CN111509722B - 电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统 - Google Patents

电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统 Download PDF

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CN111509722B CN202010351138.1A CN202010351138A CN111509722B CN 111509722 B CN111509722 B CN 111509722B CN 202010351138 A CN202010351138 A CN 202010351138A CN 111509722 B CN111509722 B CN 111509722B
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Abstract

本公开是关于一种电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统。其中，方法包括：在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环和电流内进行计算，得到电流内环输出值；在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；将所述电流内环输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；将所述输出电压值作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。本公开可以有效改善统一电能质量调节器的电网电压跟踪性能，提高电压跌落补偿的动态响应速度。

Description

电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统
技术领域
本公开涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统。
背景技术
随着科技的不断发展与进步，现代工业正趋向于从“粗放型”机械向“精细化”设备转变，逐渐全面实现数字化、智能化。与传统的用电负荷相比，全智能生产线、高端精密加工、数据中心等敏感用电设施对电网电能质量提出了更高的要求。但可再生能源、高铁电力机车等大量非线性、冲击性用电负荷的容量大幅增加，使得电压暂降、闪变、谐波等电能质量的问题日益突出。统一电能质量调节器作为一种柔性配电技术，不仅能够实现平衡、不平衡动态电压恢复、负荷电压调整的多目标控制，也可以补偿用电负荷的无功功率、谐波电流，集成了改善电网电能质量和提高用电负荷品质的多种功能。
统一电能质量调节器的串联变流器将输出电压叠加在电网电压上，可以实现用电负荷电压的稳定。串联变流器为了获得良好的动态响应能力和降低补偿电压的谐波含量，提高串联变流器的开关频率是一种常用的方式，该方法简单、有效。但开关频率的提高不仅对功率开关器件提出了更高的要求，而且导致装置的硬件成本、系统损耗大幅增加。在开关频率较低的情况下，单一的PI控制、重复控制、H∞控制等方法往往因自身的局限性，不能有效解决逆变器谐波电压、动态响应、不对称波动等多目标问题。
因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种电能质量调节器的电压补偿控制方法及系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种电能质量调节器的电压补偿控制方法，包括：
在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环和电流内环进行计算，得到电流内环输出值；
在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；
将所述电流内环输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；
将所述输出电压值作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压usα,usβ、滤波电感电流iLα,iLβ为输入，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)和电流内环谐振控制器Gi(s)进行计算，得到电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)；
在两相旋转坐标系下，以负载电压uLd(s),uLq(s)为输入，通过负载电压控制环Gv2(s)进行计算，得到负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)；
将所述电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)与所述负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)；
将所述输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
在两相静止坐标系下，电网电压额定值
Figure GDA0003477304340000031
与所述电网电压经带通滤波器后的值usfα(s),usfβ(s)进行比较，作为串联变流器补偿电压给定值
Figure GDA0003477304340000032
补偿电压采样值经带通滤波器后得到的uCfα(s),uCfβ(s)与所述补偿电压给定值比较后，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)进行控制：
Figure GDA0003477304340000033
其中，krv1为谐振控制器的控制系数，ωc为电网电压的角频率，ω0为与高增益带宽相关的角频率，s为复频域算子。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
电网电压额定值
Figure GDA0003477304340000034
与电网电压反馈值usα(s),usβ(s)进行比较，叠加在电压外环谐振控制器Gv1(s)的输出值上作为滤波电感电流的给定值
Figure GDA0003477304340000035
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
在两相静止坐标系下，将采集的滤波电感电流值经低通滤波器后得到的iLfα(s),iLfβ(s)与滤波电感电流给定值
Figure GDA0003477304340000036
比较后，通过谐振控制器Gi(s)进行电流内环调节，得到电网电压跌落补偿电压值uo1α(s),uo1β(s)。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
在两相旋转坐标系下，将额定负载电压
Figure GDA0003477304340000037
与负载电压反馈值uLα,uLβ比较，通过负载电压控制器Gv2(s)调节，得到负载电压谐波补偿值uo2d(s),uo2q(s)。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
将电流内环谐振控制器Gi(s)的输出值uo1α(s),uo1β(s)与负载电压控制器Gv2(s)的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，得到统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、谐振控制器构成，即
Figure GDA0003477304340000041
其中，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的比例系数，krv2为谐振控制器的控制系数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、重复控制器构成，即
Figure GDA0003477304340000042
其中，
Figure GDA0003477304340000043
为一阶低通滤波器。
本公开的示例性实施例中的电能质量调节器的电压补偿控制方法，包括：在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环和电流内环进行计算，得到电流内环输出值；在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；将所述电流内环输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；将所述输出电压值作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。本公开可以有效改善统一电能质量调节器的电网电压跟踪性能，提高电压跌落补偿的动态响应速度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本公开一示例性实施例的电能质量调节器的电压补偿控制方法的流程图；
图2示出了根据本公开一示例性实施例的统一电能质量调节器的试验验证结构图；
