（电力电子与电力传动专业论文）电能质量综合补偿装置控制方法研究.pdf

a b s t r a c t 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 r6 1 p q c ) i san e w p o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e m w i me x c e l l e n tp e r f o r m a n c e w h i c hc a n s y n t h e t i c a l l yc o m p e n s a t ef a m i l i a rv o l t a g ea n d c u r r e n tq u a l i t yp r o b l e m so f p o w e rs y s t e m h o w e v e r , t h e r e sn oc o n t r o lm e t h o dw h i c h i sv e r ys u i t a b l ef o ro v q c i nt h ep r e c e d i n gw o r ko fo u rp r o j e c tg r o u p ，t w oc o n t r o lm e t h o d so fu p q cb a s e d o nau n i f i e dm a t hm o d e lt h a ta r es y n c h r o n a ld e a d b e a tc o n t r o la n dd i r e c t l yr o b u s t c o n t r o la r em e n t i o n e d t h i sp a p e rs i m p l i f i e st h em a t hm o d e lf i r s t , a n dt h e nr e s e a r c h e s o nt h ei m p r o v e m e n to f t h e s et w om e t h o d sb a s e do nt h es i m p l i f i e dm o d e l a i m i n ga tt h ef l a wo fd e a d b e a tc o n t r o lt h a tm a yb ee a s i l yi n f l u e n c e db ym o d e l p a r a m e t e r s ，s y s t e mp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o no n l i n ei su s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a t t h i sm e t h o dm a k e sc o n t r o l l e rc o l l a b o r a t ew i t hm o d e l p a r a m e t e r sw e l la n dk e e p st h er a p i df o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i co fd e a d b e a tc o n t r 0 1 a i m i n ga tt h ef l a wo f d i r e c t l yr o b u s tc o n t r o lt h a tc a nn o td y n a m i c a l l yc o m p e n s a t e 觚 i - l oc o n t r o lm e t h o db a s e do nm i x e ds e n s i t i v i t yd e s i g ni sm e n t i o n e d t h i sm e t h o d a c q u i r e sg o o dp e r f o r m a n c eo fd i s t u r b a n c er e s t r a i n i n ga n dr o b u s ts t a b i l i t yb yr e v i s i n g f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs e n s i t i v i t yf u n c t i o n i tr e c e i v e sb e t t e rc o m p e n s a t i n ge f f e c t t h a nd i r e c t l yr o b u s tc o n t r 0 1 i na d d i t i o n , n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yi st r i e dt o a p p l yi nu p q c a n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lm e t h o dw h i c hi si