（电力电子与电力传动专业论文）统一电能质量调节器新型控制策略研究.pdf

a b s t r a c t a san e wc o n t r o ld e v i c eo fp o w e rq u a i l t y , u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to fp o w e r e l e c t r o n i c s i ti sap o w e r f u lt o o lt o c o m p e n s a t et h ef l u c t u a t i o na n dh a r m o n i co fp o w e rl i n ev o l t a g e ，a n dr e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i cc u r r e n to fl o a d s o nt h eb a s i co fp r e c e d i n gw o r ko ft h i sp r o j e c ta n dt h er e s e a r c hp r o d u c t i o no f t h i s f i e l d ，t h es t r u c t u r e ，d e t e c ta n dc o n t r o lm e t h o da r ea n a l y z e d a n d t h ec o n t r o lm e t h o di s r e s e a r c h e da sam a j o ra s p e c ti nt h i sp a p e r i n t h i sp a p e r ，o n e c y c l ec o n t r o lm e t h o d ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o lt h ea c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) w i d e l y , i sd e e p l ys t u d i e d a n dao n e c y c l ec o n t r o lm e t h o df o r d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sp r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i co fu p q c ，ao n e c y c l ec o n t r o lm e t h o df o ru p q ci sm e n t i o n e d i th a s s i m p l i f i e dc i r c u i t ，h i g hp r e c i s i o na n de f f e c t u a lc o m p e n s a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo f t h i sm e t h o d i nt h ep r e c e d i n gw o r k , t h es y n c h r o n a ld e a d b e a tc o n t r o l a n dr o b u s tc o n t r o l m e t h o df o ru p q ca r em e n t i o n e d b u tt h e s em e t h o d sb a s eo nau n i f i e dm a t hm o d e l a i m i n gt h i sf l a w , t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o df o ru p q c i sm e n t i o n e di nt h i sp a p e r i t a d a p t sw e l lt ot h en o n 1 i n e a r i t ya n di n s t a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m b u tw h e nt h e s y s t e mp a r a m e t e r sh a v eap e r t u r b e dp r o b l e m ，t h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r c a n n o tt u n eb y i t s e l f t h e r e f o r e ，ap a r a m e t e rs e l f - t u n i n gp ic o n t r o l l e r b a s e do nf u z z yi n f e r e n c e m e t h o da n daf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nn e u r a ln e t w o r ka r em e n t i o n