CN117878957A - 一种upqc系统及统一建模的状态反馈解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPQC系统及统一建模的状态反馈解耦方法，涉及电能质量调节器领域。目前的统一电能质量调节器中，SAPF和PAPF连接的直流母线一般并联大电容，电容存储的电能供串联侧和并联侧使用，给直流侧带来存在强耦合，现有的解耦方法未应用于UPQC的直流侧解耦中，难以实现对UPQC的直流侧解耦控制。本发明的UPQC的直流侧采用双向DC‑DC变换器拓扑结构，用虚拟阻抗控制代替电阻，UPQC串联单元与并联单元统一建模，对一相电路进行建模，建立基于UPQC串联与并联的统一建模的状态空间方程，采用状态反馈解耦对串联与并联在直流侧存在的强耦合进行解耦，最终消除串联侧与并联侧的强耦合。可以直接对两侧进行直接的控制，在系统数据快速变化的时候能够快速控制。

Description

一种UPQC系统及统一建模的状态反馈解耦方法

技术领域

本发明涉及电能质量调节器领域，尤其涉及一种UPQC系统及统一建模的状态反馈解耦方法。

背景技术

近年来，随着新能源及大量非线性负荷接入电网，对电网造成了严重的谐波污染，使得治理电能质量问题越来越严重，电能质量问题主要体现在电压和电流两方面，目前广泛采用的主动型电能质量治理方法是设计UPQC(统一电能质量调节器)，UPQC一般由SAPF(串联型有源滤波器)和PAFP(并联型有源滤波器)组成，PAPF主要用于处理电流质量问题(如谐波电流等)，SAPF主要用于处理电压质量问题(如电网电压骤降、三相电压不平衡等)。

SAPF和PAPF连接的直流母线一般并联大电容，电容存储的电能供串联侧和并联侧使用，这也给直流侧带来存在强耦合，SAPF和PAPF的控制策略的不同加剧了直流耦合，导致直流侧电压很难控制，容易波动。PAPF的稳压控制是基于这个直流侧电压是恒定的前提下进行的，直流电压不稳定对PAPF的控制体系构成挑战和威胁。

专利CN 109768585 A提出一种交直流系统及其解耦方法，该解耦方法包括：获取换流器交流侧的交流电压；根据交流电压获取三相相电压的基波分量和三相相电压的直流分量，该专利仅仅是广泛的交直流系统，未应用于UPQC的直流侧解耦中。目前对于UPQC的直流侧解耦多集中于变换器拓扑及控制设计，未考虑SAPF和PAPF实际情况，难以实现对UPQC的直流侧解耦控制，不具有普适性。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种UPQC系统及统一建模的状态反馈解耦方法，以减弱并联有源滤波器与串联有源滤波器在直流侧的耦合关系，提升对UPQC直流侧解耦控制能力为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种UPQC系统，包括串联型有源滤波器SAPF、并联型有源滤波器PAPF、双向DC/DC变换器，所述的串联型有源滤波器SAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的串联侧，所述的并联型有源滤波器PAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的并联侧。UPQC的直流侧采用双向DC/DC变换器拓扑结构，用虚拟阻抗控制代替电阻，该拓扑与电阻隔离UPQC拓扑一样，能够减弱并联有源滤波器与串联有源滤波器在直流侧的耦合关系，直流侧从并联传输到串联的能量能够双向流动且提升对UPQC直流侧解耦控制能力。

一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法，包括以下步骤：

1)UPQC串联单元与并联单元联合统一建模，对一相电路进行建模；

2)建立基于UPQC串联与并联的统一建模的状态空间方程；

3)采用状态反馈解耦对串联与并联在直流侧存在的强耦合进行解耦；

4)消除串联侧与并联侧的强耦合后，对两侧进行直接的控制。

由于三相对称结构，UPQC串联单元与并联单元统一建模，对一相电路进行建模即可，并用状态反馈解耦的方法消除串并联单元的耦合关系，使得UPQC稳定运行，补偿效果明显提高。

作为优选技术手段：步骤1)中，建模时，原副边匝比取1:1，简化模型分析主要问题，只分析UPQC其接入交流侧的耦合关系，串联单元和并联单元均采用无源LC滤波器，变压器视为理想模型。通过简化模型分析问题的方式，实现理想模型的建立。

作为优选技术手段：步骤2)中，选取SAPF输入电流i_f、SAPF输出电压u₁、PAPF输入电流i_p1、PAPF输出电压i_L为状态变量，SAPF的输入电压U_i、PAPF输入电压U_p、电网电压U_s，直流耦合侧电压U₂、直流耦合侧电流i_p为输出量，串联与并联单元的联合状态空间方程表达式为：

其中，x＝[i_f u₁ i_p1 i_L]^T,y＝[u₂ i_p]^T,u＝[U_i u_p u_s]^T

。建立状态空间方程。

作为优选技术手段：步骤3)中，采用u＝Kx+Fv控制率实现SAPF和PAPF直流母线之间的解耦。通过解耦，消除UPQC串并联两侧的耦合，可以直接对两侧进行直接的控制，在系统数据快速变化的时候能够快速控制，具有很强的自适应性与鲁棒性。