nt h ef o r mo fu n i f o r mm e a s u r ea n d i n d e p e n d e n tc o n t r o li sm e n t i o n e d ，w h i c hc a ng e tb e t t e re f f e c to fl o a dd i s t u r b a n c e r e s i s t a n c et h a nr o u t i n em e t h o d s a n dan e u r a ln e t w o r ks e l f - a d a p t i v e l yp i dc o n t r o li s c o n c e i v e d t h i sm e t h o dc 柚n o tg e tg o o de f f e c ta tp r e s e n t , b u ti tc a nb r e a kt h e l i m i t a t i o no fs y s t e mm o d e ls ot h a ti th a sg o o df o r e g r o u n d 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 ct h r o u g hd e s i g n i n g h a r d w a r ec k c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mf o ru p q ca n da n a l y z i n gt h em e a s u r e d e x p e r i m e n tc u r v e k e yw o r d s ：u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) d e a d b e a tc o n t r o l p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no n l i n em i x e ds e n s i t i v i t yd e s i g n n e u r a ln e t w o r k 删) 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，也不包含为获得苤鲞盘鲎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：掣i 圭邑 签字日期：妒西 年，月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：芦尔j 邑 导师签名 签字日期：积年，月日签字日期：沙参年f 月乒日 第一章绪论 第一章绪论 1 1电能质量的基本概念 理想状态下的公用电网应具备如下特征：首先，以单一恒定的电网标称频率 ( 5 0 h z 或6 0 i - i z ，我国采用5 0 h z ) 、规定的若干电压等级( 配电系统一般为1 1 0 k v 、 3 5 k v 、1 0 k v 、3 8 0 v 2 2 0 v ) 和正弦波形的交流电向用户供电，并且这些运行参 数不受用电负荷特性的影响；其次，始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡， 且用电负荷之间互不干扰，保证用电设备以最大传输效率汲取电能，即达到单位 功率因数；另外，为维持电气设备始终正常工作，还应保证连续供电不中断。 然而，实际的供电系统是复杂的非线性系统。它分布区域广，各种负荷之间 存在耦合性，易受外部干扰冲击，且许多强非线性的电力电子装置日益得到广泛 应用。因此，公用电网的理想状态并不存在，随着现代工业的飞速发展，电网运 行、电力设备和供用电环节中各种电能质量问题不断地以不同形式涌现出来。 关于电能质量的含义，从不同角度理解通常包括： ( 1 ) 电压质量以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的 电能是否合格。 ( 2 ) 电流质量反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，即电力用户除 了对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相 位以保证高功率因素运行。 ( 3 ) 供电质量包括两部分含义：技术含义指电压质量和供电可靠性，非技 术含义指供电企业的服务质量。 ( 4 ) 用电质量包括电流质量和非技术含义，如用户是否按期、如数地交纳 电费等。 国内外对电能质量确切的定义至今尚未形成统一的认识，但是大多数专家认 为，对现代电能质量问题应理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电 流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问 题”。根据这个定义，电能质量问题总体上可表现为以下几种： ( 1 ) 电压波动与闪变( v o l t a g eu n d u l a t i o na n df l i c k e r ) 指电压幅值不超过0 9 p u 1 1p u ( 标幺值，一般以电压的额定值为基准) 的一系列随机变化。 ( 2 ) 电压骤降与骤升( v o l t a g es w e l la n ds a g ) 持续时间0 5 周波至l m i n 内电 压幅值降至0 1p u 0 9p u 称为电压骤降，持续时间0 5 周波至l m i n 内电压幅值升 至1 1p u 1 8p u 称为电压骤升。 第一章绪论 ( 3 ) 谐波与间谐波( h a r m o n i c s a n d i n t c r h a r m o n i e s )包括电压谐波与电流谐 波，含有供电系统设计运行频率( 工频) 整数倍频率的电压及电流称为电压谐波 与电流谐波，频率为工频非整数倍称为间谐波。 ( 4 ) 三相不平衡( t h r e ep h a s e si m b a l a n c e )指电压或电流的负序分量与正序 分量的比值大于允许的不平衡度。 ( 5 ) 断电( p o w e rs u p p l yi n t e r m i t t i n g )指在一定时间内一相或多相电压低于 0 1p u 断电0 5 3 s 称为瞬时断电，3 - 一6 0 s 称为暂时断电，6 0 s 以上称为持续断电， 持续断电3 m i n 以上称为供电中断。 1 2 改善电能质量的意义 近年来，电力科技工作者通过对电网中各种电力干扰现象的实时监测与识 别，对引起用电设备异常运行、故障或停电以至于造成生产过程紊乱的起因分析 认为，社会与科技的进步赋予了电能质量更多更新的内容。强化对电能质量概念 的理解，提高对改善电能质量重要性的认识已经成为当代电力系统的需要。 长期以来，人们习惯把电能质量与供电可靠性几乎等同地看待，这是因为传 统电力负荷多为线性的和对电磁干扰低敏感的设备，且各设备之间、各工业过程 之间很少相互关联，电压的波动以及电流、频率上的微小变化对生产运行造成的 影响几乎可以忽略不计。然而随着时代进步与科技发展，现代电网与负荷构成发 生了很大变化。首先用电设备和生产工艺对电能质量的要求比传统设备高，许多 装置都带有基于微处理芯片的数字控制器或功率电子器件，不仅非线性增强，而 且对电磁干扰极为敏感；其次生产过程之间相互关联的程度越来越高，某一个小 环节上产生微小的电压扰动或特性变化就有可能影响到整个系统的正常运行，带 来难以计量的经济损失。因此，要保证现代电力系统的正常运行仅仅依靠传统定 义上的供电可靠性是远远不够的。 当前电能已作为商品进入市场，市场竞争的作用极大地促进了供用电双方对 各种电能质量现象的认识与关注，在进入2 1 世纪以后，国内外电力企业都把电力 系统的电能质量问题作为电力建设和发展的重要课题之一进行研究，提高电能质 量已经成为当前电力行业创建国际一流供电企业、实现电力可持续发展的一项重 要内容和发展策略，比较严格的电能质量标准以及相应的综合治理措施也已经处 在进一步的宣传、落实和贯彻执行之中。 1 3 电能质量补偿装置 第一章绪论 现代科学技术的发展，一方面对供电质量提出更高的要求，另一方面也为电 能质量补偿控制技术的实施提供了保证。电力系统电能质量控制是以提高最终供 给用户的电能的频率、电压及电流的波形水平为目标的，实现这一目标必须采取 一系列的措施，即所谓电能质量控制技术。现代电能质量控制技术是基于电力电 子技术、蓄能技术和信息处理技术发展起来的，其实施的关键在于各具特色的功 率器件、电力电子装置及其控制电路。 利用高性能补偿装置改善电能质量是当前电能质量控制技术研究的重点，现 代电力电子技术在这方面的应用为解决电能质量问题开拓了广阔的前景。 传统的电能质量补偿装置主要采用静态补偿方法。针对电网侧出现的电压畸 变或频率波动的问题，传统的方法是利用有载调压变压器来维持电压稳定，或采 用同步调相机、并联电容器组等装置，通过对无功功率的控制来调节电网电压： 针对由负载产生的谐波与无功电流等问题，通常是采用由滤波电容器、电抗器以 及电阻器构成适当的无源滤波网络进行滤波，同时也起到无功补偿的作用。静态 补偿方法可以在一定程度上解决特定的电能质量问题，但是本身具有无法克服的 缺陷，如并联电容器会与电网中的谐波相互影响，l c 滤波器只能针对固定频率 的谐波进行补偿等。随着对电能质量的要求越来越高，需要有新的解决电能质量 问题的方案提出，并研制出相应的补偿装置。 g t o 、i g b t 等具有快速关断能力的电力电子功率器件的出现，给现代电力 电子技术的发展带来了革命，同时也为用户电力技术( c u s t o mp o w e r ，c u s p o w ) 的提出及应用创造了条件。用户电力技术于1 9 8 8 年由美国电力科学研究院首先提 出，它面向低压配电系统，利用g t o 、i g b t 、i g c t 等大功率电力电子器件组成 控制器，向用户提供高质量的电能，提高供电可靠性并保证功率流质量。由于用 户电力技术可根据用户的需要灵活有效地提供不同质量的电能，因而成为电能质 量控制技术未来发展方向之一，也吸引了世界各国投入大量资金对其展开研究。 