e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o di s e f f e c t u a la n di t s i m p r o v e ri sa d v a n c e d a tl a s t ，t h i sp a p e rb a s i c a l l yr e a l i z e sr o u t i n ec o n t r o lo fu p q c t h em a i nc i r c u i ti s b u i l tb a s e do nt h e7 m b p 5 0 r a l2 0 a n dt h ep a r a m e t e r so fm a i nc i r c u i ta r ed e s i g n e d s u c ha sc o u p l i n gt r a n s f o r m e ro nt h es e r i e ss i d e ，c a p a c i t a n c eo fc o n v e r t e ra n ds oo n t h ec o n t r o lc i r c u l tu s e st m s 3 2 0 f 2 812a st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t i ta l s oc o n t a i n s p o w e rs u p p l yc i r c u i t , d e t e c t i o nc i r c u i tf o rs e n s o ra n dz e r o c r o s s i n g d e t e c t o ra n d i s o l a t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r ep r o g r a mf o ru p q ci sd e s i g n e d a n dt h ee x p e r i m e n t c u r v ei sa n a l y z e d k e yw o r d s ：u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) ；o n e c y c l ec o n t r o l ； f u z z yc o n t r o l ；s e l f - t u n i n gf u z z y p ic o n t r o l ； f u z z yc o n t r o lb a s e do nn e u r a ln e t w o r k ；d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫叠盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：崔锱签字日期：，f 7 年厂月f 汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蓥盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名； 摧键 导师签名： 签字日期：矽口7 年月傍e t 签字日期： 汐日 第一章绪论 第一章绪论 随着电力系统中非线性负荷、冲击负荷的不断增加，尤其是电力电子变换装 置的广泛应用，电网的谐波畸变越来越严重。同时电网电压也经常出现三相不平 衡和谐波干扰现象。另一方面，随着各种复杂的精密的，对电能质量要求较高的 装置( 如计算机) 的普及，人们对电能质量提出了越来越高的要求。低劣的供电 质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要的工业生产过程中，供电的中断或波 动将带来巨大的经济损失。例如柔性制造系统和计算机集成制造系统对配电系统 中干扰和异常非常敏感，几分之一秒的不正常就可引起制造系统的混乱。因此如 何提高电能质量成为近年来电力电子等相关领域的热点课题。 1 1 电能质量的基本概念 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的 公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系统中 还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差1 2 0 。但由于系统中 的发电机、变压器和负载的非线性或不对称性，以及运行操作、外来干扰和各种 故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电 环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。 目前还没有一个统一的电能质量标准。i e c 标准对电能质量的定义为：电能 质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。根 据这个定义，电能质量问题总体上可分为以下几种： ( 1 ) 断电( i n t e r r u p t i o n ) ：在一定时间内，一相或多相完全失去电压( 低于 0 1 p u ) 。