CN111835013B - 一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，包括对网侧电压采集并进行基波成分提取，求得电网电压相位，计算负载电压参考值；采用PI控制输出补偿电压参考，反推补偿后的负载电压，求得当前负载电压与目标负载电压的差值，作为PI输入，如此往复实现了电压幅值补偿；对于需要相位补偿的电压参考，设定相位步长，逐次调整相位大小，采用PI控制调整及输出需要进行相位补偿的参考电压，上述的幅值补偿过程一直进行，保证补偿后电压幅值稳定；幅值补偿的补偿电压参考与相位补偿的补偿电压参考叠加，作为总补偿电压的参考。本发明实时得到补偿电压的幅值，实时调整补偿电压的相位与幅值，实现电压的精确补偿。
Description
技术领域
本发明涉及电能质量治理领域，具体涉及一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法。
背景技术
在一些偏远的地区，特别是山区等环境，尽管变压器出线端的电压正常，但由于配电线路长以及用户用电情况变化大等原因，线路末端低电压的现象十分常见，不少家庭由于低电压问题无法正常使用家用电器，特别是在用电高峰的夏季，家家户户对于电风扇、空调以及电冰箱等家用电器的需求非常大，低电压问题严重影响居民的生活水平。
常见的末端低电压治理方法是机械式低电压治理方式，将变压器串联至低电压线路中，根据接入点的电网电压，调整变压器的档位，将变压器的输出电压叠加至负载侧，从而达到提升用户电压的效果。传统的机械式低电压治理方式调节速度慢，调节精度差，总体补偿效果并不理想；电力电子式治理方法采用基于电力电子技术的换流模块与传统隔离变压器结合的方案，实现对电压的灵活补偿，但补偿电压越高，线路压降越大，设备接入点电压越低，因此需要实时跟踪电压补偿过程中网侧电压的变化，实现电压的精确补偿。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，本发明的技术方案如下：。
一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，包括补偿电压的幅值跟踪以及相位跟踪，采用PI控制方法实现对负载侧电压的实时准确跟踪，并对补偿电压进行精细调节，达到同时补偿电压幅值与电压相位的目的，该算法具体过程如下：
步骤1：采集电网电压，计算电网电压的相位，根据目标的负载电压幅值，得到无相偏条件下的目标负载侧电压参考值；
步骤2：不考虑相位补偿，采用PI控制，实时反馈网侧电压+补偿电压结果，逐步修改输出电压的幅值，最终达到负载侧电压与给定电压(无相位偏移)相同的结果；
步骤3：考虑相位补偿，计算目标负载电压的参考值，再次进行PI控制及反馈，输出修改输出电压的幅值与相位，最终达到负载侧电压与给定电压(有相位偏移)相同的结果。
进一步地，采用整周期SDFT(滑动傅里叶变换)算法进行电网电压相位的求取，采用整周期DFT算法消除累计偏差，对于检测而言具有一个周期的延时，但其滤波性能优，跟踪时间固定，在50Hz工频的环境下，可以精准检测电网电压相位。
步骤2和步骤3两个环节的目标负载电压参考为直流信号，即给定的电压参考为在电网电压基波相位上的投影，相位与电网电压相位保持相对静止，由此可采用PI(比例积分)控制方法实现电压的跟踪。
在相位补偿时，为防止电压的剧烈波动，设定相位步长，当补偿后负载电压达到某一个相位时，再进行下一个相位的参考及补偿，逐步逼近设定的目标相位；由于相位补偿对电压幅值具有影响，因此幅值补偿一直在进行，随着相位参考的变化，幅值补偿过程会有一定的波动性。
该方法采用SDFT直流跟踪以及两级PI控制，充分考虑电压补偿造成的线路压降动态变化的现象，实现负载侧电压的精确反馈；在相位补偿过程中，采用相位逐步逼近的方法，减小电压的波动，保证电压幅值跟踪过程中的稳定性；该方法可以根据补偿环境以及设备的状态，同时进行电压幅值与相位的补偿，且使得补偿过程中补偿电压的总体趋势不变，电压给定值变化稳定，最终可以准确地补偿至目标电压值。