图3示出了根据本公开一示例性实施例的电能质量调节器的电压补偿控制方法的控制框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本示例实施例中，首先提供了一种电能质量调节器的电压补偿控制方法；参考图1中所示，该电能质量调节器的电压补偿控制方法可以包括以下步骤：
步骤S110，在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环谐振控制器和电流内环谐振控制器进行计算，得到电流内环谐振控制器输出值；
步骤S120，在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；
步骤S130，将所述电流内环输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；
步骤S140，将所述输出电压值作为电压补偿值，对电能质量调节器的电压进行补偿控制。
本公开的示例性实施例中的电能质量调节器的电压补偿控制方法，包括：在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环和电流内环进行计算，得到电流内环输出值；在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；将所述电流内环输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；将所述输出电压值作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。本公开可以有效改善统一电能质量调节器的电网电压跟踪性能，提高电压跌落补偿的动态响应速度。
如图2所示，为统一电能质量调节器的试验验证结构图，下面，将根据所述结构图对本示例实施例中的电能质量调节器的电压补偿控制方法进行进一步的说明。
在步骤S110中，可以在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环谐振控制器和电流内环谐振控制器进行计算，得到电流内环输出值。
在本示例的实施例中，在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压usα,usβ、滤波电感电流iLα,iLβ为输入，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)和电流内环谐振控制器Gi(s)进行计算，得到电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：在两相静止坐标系下，电网电压额定值
Figure GDA0003477304340000071
与所述电网电压经带通滤波器后的值usfα(s),usfβ(s)进行比较，作为串联变流器补偿电压给定值
Figure GDA0003477304340000072
补偿电压采样值经带通滤波器后得到的uCfα(s),uCfβ(s)与所述补偿电压给定值比较后，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)进行控制：
Figure GDA0003477304340000073
其中，krv1为谐振控制器的控制系数，ωc为电网电压的角频率，ω0为与高增益带宽相关的角频率，s为复频域算子。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：电网电压额定值
Figure GDA0003477304340000074
与电网电压反馈值usα(s),usβ(s)进行比较，叠加在电压外环谐振控制器Gv1(s)的输出值上作为滤波电感电流的给定值
Figure GDA0003477304340000075
在本示例的实施例中，所述方法还包括：在两相静止坐标系下，将采集的滤波电感电流值经低通滤波器后得到的iLfα(s),iLfβ(s)与滤波电感电流给定值
Figure GDA0003477304340000081
比较后，通过谐振控制器Gi(s)进行电流内环调节，得到电网电压跌落补偿电压值uo1α(s),uo1β(s)。
在本示例的实施例中，在两相静止坐标系下，通过低通滤波器
Figure GDA0003477304340000082
获取滤波后的电网电压usfα,usfβ、电感电流iLfα,iLfβ、电容电压uCfα,uCfβ；
将额定电网电压
Figure GDA0003477304340000083
与usfα,usfβ作比较，提取串联变流器所需补偿的电网跌落电压作为电容电压给定值
Figure GDA0003477304340000084
与上述步骤所获取电容电压uCfα,uCfβ的差值通过电压外环谐振控制器Gv1(s)，得到
Figure GDA0003477304340000085
Figure GDA0003477304340000086
额定电网电压
Figure GDA0003477304340000087
与滤波前电网电压usα,usβ的差值经过比例调节后，叠加在上述步骤中所获取的电压外环控制器的输出上，得到电感电流给定值
Figure GDA0003477304340000088
将电感电流给定值
Figure GDA0003477304340000089
与电感电流iLfα,iLfβ作比较，通过电流内环谐振控制器Gi(s)，得到电网跌落补偿电压值uo1α(s),uo1β(s)。
在步骤S120中，可以在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值。
在本示例的实施例中，在两相旋转坐标系下，以负载电压uLd(s),uLq(s)为输入，通过负载电压控制环Gv2(s)进行计算，得到负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：在两相旋转坐标系下，将额定负载电压
Figure GDA0003477304340000091
与负载电压反馈值uLα,uLβ比较，通过负载电压控制器Gv2(s)调节，得到负载电压谐波补偿值uo2d(s),uo2q(s)。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、谐振控制器构成，即
Figure GDA0003477304340000092
其中，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的比例系数，krv2为谐振控制器的控制系数。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、重复控制器构成，即
Figure GDA0003477304340000093
其中，
Figure GDA0003477304340000094
为一阶低通滤波器。
在本示例的实施例中，在两相旋转坐标系下，将额定负载电压
Figure GDA0003477304340000095
与负载电压反馈值uLα,uLβ比较，通过负载电压控制器Gv2(s)调节，得到负载电压谐波补偿值：
Figure GDA0003477304340000096
Figure GDA0003477304340000097
在步骤S130中，可以将所述电流内环谐振控制器输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值。
在本示例的实施例中，将所述电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)与所述负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)。
在本示例的实施例中，将电流内环谐振控制器Gi(s)的输出值uo1α(s),uo1β(s)与负载电压控制器Gv2(s)的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，得到统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)。
在本示例的实施例中，分别将上述步骤所得到的电网跌落补偿电压值uo1α(s),uo1β(s)与负载电压谐波补偿值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，得到统一电能质量调节器串联变流器的输出指令值
Figure GDA0003477304340000101
在步骤S140中，可以将所述输出电压值作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。
在本示例的实施例中，将所述输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。
在本示例的实施例中，如图3所示，为电能质量调节器的电压补偿控制方法的控制系统框图，根据本公开的电能质量调节器的电压补偿控制方法，可以改善统一电能质量调节器的电网电压跟踪性能，提高电压跌落补偿的动态响应速度；经带通滤波器的受控量可以有效抑制因装置自身、负载电流谐波等干扰导致统一电能质量调节器产生的谐波电压，同时将负载电压作为电压控制环的控制量，可以有效抑制带通滤波器、低开关频率的影响，提高串联电压补偿的动态响应能力。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (9)