断电按其持续时间可分为3 类：瞬时断电：o 5 周波3 s ；暂时断电： 3 , - - 6 0 s ：持续断电： 6 0 s 。 ( 2 ) 电压骤降( v o l t a g es a g s ) ：持续时间为0 5 周波- - 6 0 s ，电压幅值为 0 1 - 0 9 p u ，系统频率仍为额定值。 ( 3 ) 电压骤升( v o l t a g es w e l l s ) ：持续时间为0 5 周波- - 6 0 s ，电压幅值为 1 1 - 1 8 p u ，系统频率仍为额定值。 ( 4 ) 瞬时脉冲( t r a n s i e n t sp u l s e ) ：瞬时脉冲表示了两个连续稳态之间在极 短时间内发生的一种突变现象或数量变化。它可以是任一极性的单方向脉冲，或 第一章绪论 是发生在任一极性阻尼振荡的第一尖峰。 ( 5 ) 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的1 1 0 1 2 0 ，持续时间大于 l r a i n 。 ( 6 ) 欠电压( u n d e rv o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 9 0 ，持续时间大于 1 m i n 。 ( 7 ) 谐波( h a r m o n i c s ) ：一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍。可以用傅里叶分解和统计分析方法求取。 ( 8 ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) - 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 间谐波主要是由静止变频器、感应电机和电弧设备产生。 ( 9 ) 电压切痕( v o l t a g en o t c h e s ) ：持续时间小于0 5 周波的电压扰动。电压 切痕主要是由于电力电子装置由一相换到另一相时，参与换相的电路瞬时短路而 造成的。与电压切痕有关的频率分量非常高，采用常规的谐波分析仪对它进行测 量是很困难的。 ( 1 0 ) 三相不平衡( i m b a l a n c e ) ：指三相电力系统中三相不对称的程度。造 成电力系统三相不对称的原因很多，主要有两类。一类是大容量不对称负荷的接 入，如电力机车等：另一类是电网中的谐波造成三相不平衡。 ( 1 1 ) 电压波动和闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r ) ：电压波动是指工频 电压包络线的一系列变动或周期变化。电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的 照明异常的视觉感受。电弧炉、轧钢机、电弧焊机和高速磁悬浮列车系统等波动 性负荷，在运行过程中有功、无功会随机或周期性大幅度变化，易引起系统的电 压波动和闪变。 1 2 电能质量问题起因及特点 造成电能质量问题主要有以下两个方面原因。 ( 1 ) 电力负荷构成的变化。目前电力系统中存在大量非线性负荷：大规模 电力电子应用装置、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电气化铁道、感应 加热炉以及其它非线性负荷。另外还存在很多快速变化的冲击性负荷：如大型马 达和马达群组、高层大楼的高速电梯、汽车制造厂的电焊机、高速铁路、港口的 起重机以及其它快速变化负荷。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现 功率控制和处理的同时，都不可避免的产生非正弦波形电流，向电网注入谐波电 流，使公共连接点的电压波形严重畸变，负荷波动性和冲击性导致电压波动、瞬 第一章绪论 时脉冲等各种电能质量干扰。有资料分析显示，发达国家5 0 以上的负荷要通 过电力电子装置供电，我国目前3 0 左右的负荷经过各类功率变换后供用户使 用，随着人们节能意识及环保意识的增强，该类负荷在我国将会迅速增加。随着 这些非线性、冲击性负荷的大量使用，电能质量问题将会变得更加突出，对电网 运行、敏感电气设备的影响和危害将更加明显，电力事故发生的可能性将逐步表 现为由电能质量不合格所引起。 电能质量的特点主要包括： ( 1 ) 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动 始终处于动态平衡中，并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。在整个电力 系统中，不同时刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的，电能质量始终处在 动态变换中。 ( 2 ) 电能质量的相关性：电能不易大量存储，其生产、输送、分配和转换 过程直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦不 达标，相关设备就会受到不同程度的影响。 ( 3 ) 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能提供了最好 的传输途径。电能传播速度快、电气污染波及面大，会大大降低相连系统的电能 质量。 ( 4 ) 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其 质量的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现，为安全运行留下了隐 患。 ( 5 ) 电能质量的复杂性：电能质量的多个指标作用于同一个系统时，综合 给出电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量 评估计算方法。 ( 6 ) 电能质量的整体性：保证电能质量要靠多方努力，因此要求电力供应 方、电力使用方、设备制造商等共同协作，指定统一和可操作额合适质量标准或 单独的供电质量协议，或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管 理【2 1 。 1 3 电能质量补偿技术研究现状 电力系统电能质量控制是以提高最终供给用户的电能的电压、频率及波形的 水平为目标的。实现这一目标必须采取一系列措施，即所谓电能质量控制技术。 电能质量控制技术的核心就是，能够对所供应的电力进行控制、变换，为用户或 第一章绪论 负荷提供满足要求、质量合格、效能最佳的电力。而完成这种控制与变换的关键 就是各具特色的电力电子器件及其控制电路。 传统电能质量问题中，电压偏差的控制是通过发电机励磁环节、变压器分接 头调整及无功补偿等手段实现的；频率偏差的控制则通过发电机出力的调整、抽 水畜能机组的调节等实现；三相不平衡的控制通常包括供电回路的平衡化、负载 分配的平衡化以及平衡补偿措施。电流谐波的抑制可通过降低谐波源的谐波水 平、将谐波负载接入短路容量大的电源、安装无源滤波器等控制措施来实现；电 压波动与闪变的控制也可通过改变负载特性、增强供电能力及装设无功补偿器等 方法进行。 以上所述的电能质量补偿方法可以统称为静态补偿法，它的特点是结构简 单、运行费用低且便于维护，可以在一定程度上解决特定的电能质量问题，但其 自身具有无法克服的缺点，如无源滤波器只对特定次谐波有效等。然而随着信息 技术的发展，现代社会对电能质量控制的要求日益提高，需要更有效的电能质量 补偿装置。 目前电力电子器件如g t o 、i g b t 以及近几年刚出现的i e g t 、i g c t 等的开 关容量和频率已经基本满足中、低压配、用电系统的要求。这为柔性化供电技术 的实现创造了条件。该技术将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技 术运用于中、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压跌落、电压闪变、 电流的不平衡等各种电能质量问题，从而提高供电可靠性和电能质量。 一直以来，根据电能质量的各种问题，基于柔性化供电技术的电能质量补偿 装置主要有：静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 、 可控串联补偿器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ，t c s c ) 、不间断电 源( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ，u p s ) 、有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ， a p f ) 、动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ，d v r ) 等。这些装置都得 到了较广泛的应用，但是每一种装置只能解决特定的一些电能质量问题。如有源 电力滤波器( a p f ) 是用于动态抑制非线性负载产生的谐波电流和无功电流；动 态电压恢复器( d v r ) 用于动态抑制电网电压谐波、骤降、闪变等电压质量问题。 无法适应电力用户需求和电能质量问题本身的变化。在该背景下日本学者a k a g i 于1 9 9 6 年提出了新的补偿装置系统统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n t r o l l e r ，u p q c ) 【3 1 。 该装置的结构是由两个通过电容器耦合的背靠背电压型变流器组成，侧通 过变压器串联入电网，另一侧与电网并联。实际上即是，串联型有源电力滤波器 和并联型有源电力滤波器的组合，通过适当的补偿控制策略，不但可以快速补偿 供电电压中的骤升、骤降、波动、闪变和各相电压的不平衡以及故障时的短时供 第一章绪论 电中断，且能补偿负载产生的谐波和无功功率。 从目前国内外的研究看，u p q c i = , 经成为电能质量调节领域的前沿。其相关 技术和实验研究主要集中在日本、德国和美国等少数发达国家，研究重点主要集 中在内部机理分析上，并取得部分成果。但近两年来电力电子器件的高频化和集 成化，高性能数字处理芯片d s p 速度的提高与应用的普及，各个学科的交叉渗透 均以令人难以置信的速度发展，u p q c 实现的复杂性与难度都在降低。与几年前 相比，u p q c 在拓扑结构、补偿量检测及控制等方面得到了广泛的研究，并有长 足进展f 4 ，s 】。 1 4 本文主要研究工作 本课题的前期工作中，已经对电能质量调节器的拓扑结构与工作原理、补偿 量检测原理及方法和控制策略进行了初步的研究，并取得了一定的成果。