但不限于DSP、单片机、FPGA、计算机、工控机、PLC)中实现，也可以由多控制器共同配合实现。
本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，应用于并联型电能质量补偿设备时，可将补偿目标替换为：功率因数、系统电压、不平衡度、THD等电能质量指标，并定义三级以上优先级补偿方式。对应修改用户侧输入优先级序列及程序相关内容即可实现。
本发明可单独实现APF谐波电流补偿，将单次谐波电流按照优先级排序，用户侧定义优先补偿的谐波电流次数，并定义N级优先级系数。对应修改用户侧输入优先级序列及程序相关内容即可实现。
综上所述，本发明的基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，能显著提高并联型电流补偿设备的运行性能及效率，可以但不限于应用在并联型电能质量补偿设备中。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，电能质量补偿装置包括控制器和PWM模块，其特征在于，所述自适应控制方法包括以下步骤：
S1，通过上位机、远程控制或拨码开关选择以下补偿方式之一：
方式一：无功补偿；
方式二：谐波补偿；
方式三：不平衡补偿；
方式四：无功、谐波补偿；
方式五：谐波、无功补偿；
方式六：无功、不平衡补偿；
方式七：不平衡、无功补偿；
方式八：谐波、不平衡补偿；
方式九：不平衡、谐波补偿；
方式十：无功、谐波、不平衡补偿；
方式十一：无功、不平衡、谐波补偿；
方式十二：谐波、无功、不平衡补偿；
方式十三：谐波、不平衡、无功补偿；
方式十四：不平衡、无功、谐波补偿；
方式十五：不平衡、谐波、无功补偿；
S2，所述控制器实时采集当前同一时刻电网电压、负载电流、补偿设备输出电流和直流电压信号，利用锁相环得到电网电压同步角度信息；对负载电流以及补偿设备输出电流进行正序dq变换，得到负载基波正序d轴电流、负载基波正序q轴电流、设备输出基波正序d轴电流和设备输出基波正序q轴电流；对负载电流以及补偿设备输出电流进行负序dq变换，得到负载基波负序d轴电流、负载基波负序q轴电流、设备输出基波负序d轴电流和设备输出基波负序q轴电流；
S3，对负载电流及补偿设备输出电流按次进行离散傅立叶变换，得到负载各次谐波电流及补偿设备输出各次谐波电流；
S4，负载基波正序q轴电流和负载基波负序q轴电流为无功补偿的目标电流；
负载基波负序d轴电流为不平衡补偿的目标电流；
负载各次谐波电流为谐波补偿的目标电流；
S5，定义三级优先级补偿系数分别为Level1、Level2和Level3，
S51，若补偿方式为一级：计算Level1系数并输出对应的补偿电流，确保设备运行参数在约束范围内，Level2系数为0，Level3系数为0；
S52，若补偿方式为两级，分以下两种情况：
情况S521，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0；Level3系数为0；
情况S522，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，确保设备运行参数在约束范围内；Level3系数为0；
S53，若补偿方式为三级，分以下三种情况：
情况S531，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数达到约束范围上限，对应补偿的目标电流未能全补偿，Level2系数为0，Level3系数为0；
情况S532，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数，输出对应补偿功能的电流，设备运行参数达到约束范围上限，Level3系数为0；
情况S533，计算Level1系数并输出对应的补偿电流，若Level1系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level2系数；若Level2系数达到上限，设备运行参数小于约束范围上限，计算Level3系数；确保设备运行参数在约束范围内；
S6，根据步骤S1中选择的补偿方式对应分级系数，当选择方式十：无功、谐波、不平衡补偿，则对应Level1系数为无功补偿系数，对应Level2系数为谐波补偿系数，对应Level3系数为不平衡补偿系数；根据无功补偿的目标电流和无功补偿系数得到无功补偿的目标补偿电流，根据不平衡补偿的目标电流和不平衡补偿系数得到不平衡补偿的目标补偿电流，根据谐波补偿的目标电流和谐波补偿系数得到谐波补偿的目标补偿电流；
S7，按照变流器SVG补偿方式，将无功补偿的目标补偿电流与对应的补偿设备输出电流作差后PI调节，经过电流内环及直流电压外环解耦控制后，生成基波调制波；
S8，按照变流器APF补偿方式，按次将谐波补偿的目标补偿电流与对应的补偿设备输出电流作差后PI调节，生成谐波调制波；
S9，将步骤S7生成的基波调制波及步骤S8生成的谐波调制波叠加，经过PWM模块生成电力电子开关器件的触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，其特征在于，所述情况S522中，当Level1系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数保持上限，Level1系数对应的输出电流增加；Level2系数减少，Level2系数对应的输出电流减少；若Level1系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，则情况S522中转变为情况S521。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维自由度的电能质量设备自适应控制方法，其特征在于，所述情况S533中，当Level1系数或Level2系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数及Level2系数保持上限，即Level1系数或Level2系数对应的输出电流增加；Level3系数减少，即Level3系数对应的输出电流减少；若Level1系数或Level2系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，情况S533转变为情况S532；
所述情况S532中，当Level1系数对应的目标补偿电流增加时，Level1系数保持上限，Level1系数对应的输出电流增加；Level2系数减少，Level2系数对应的输出电流减少；若Level1系数对应的目标补偿电流持续增加，设备运行参数达到约束范围上限，情况S532转变为情况S531。
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