1.一种电能质量调节器的电压补偿控制方法，其特征在于，包括：
在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压usα,usβ、滤波电感电流iLα,iLβ为输入，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)和电流内环谐振控制器Gi(s)进行计算，得到电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)；
在两相旋转坐标系下，以负载电压uLd(s),uLq(s)为输入，通过负载电压控制环Gv2(s)进行计算，得到负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)；
将所述电流内环谐振控制器输出值uo1α(s),uo1β(s)与所述负载电压控制环的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)；
将所述输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)作为电压补偿值，完成统一电能质量调节器的电压补偿控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在两相静止坐标系下，电网电压额定值
Figure FDA0003477304330000011
与所述电网电压经带通滤波器后的值usfα(s),usfβ(s)进行比较，作为串联变流器补偿电压给定值
Figure FDA0003477304330000012
补偿电压采样值经带通滤波器后得到的uCfα(s),uCfβ(s)与所述补偿电压给定值比较后，通过电压外环谐振控制器Gv1(s)进行控制：
Figure FDA0003477304330000013
其中，krv1为谐振控制器的控制系数，ωc为电网电压的角频率，ω0为与高增益带宽相关的角频率，s为复频域算子。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
电网电压额定值
Figure FDA0003477304330000014
与电网电压反馈值usα(s),usβ(s)进行比较，叠加在电压外环谐振控制器Gv1(s)的输出值上作为滤波电感电流的给定值
Figure FDA0003477304330000021
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在两相静止坐标系下，将采集的滤波电感电流值经低通滤波器后得到的iLfα(s),iLfβ(s)与滤波电感电流给定值
Figure FDA0003477304330000022
比较后，通过谐振控制器Gi(s)进行电流内环调节，得到电网电压跌落补偿电压值uo1α(s),uo1β(s)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在两相旋转坐标系下，将额定负载电压
Figure FDA0003477304330000023
与负载电压反馈值uLα,uLβ比较，通过负载电压控制器Gv2(s)调节，得到负载电压谐波补偿值uo2d(s),uo2q(s)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将电流内环谐振控制器Gi(s)的输出值uo1α(s),uo1β(s)与负载电压控制器Gv2(s)的输出值uo2d(s),uo2q(s)变换到三相静止坐标系下进行叠加，得到统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值uouta(s),uoutb(s),uoutc(s)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、谐振控制器构成，即
Figure FDA0003477304330000024
其中，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的比例系数，krv2为谐振控制器的控制系数，ωc为电网电压的角频率，ω0为与高增益带宽相关的角频率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述负载电压控制环Gv2(s)可由PI控制、重复控制器构成，即
Figure FDA0003477304330000025
其中，
Figure FDA0003477304330000026
为一阶低通滤波器，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的比例系数，T为一阶低通滤波器时间常数，T'为一阶低通滤波器时间常数导数。
9.一种电能质量调节器的电压补偿控制系统，其特征在于，包括：
第一输入模块，用于在两相静止坐标系下，以经带通滤波器后的电网电压、滤波电感电流为输入，通过电压外环谐振控制器和电流内环谐振控制器进行计算，得到电流内环谐振控制器输出值；
第二输入模块，在两相旋转坐标系下，以负载电压为输入，通过负载电压控制环进行计算，得到负载电压控制环的输出值；
变化模块，将所述电流内环谐振控制器输出值与所述负载电压控制环的输出值变换到三相静止坐标系下进行叠加，获得统一电能质量调节器串联变流器的输出电压值；
控制模块，用于将所述输出电压值作为电压补偿值，输入电能质量调节器进行电压补偿控制。
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