本文在 实验室前期工作的基础上，主要对控制策略进行改进和研究。根据单周控制在有 源电力滤波器的应用原理，提出了u p q c 的单周控制方法；以及基于模糊控制 的u p q c 控制方法及其改进。而在补偿量检测原理方面，由于实验室前期提出 的基于瞬时无功功率理论的基波正序分量提取方法，能同步检测电流和电压，避 免了两个过程的相互干扰，且算法较简单，实时性较强，所以本课题仍沿用该方 法进行谐波电压和电流的检测。 本文的另一个重点是实验部分。硬件方面：一方面本文沿用实验室前期确定 的主电路、变压器和直流母线电容等参数：另一方面对本课题前期的实验平台进 行了较大改动。首先，由于实验室前期所用的驱动信号隔离板和为电源供电的变 压器是分开的，这对u p q c 的产品化是不利的。因此重新设计了驱动隔离信号 板，将集约化的变压器放到电路板上，使之成为一个整体；其次，将原先进行数 据采样和功率开关的控制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制芯片替换为速度更快的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，由于u p q c 检测和控制算法的运算量很大，因此提高d s p 的运 算速度，对实现补偿量的快速检测和补偿是有决定性意义的。软件方面：本文主 要采用c 语言编写u p q c 程序，实现补偿量的检测和控制，并进行初步实验研 究。 本文的主要工作步骤如下： 1 对u p q c 的拓扑结构与工作原理、补偿量检测原理及方法以及相关的研 究现状进行介绍和分析。 2 深入理解单周控制的基本原理。根据基于单周控制的a p f 和d v r ，提 第一章绪论 出u p q c 的单周控制方法，并进行仿真分析。 3 提出基于模糊控制理论的u p q c 新型控制策略，以及根据模糊控制的特 点对其进行改进研究，并进行仿真分析。 4 根据m t l a b 仿真参数，进行实验平台硬件的设计与搭建，以及传统控 制方法的软件设计和编写，以此为基础进行初步实验研究。 6 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 统一电能质量调节器( u p q c ) 的研究主要包括，拓扑结构、补偿量检测原 理及方法、控制策略等方面。本章主要在课题组前期工作的基础上，对u p q c 的拓扑结构与工作原理、补偿量检测原理及方法以及相关的研究现状进行了综述 性的介绍和分析。 2 1u p q c 拓扑结构 典型的u p q c 拓扑结构图如图2 1 ( a ) 所：示i 9 , 1 0 】。它是由两个背靠背的电压型变 流器组成，其左侧通过变压器串联入电网，右侧则与电网并联。两变流器之间通 过超级电容等储能单元连接。让串联侧执行d v r 功能，动态补偿电网电压谐波、 跌落和闪变等电压质量问题，使负载电压为基波正弦：让并联侧执行a p f 功能， 补偿负载产生的谐波和无功电流，使流入电网的电流为基波正弦。 整流桥 ( a ) ( b ) 图2 - 1u p q c 拓扑结构图 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 其基本的补偿原理是：电网经变压器t 3 和整流桥对储能单元进行储能，从 而为p w m 变流器提供能量反馈和一个电压参考基准。当电网电压出现跌落、闪 变等问题时，通过检测环节计算出的电压补偿量，通过一定的控制方法将其转化 为p w m 控制信号输入给交流器l ，并将变流器l 的输出量通过变压器t l 串联 接入电网，从而使负载电压为基波正弦。而由非线性负载引起的谐波和无功电流 可通过电流检测环节，将测得的补偿量转化为p w m 信号控制变流器2 ，继而将 补偿量通过变压器t 2 注入电网，使流入电网的电流为基波正弦。 还有一种拓扑结构如图2 1 ( b ) 所示，它与上面所讲的拓扑结构的唯一一点不 同就是省去了整流环节，即变压器t 3 和整流桥。而采用一定的控制算法使能量 能够在交流侧和直流侧之间双向流动，即变流器工作于四象限。这种方法的特点 是：使系统硬件装置减少，节省成本，但控制方法相对变得复杂。 本文采用图2 1 ( b ) 的结构对三相三线制系统进行研究，如图2 2 所示。图中 的三卜c i 和三2 、c 2 分别为串联侧和并联侧的滤波电路【l l 】。 z k ，酗k i h 一 ， ：线 i 曲p 0 西玉b 一 t：般 r 17 一 感负 “p qh j ”j u kj k 一 披 i n l 一 、 、 ) 1r 厂： 一 ( 1 嘲il翟，- q ； f ；与。0 - 0 - 0 一，- 0 - 0 - | 密一)33 c 2 l i i 屯己1 一 = f u ：一 0 l 一 i 加 一 j 匕奉巴奉j 矗卒 - 母- 0 - 0 。7 图2 - 2 三相三线制u p q c 拓扑结构图 对于图2 - 2 所示的系统，可将其变换到两相静止参考坐标d q 下，转换后的 u p q c 系统d 轴等效 ： 图2 - 3u p q c 等效电路( d 轴) 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 在实际应用中，由于电力电子器件的限制等，要实现大功率电路比较困难， 而且成本较高，因此通常与无源补偿装置相结合。利用无源补偿装置结构简单、 造价低的特点，其容量可以很大，从而起到抑制谐波和无功补偿的作用。