有益效果：直流侧采用双向DC/DC变换器拓扑结构，用虚拟阻抗控制代替电阻，能够减弱并联有源滤波器与串联有源滤波器在直流侧的耦合关系，提升对UPQC直流侧解耦能力，通过统一建模的状态反馈解耦，消除串并联单元的耦合关系，可以对两侧进行直接的控制，在系统数据快速变化的时候能够快速控制，具有很强的自适应性与鲁棒性，使得UPQC运行更稳定，补偿效果明显提高。

附图说明

图1是本发明中带光伏系统的UPQC系统示意图。

图2是本发明中带光伏系统的UPQC的等效变压器单相电路图。

图3是本发明中的解耦控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种UPQC系统，包括串联型有源滤波器SAPF、并联型有源滤波器PAPF、双向DC/DC变换器，串联型有源滤波器SAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的串联侧，并联型有源滤波器PAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的并联侧，双向DC/DC变换器与光伏系统的DC/DC变换器连接，光伏系统设有超级电容储能装置，串联型有源滤波器SAPF与负载侧连接，并联型有源滤波器PAPF与电网侧连接，以实现电能调节，UPQC的直流侧采用双向DC/DC变换器拓扑结构，用虚拟阻抗控制代替电阻，该拓扑与电阻隔离UPQC拓扑一样，能够减弱并联有源滤波器与串联有源滤波器在直流侧的耦合关系，但是不会像电阻隔离UPQC拓扑在能量传输控制中消耗的能量，直流侧从并联传输到串联的能量能够双向流动且可控。

如图1、2所示，基于以上一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法的具体实施例，其过程包括以下步骤：

1)由于三相对称结构，将串联单元与并联单元在交流侧联合起来进行统一建模，取其中一相电路进行分析；

2)建立基于UPQC串联与并联的统一建模的状态空间方程：原副边匝比取1:1，简化模型分析主要问题，只分析UPQC其接入交流侧的耦合关系，串联单元和并联单元均采用无源LC滤波器，变压器视为理想模型，该电路网络阶数为4，选取SAPF输入电流i_f、SAPF输出电压u₁、PAPF输入电流i_p1、PAPF输出电压i_L为状态变量，SAPF的输入电压U_i、PAPF输入电压U_p、电网电压U_s，直流耦合侧电压U₂、直流耦合侧电流i_p为输出量，串联与并联单元的联合状态空间方程表达式为：

其中，x＝[i_f u₁ i_p1 i_L]^T,y＝[u₂ i_p]^T,u＝[U_i u_p u_s]^T

由图2可列出下列方程：

将上述方程中的非状态变量及一阶导数用状态变量、输入量和他们的一阶导数表示，消去非状态变量及一阶导数，经过整理后得到：

即

3)采用状态反馈解耦对串联与并联在直流侧存在的强耦合进行解耦，设计控制规律u＝Kx+Fv，使得闭环系统∑[A,B,C]解耦。那么系统解耦之后的闭环系统为∑[A_c.B_c,C_c]即：

y＝C_cx＝Cx

由上述建立的状态方程可知：

计算d₁:

c₁A⁰B＝[0 0 0]

使得c₂A^lB≠0的最小l为1，因此d₁＝1

计算d₂:

使得c₂A^lB≠0的最小l为0，因此d₂＝0。

所以闭环系统为：

y＝Cx

该闭环系统的传递函数为：

因此，采用u＝Kx+Fv控制率就能实现SAPF和PAPF直流母线之间的解耦；

4)经过状态反馈解耦的等效结构图，如图3所示，解耦之后的UPQC串并联两侧的耦合消除，可以直接对两侧进行直接的控制。在系统数据快速变化的时候能够快速控制，具有很强的自适应性与鲁棒性。

以上图1-3所示的一种UPQC系统及统一建模的状态反馈解耦方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种UPQC系统，其特征在于：包括串联型有源滤波器SAPF、并联型有源滤波器PAPF、双向DC/DC变换器，所述的串联型有源滤波器SAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的串联侧，所述的并联型有源滤波器PAPF和直流母线电容并联后连接在双向DC/DC变换器的并联侧。

2.采用权利要求1所述的一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法，其特征在于包括以下步骤：

1)UPQC串联单元与并联单元联合统一建模，对一相电路进行建模；

2)建立基于UPQC串联与并联的统一建模的状态空间方程；

3)采用状态反馈解耦对串联与并联在直流侧存在的强耦合进行解耦；

4)消除串联侧与并联侧的强耦合后，对两侧进行直接的控制。

3.根据权利要求2所述的一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法，其特征在于：步骤1)中，建模时，原副边匝比取1:1，简化模型分析主要问题，只分析UPQC其接入交流侧的耦合关系，串联单元和并联单元均采用无源LC滤波器，变压器视为理想模型。

4.根据权利要求2所述的一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法，其特征在于：步骤2)中，选取SAPF输入电流i_f、SAPF输出电压u₁、PAPF输入电流i_p1、PAPF输出电压i_L为状态变量，SAPF的输入电压U_i、PAPF输入电压U_p、电网电压U_s，直流耦合侧电压U₂、直流耦合侧电流i_p为输出量，串联与并联单元的联合状态空间方程表达式为：

5.根据权利要求2所述的一种UPQC系统的统一建模的状态反馈解耦方法，其特征在于：步骤3)中，采用u＝Kx+Fv控制率实现SAPF和PAPF直流母线之间的解耦。