本发明的有益效果为：充分考虑电压补偿导致线路分压增大的因素，补偿电压跟随网侧电压变化而实时调整；逐点判断电压的变化趋势，实时得到补偿电压的幅值；为使得补偿电压输出最小的有功功率，可设定补偿角度，根据角度及目标电压值，实时调整补偿电压的相位与幅值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供的电压补偿电路示意图；
图2为本发明实施例所提供的算法流程框图；
图3为本发明实施例所提供的无相位调整时补偿电压跟踪波形图；
图4为本发明实施例所提供的无相位调整时电网电压变化波形图；
图5为本发明实施例所提供的无相位调整时电网电压峰值波形图；
图6为本发明实施例所提供的无相位调整时负载电压变化波形图；
图7为本发明实施例所提供的全相位直接调整时负载电压变化波形图；
图8为本发明实施例所提供的相位分段调整时负载电压变化波形图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，该算法应用于低电压治理中的补偿电压参考给定环节，可根据设备的补偿需求，实时调整补偿电压的幅值与相位，将负载电压补偿至目标值。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明实施例所提供的电压补偿电路示意图，属于单相配电拓扑的简化图，低电压分支位于配电线路末端，变压器出线侧利用恒定电压源替代，低电压治理装置采用受控电压源替代，线路阻抗忽略电感的影响，末端负载以及前端负载均为RL阻抗：
前端线路的等效阻抗为RL1+jωLL1，末端支路的等效阻抗为RL2+jωLL2，前端的等效电流为i1，末端支路的等效电流为i2，因此两个分支线路分压为i1×(RL1+jωLL1)和i2×(RL2+jωLL2)；提高末端电压后，末端支路的分压为(i2+△i2)×(RL2+jωLL2)，前端支路分压为(i1+△i1)×(RL1+jωLL1)，两条线路上的压降均增大，由此可知，电压补偿过程对补偿点电压造成变化，实时跟踪补偿点电压变化趋势并调整补偿电压，才可保证补偿后电压达到设定值。
如图2所示为本发明实施例所提供的算法流程框图，算法流程包括两部分，即无相偏时电压跟踪以及有相偏时电压跟踪：
1)无相偏电压跟踪时，采集电网电压，对电网电压的有功无功分量以及相位进行求解，根据目标幅值，得到负载侧电压的直流参考值；根据网侧电压直流量以及补偿电压的直流量，计算实际的负载电压直流量，计算目标值与实际值的偏差，对偏差进行PI控制，直至将偏差控制为0，即可将负载电压补偿值目标值；
①采用SDFT算法得到电网电压的初始相位，计算电网电压初始相位在零轴α以及正交轴β上的分量，再根据设定的目标幅值，得到负载电压参考在α轴和β轴的分量；
②根据补偿电压参考值，换算负载侧电压在α轴和β轴的分量，计算两个分量与负载电压参考对应轴分量的差值(即下述的“偏差”)，作为PI控制的输入；
③对α轴和β轴上的偏差分别控制，两个坐标轴的偏差控制目标为0，输出结果作为补偿电压在两个坐标轴的参考，根据相位关系，实时修改并输出补偿电压参考瞬时值。
2)在上述偏差跟踪到较小范围时(视为无相偏电压跟踪过程的稳态)，开始进行有相偏电压跟踪过程：设定相位变化步长，每次调整较小的角度，再利用PI控制进行跟踪调整，直至对小的相位调整完毕，再继续增加调整的角度，重复上述步骤；
①根据相位偏移量θ以及设定的相位步长计算逐次调整的相位大小，每次递增/>直到达到设定的偏移量θ；
②根据1)测得的相位、设定的目标幅值以及调整的相位偏移量，计算此时的目标负载电压在α轴和β轴的分量，再进行PI控制，求得相位补偿时所需的电压参考，根据相位关系，实时修改并输出补偿电压参考瞬时值。
3)对于有相偏电压跟踪时，调整相位的同时还需要对幅值不断进行跟踪，防止相位调整过程中的幅值变化，最终补偿电压参考输出为无相偏电压跟踪输出与有相偏电压跟踪输出之和。