而u p q c 的主要作用是，改善无源补偿效果，抑制无源补偿装置投切的过渡过程，抑制电 容器组对谐波的放大作用。这种组合可以在很大程度上降低u p q c 的容量和成 本。 2 2 补偿量检测及控制方法研究现状 2 2 1 补偿量检测方法研究现状 作为电能质量补偿装置的一个重要环节，补偿量检测的准确、快速与否对最 后的补偿效果会产生重要影响。从以上u p q c 的拓扑结构及工作原理可以看出， u p q c 与a p f 有着千丝万缕的联系。因此u p q c 补偿量检测方法主要是在a p f 的基础上发展而来的。本节先简单介绍一下谐波检测的发展现状。 谐波检测在发展过程中，产生了频域理论和时域理论，形成了多种谐波检测 方法，如模拟滤波、傅里叶变换、小波变换、瞬时无功功率理论、神经网络等。 早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波原理。该方法的优 点是电路简单、造价低、品质因素易于控制。但其电路的滤波中心频率对元件参 数敏感、检测精度不足以及运行损耗大都是其突出的缺点。随着谐波检测要求的 不断提高以及新的检测方法日益成熟，该方法已不再优先使用。 随着傅里叶变换理论的发展，人们开始利用快速傅里叶变换( f f t ) 获取各 次谐波信号的幅值、频率和相位。当测量时间是信号周期的整数倍和采样频率大 于n y q u i s t 频率时，该方法检测精度高、实现简单、功能多且使用方便。但计算 量大，因而实时性不够好。并且对非整数次谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等 缺点。 基于小波变换的检测方法可以检测出某一时刻不同频率信号的组成。小波变 换方法的优点是可以跟踪变化突然的谐波信号，但实时性与检测效果不能同时兼 顾。 8 0 年代日本学者h a k a g i 提出了非正弦条件下的瞬时无功功率理论，并迅速 应用于电力谐波检测。目前，基于瞬时无功功率理论的谐波检测已非常深入，取 得了工程应用成果，是总谐波实时检测的主要方法。并以计算队日或、i q 为出 发点得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p 、g 运算方式和 i p 、g 运算方式。其中、岛法适应范围更宽，能适应不对称电网的电压波形畸变 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 时的情况。与传统的在平均值基础或相量的意义上定义功率理论比较，瞬时无功 功率理论中的概念都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波也适用于 非正弦波和任何过渡过程的情况。瞬时无功功率理论可以看成传统理论的推广和 延伸。 随着神经网络的发展，它在电力系统中的应用日益深入，涉及到负荷预测、 故障诊断、动态和静态安全评价，机组组合和优化调度以及谐波检测与预测等诸 多方面。近年来，国内外应用神经网络进行谐波检测的相关研究文献迅速增加， 并取得了一定的成果。主要包括：一、提出了基于多层b p 神经网络的谐波检测 方法；二、将神经网络和自适应噪声抵消技术相结合，将基波电流作为噪声信号， 从负载电流中滤除，得到谐波电流。 2 2 2 补偿量控制方法研究现状 针对解决u p q c 实现补偿量控制的方法目前也主要是从a p f 的控制方法演 化而来。依靠实时检测补偿量，并通过传统的p w m 控制方法将其转化为p w m 信号再给变流器，继而实现补偿量的输出。这主要包括：三角波比较控制、空间 失量p w m 控制和滞环比较控制。这些方法的共同特点是：控制简单、易于实现， 但抗扰动能力差，控制精度较低。基于以上控制方法的不足，人们开始研究一些 新型的控制方法，如：无差拍控制、鲁棒控制以及智能控制。这三种控制方法的 特点如下： 无差拍控制特点是采用预测手段，因此动态性能优越、跟踪效果好，但对系 统参数敏感鲁棒性差，且计算量较大，不易实现。 鲁棒控制方法能够保证u p q c 系统的鲁棒性。但根据鲁棒控制理论，系统 的鲁棒稳定性与干扰抑制性能是相互影响的两个指标，在获得良好鲁棒稳定性的 同时，干扰抑制性能就会降低，补偿效果就会受到影响。因此鲁棒控制在u p q c 中的应用受到了制约。 智能控制的特点是不需要精确的数学模型，鲁棒性强，控制灵活且易于数字 化，只是由于稳态性能较差，因此常与其它控制方法相结合。智能控制主要包括 模糊控制和神经网络控制等。 在实验室的前期工作中，已经对无差拍控制、鲁棒控制和神经网络控制等方 法做了深入的研究和讨论。并针对无差拍和鲁棒控制的缺点，提出了改进的方案。 本文在借鉴了目前a p f 的控制方法后，提出了基于单周控制的u p q c 。由于电 力系统本身是一个具有强耦合性和非线性的复杂系统，很难用一个精确的线性数 学模型进行描述，因此本文结合智能控制的特点，将模糊控制技术应用到u p q c 中，并对其进行改进。有关控制方法的详细内容，将在后面的有关章节介绍。 l o 第二章u v q c 拓扑结构与工作原理 2 3u p q c 补偿量检测原理 卧翻 亿， 非孛= 一吉+ j y i 专石= 孚 ：扣“蚓鸹s 加b + ) ( 2 - 2 ) 。 k j 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 阡鹾铡 任4 ， u s a z ，曲 z k 图2 - 4 单位基波正序分量提取原理图 u 口 用电网电压基波正序分量减实际的电网电压蜥，便得到电网电压中包含的谐 波、无功和负序等电源电压畸变量，则电压补偿量为： iu o = 2 2 0 4 2 甜：一“。l iu b = 2 2 0 4 2 ”：一 曲l ( 2 5 ) iu 2 = 2 2 0 - v 互“：一l 取采样时刻实际电源电流有效值k 作为电源电流基波正序分量幅值的参考 值，而电源电流参考相位设定与电网电压基波正序分量相同。岛主要由负载有功 电谚弛卿并联侧有功电流有效值岛两部分组成。 i , p = + i i t ,( 2 - 6 ) 由功率平衡理论，负载侧平均功率与基波正序电流参考值从电网基波正序电 压所获得的功率相等，因此可由下式得到负载有功电流有效值。 = 等r g ：f 口一+ 甜“净( 2 - 7 ) 再根据直流侧电容电压的变化，判断u p q c 从电网吸收的总功率是否平衡， 从而计算出并联侧有功电流有效值岛。该电流幅值由电容电压实际值与参考值之 差经p i 算法给出。 铲巧( 咯扣曲出) 蝎小d c 一手几哆弘 仁8 ， 最后，电源电流幅值参考量与基波正序单位参考分量相乘，再与负载实际电 流相减后即得到补偿电流参考值。 第二章u p q c 拓扑结构与工作原理 i 匕2 甜：一屯l i 磊= ，印“：一如i ( 2 - 9 ) l - 毫= ，妒。即：一f c j 基波正序分量提取方法的特点在于：电网电压与电源电流的参考相位相同。 这就使得两侧的补偿检测得以同步，这恰恰满足u p q c 补偿量检测要求的，同 时也使得检测环节的计算量减少，利于跟踪补偿的快速性。 第三章u p q c 单周控制策略研究 第三章u p q c 单周控制策略研究 本文在前面的章节中简单的介绍了目前u p q c 的各种控制方法，但作为一种 新型的电能质量综合补偿装置，目前只是国外的一些实力雄厚的公司研制出了 u p q c 样机，且其距离实际的应用还有一定的距离。现阶段国内外虽有不少学者 对u p q c 展开研究，但研究重点多是集中在补偿量检测方法和直流侧电压的控制 方法上。而对于两个变流器的控制，多数文献仍采用传统的p w m 控制方法将检 测到的补偿量转化为p w m 信号控制两侧的变流器【15 1 。这种控制方法实际上仍 是将u p q c 拆分为a p f 与d v r ，从而分别进行控制。这种控制方法使系统两侧的 补偿容易相互干扰。而且如果采用闭环控制的话，则会面临串联侧与并联侧各有 一个闭环，从而使系统的稳定性受到影响。 在实验室的前期工作中，也针对u p q c i 拘控制策略进行了深入的讨论。考虑 到u p q c 补偿控制同步性问题，提出了基于统一数学模型的无差拍控制与鲁棒控 制方法，并对其进行了改进，继而提出了一种基于混合灵敏度的h 。控制策略。 以上这些方法虽然有各自的特点，但它们有两个共同的不足：一是由于电力系统 本身的复杂性，使得其很难用一个精确的数学模型进行描述，因而所提出的数学 模型是建立在很多假定基础之上的，从而导致实际补偿效果与人们期望的效果可 能存在较大差距：二是无差拍控制与鲁棒控制都有大量的矩阵运算或求解微分方 程，不仅运算量巨大，且不易实现数字化。 本章将一种新型非线性控制方法一单周控制应用于u p q c 的控制，该方 法不仅结构简单、易于实现，且能在一个开关周期内消除稳态误差。目前单周控 制已在a p f 中得到了广泛的应用。 3 1 单周控制理论 单周控制是在开关放大器的p w m 控制基础上发展起来的一种大信号非线性 控制技术。最早由美国学者k e y u em s m e d l e y 和s i o b o d a nc u k 提出。其基本思想 是：控制开关占空比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考电压 相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已在d c d c 变换器、开关功 率放大器、功率因数校正以及a p f 等方面得到大量应用。与传统的p w m 控制方 法相比，单周控制具有以下特点( 1 6 - 1 8 ： 第三章u p q c 单周控制策略研究 1 它不像传统反馈控制，当误差出现后再用几个周期去消除误差，而是在 一个周期内消除稳态误差，反映快； 2 抗电源干扰能力强； 3 开关变量输出的平均值在一个周期内动态跟随控制参考变化； 4 控制电路简单，无需乘法器等复杂器件； 5 无需过多的传感器。 下面简单介绍其原理，设一个开关工作的开关频率为呒= l 瓦，在一个开关 周期内导通时间为，关断时间为砀占空比为d = 乃，瓦，输入信号为顶f ) ，输 出劬( f ) = k x ( f ) 。当o f t o n 时，k = l ；当f 瓦时，k - - o 。当输入信号 工( f ) 的频率比开关频率小很多时，可近似认为在一个开关周期内石( f ) 为常数，则输 出“f ) 的平均值为： 羽= rx ( f ) 疵f 1 工( f ) r 出= 争z ( f ) = 眈o ) ( 3 - 1 ) 设厂为希望输出的给定控制参考信号，由上式可知，通过控制占空比d ，在 每一个开关周期内使肭积分与输入量的积分严格相等，又因为开关周期为常 数，所以保证输出变量的平均值在一个开关周期内严格等于给定的控制参考信 号，如式3 2 。 