为了保证电压输出过程中，负载侧电压变化的方向一致，采用先幅值后相位的方式，首先补偿电压补偿方向与电网电压同相，以最快的速度使负载电压达到目标幅值，达到目标幅值后，不断微调负载电压的相位，使得负载电压渐变至目标电压处，相位调整过程的幅值波动非常小，可视为幅值不变。
如图3所示为无相位调整时补偿电压跟踪波形图，可以看出在PI控制的作用下，补偿电压缓慢提高，一段时间后趋于稳定，控制过程平稳；如图4所示为电压补偿前后末端分支网侧电压波形图，为显著地展现网侧电压衰减的过程，图5展示了电网电压峰值的变化趋势图，可以看出随着补偿电压逐渐提高，网侧电压缓慢降低，但由于网侧电压降低的速度低于补偿电压提高的速度，因此负载侧电压逐渐提高，负载侧电压波形如图6所示，尽管网侧电压降低，但是补偿电压提高更快，因此负载电压总体提高。
如图7所示为全相位直接调整时负载电压变化波形图，即：不设定相位调整步长，直接根据相位设定值进行调整，仿真设置调整相位60度，可以看出补偿电压在刚开始进行相位调整时有一个很大的波动，且相位变化越大，补偿电压波动越大，这对于补偿稳定性以及系统稳定性非常不利。
如图8所示为相位分段调整时负载电压变化波形图，仿真条件调整相位60度，每15度调整一次，逐次逼近，可以看出补偿电压的波动相对于直接调整时，负载电压整体平滑，幅值变化非常小，有利于系统的稳定性。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，其特征在于，采集末端用户电压，采用PI控制方法实现对负载侧电压的实时准确跟踪，并对补偿电压进行精细调节，达到同时补偿电压幅值与电压相位的目的，实现补偿电压的幅值及相位跟踪，具体步骤如下：
步骤1：采集电网电压，计算电网电压的相位，根据目标的负载电压幅值，得到无相偏条件下的目标负载侧电压参考值；
步骤2：不考虑相位补偿，即无相位偏移条件下，采用PI控制，实时反馈网侧电压+补偿电压结果，逐步修改输出电压的幅值，最终达到负载电压与给定电压相同的结果；
步骤3：考虑相位补偿，即有相位偏移条件下：
步骤3-1：根据相位偏移量θ以及设定的相位步长计算逐次调整的相位大小，每次递增/>直到达到设定的偏移量θ；
步骤3-2：根据步骤1所得电网电压相位、设定的目标幅值以及调整的相位偏移量，计算此时的目标负载电压在α轴和β轴的分量，再进行PI控制，求得相位补偿时所需的电压参考，根据相位关系，实时修改并输出补偿电压参考瞬时值；
步骤4：最终补偿电压参考输出为无相位偏移条件下电压跟踪输出与有相位偏移条件下电压跟踪输出之和。
2.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，其特征在于，采用整周期SDFT算法进行电网电压相位的求取，采用整周期DFT算法消除累计偏差，对于检测而言具有一个周期的延时，但其滤波性能优，跟踪时间固定，在50Hz工频的环境下，可以精准检测电网电压相位。
3.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，其特征在于，步骤2和步骤3两个环节的目标负载电压参考为直流信号，即给定的电压参考为在电网电压基波相位上的投影，相位与电网电压相位保持相对静止，由此可采用PI控制方法实现电压的跟踪。
4.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，其特征在于，在相位补偿时，设定相位步长用于防止电压的剧烈波动，当补偿后负载电压达到某一个相位时，再进行下一个相位的参考及补偿，逐步逼近设定的目标相位。
5.根据权利要求4所述的一种基于闭环控制的低电压治理装置补偿电压给定方法，其特征在于，相位补偿对电压幅值具有影响，因此幅值补偿一直在进行，随着相位参考的变化，幅值补偿过程会有一定的波动性。
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