羽= r x ( f ) 衍= f v 一( f ) 衍= y 可( f ) ( 3 - 2 ) 由上式可见，开关输出量平均值可以严格与控制参考量相等，且成线性关系， 而与输入量无关。 图3 1单周控制的控制器原理图 图3 - 1 所示为单周控制的控制器原理图。由图可见，单周控制器主要由控制 器( 触发器) 、比较器、可复位积分器以及时钟组成。当一个时钟脉冲到来时， 第三章u p q c 单周控制策略研究 r s 触发器的s 触发，由q 输出控制信号，即控制开关脚通；同时西输出为低电 平，积分器开始对输入量进行积分。随着积分值的不断升高，当积分值上升到控 制参考值，日寸，比较器的输出结果发生变化，触发器r 端使能，q 输出为低电平， 从而关断控制开关飓同时百输出为高电平，复位积分器，使积分器清零，直到 下一个时钟脉冲到来，开始新的周期。合理的选择积分器的积分时间常数和时钟 周期，就可以保证每个开关周期内控制对象的平均值等于给定值，o 3 2 基于单周控制的a p f 为了分析简单，本文首先从单相有源电力滤波器( a p f ) 着手分析，再将分 析结果推广到三相三线制有源电力滤波器。如前文所述，a p f 有效工作时，从电 网侧，看网侧电流能跟踪电压，整个系统等效为电阻，设k 为网侧输入电压，矗为 网侧进线电流，r 。等效电阻，则有： 圪= r 。( 3 3 ) 图3 2 所示为单周控制单相a p f 原理图。图中月，和如为用于对直流电压圪分 压，分压结果为亿圪；恸给定的直流侧电压基准；三个电流、屯和的方向 为规定的正方向【1 9 - 2 2 。 图3 - 2 单周控制单相a p f 原理图 开关周期为乃，占空比为d ，设当o t d 瓦时，v t 2 、v t 3 导通；当d 瓦t 瓦时，v t l 、v t 4 导通。由于开关频率远大于基频，为简单起见，假设直流侧 电压和交流电压值在一个开关周期内均为常数。则电感电压吮有：当o t d 死 第三章u p q c 单周控制策略研究 时，圪= k + 圪；当d 瓦t 瓦时，屹= 圪一圪。根据电感电压在一个周期内的 平衡可得： ( 以+ 圪) d l + ( 屹一v c ) 0 一d 逑= 0 ( 3 - 4 ) 将上式整理后得电容电压与电源电压的关系为： k = 七 ( 3 - 5 ) l 一2 d 、 将式3 3 与3 5 联立，消去圪，得： 砉( 1 2 。) t 咄 ( 3 - 6 ) 令= 限扯。) 圪，则系统进线电流矗、电流采样电阻值足与逆变器开关占空比 d 之间的关系为： 2 d 圪= 一r 。i s ( 3 7 ) 由于开关频率远大于电网电压频率，在一个开关周期内可近似视为常数。 由此可以看出通过单周控制即可实现式3 7 。取单周积分常数正= t j 2 ，则单周控 制方程为： 吉r 毛吃魂= 毒d t v m ，_ 孕。圪= - r , i , ( 3 - 8 ) 图3 2 中的控制部分，即是由式3 8 得到的。 图中控制部分的嘲电压基准，用于调节圪的大小，两信号的差作为p l 调 节器的输入，p l 调节器的输出即为。控制电路在每个开关周期均对进行积分， 当积分值符合单周控制方程式3 8 时，开关信号翻转，积分电路复位，等待下一 周期重新积分，从而得到满足式3 8 的占空比d 。 以上就是用单周控制策略来控制单相a p f 的基本原理。三相a p f 的单周控制 原理与单相a p f 的控制原理相似，只是其控制方程由一个变为三个，并认为三相 电流采样电阻值r s a = r s b = r s c = r s ，如式3 - 9 所示。 f2 d o 匕= 一r 乙 2 见匕= 一r ，i s o ( 3 - 9 ) 1 2 d 。v m = l r 。i s c 热= 警。 单周控制三相a p f 的控制电路原理图如图3 3 所示。其基本思想与单相a p f 第三章u p q c 单周控制策略研究 相同，只是又增加了两套控制装置，包括触发器、比较器和可复位的积分器等。 且驱动信号的输出稍有不同：单相a p f 是一个触发器控制四个开关，只需一个 触发器；而三相a p f 的每一个触发器控制一个变流器桥臂的上下两个开关，总 共需要三个触发器。 图3 3 单周控制三相a p f 控制电路原理图 由以上分析可知，基于单周控制的a p f ，只需检测电源电流和变流器直流侧 电压，而无需检测负载电流和电源电压，且无需任何乘法器，故可大大简化谐波 检测电路和电流跟踪控制电路，使控制电路简单、可靠、无延时，主电路开关频 率恒定、易于实现。 3 3 基于单周控制的d v r 由于单周控制的a p f 只能控制电源电流，不能控制负载电压，而u p q c 的 串联侧是作为d v r 控制负载电压，并联侧作为a p f 控制电源电流。要实现u p q c 的“统一 控制，就必须对d v r 的单周控制方法进行研究。 同单周控制的a p f 一样，为了分析简单，本文先对单相动态电压恢复器 ( d v r ) 的单周控制的原理和结构进行分析，再推广到三相d v r 。 第三章u p q c 单周控制策略研究 图3 - 4 所示为单周控制单相d v r 原理图。电源经过变压器的原边串接到负载 上，由图中规定的正方向可知，负载两端的电压等于电源电压与变压器原边电压 之和，即巧= + k 。为保证负载两端电压陆接近额定电压的等级上，当电源 电压圪变化时，相应的变压器电压n 就应做出调整【2 3 2