目前已研制出基于用户电力技术的电能质量补偿装置几十种，其中如配电系 统静止同步补偿器( d i s t r i b u t i o ns 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 ，d s t a t c o m ) 、 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 、有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf 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 ) 、蓄电池储能系统 ( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ，b e s s ) 以及不间断电源( u n i n t e r r u p t e dp o w e r s u p p l y ，u p s ) 等，都获得了比较广泛的应用。这些装置在针对某一类电能质量 问题进行补偿控制时具有传统方法所无法比拟的优越性能，但是单个装置无法对 电力系统中易出现的多种电能质量问题进行综合补偿，多种装置联合补偿又不可 避免地会带来成本增高且相互间产生耦合影响等问题，所以研制出一种能综合补 偿电网侧与负载侧产生的电能质量问题的装置成为当前的需要。 第一章绪论 1 4 统一电能质量调节器 随着人们对电力系统电能质量的要求越来越高，人们希望有一种装置能够综 合补偿电力系统易出现的多种电能质量问题，应此要求，日本学者a k a g ih 于 1 9 9 6 年首次提出统一电能质量调节器( u n i f l e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n f e r ，u p q c ) 的构想【卜司。该装置采用双变流器的结构，其实质是一种串联型有源电力滤波器 ( s e r i e s - a p f ，s a p f ) 和并联型有源电力滤波器( p a r a u e i - a p f ，队p f ) 的组合， 该组合综合了s a p f 对电网侧电压质量的调节作用与p a p f 对负载侧电流质量的 调节作用，可以在保证负载侧供电电压质量的同时防止谐波电流注入电网，从而 避免系统受到污染，因而一经提出立即受到电能质量控制技术领域的学者和工程 师们的广泛关注。 并联型有源电力滤波器是最重要的电能质量补偿装置之一，相对于其它 c u s p o w 装置而言，技术上比较成熟。它以并联的方式接入系统，能够对大小和 频率都变化的谐波以及无功动态地进行补偿，使电网侧的电流始终保持正弦波 形，从而避免谐波对电网造成污染，但是p a p f 对电源电压的变化不能起到较好 的补偿效果。串联型有源滤波器以串联的方式接入系统，能够隔离负载与电网之 间的谐波电流，也能够对电网电压的波动与闪变起到一定的补偿作用，但是s a p f 单独使用会造成负载电压的严重畸变。p a p f 和s a p f 单独使用具有各自的优势， 也都存在固有的缺陷，因此如何使两者的功能有效地相结合、达到优势互补成为 近年来人们对有源电力滤波器主要的研究思路。 统一电能质量调节器就是基于这个思路提出的。它所采用的双变流器结构可 以看作是p a p f 与s a p f 通过中间储能装置的组合，通过s a p f 检测电源电流， 控制串联侧逆变器使补偿点对谐波频率呈高阻抗，同时p a p f 检测补偿点电压， 控制并联侧逆变器使补偿点对谐波频率呈低阻抗，即可在基本保证负载供电电压 质量的同时补偿谐波电流。后来有一部分学者认为，s a p f 加上自身的储能装置， 能够动态补偿电网电压的跌落，其实质上相当于在执行动态电压恢复器的功能， 由于s a p f 与d v r 在结构上非常相似，因此把u p q c 看成是p a p f 与d v r 的组 合的观点，近年来已得到广泛的认同。 1 5 本文内容安排 本文所涉及的课题统一电能质量调节器( u p q c ) ，属于实验室承接的 天津市自然科学基金项目( 项目编号0 5 y f j m j c l l 5 0 0 ) 。在实验室的前期工作中， 第一章绪论 已经在u p q c 的拓扑结构、工作原理、检测与控制策略方面作出了初步的探讨。 针对u p q c 补偿量的检测，提出基于瞬时无功功率理论的基波正序分量提取方 法；控制方法上提出基于统一数学模型的同步无差拍控制及直接鲁棒控制方法， 并做了一定的仿真与实验研究。 本文在实验室前期工作的基础上，对统一电能质量调节器的控制方法进行改 进和研究，提出利用在线参数辩识和混合灵敏度设计分别对同步无差拍控制和鲁 棒控制方法加以改进的方法，以及基于神经网络的u p q c 控制方法与设想。在 实验方面，搭建u p q c 实验电路，用汇编语言编写基本算法程序，进行了初步 的实验研究。以下是本文各章安排的内容。 第二章介绍了u p q c 的拓扑结构、工作原理、补偿量检测原理以及相关内 容的研究现状。 第三章提出基于参数在线辩识的改进无差拍控制方法和基于混合灵敏度设 计的比控制方法，并进行相关仿真研究。 第四章提出串、并联侧统一检测、分别补偿的u p q c 神经网络控制方法以 及神经网络自适应p i d 控制的设想，并进行相关仿真研究。 第五章展开初步的实验研究，包括u p q c 系统的硬件与软件设计，以及对 采用常规方法得到的电压、电流波形进行分析。 第二章统一电能质量调节器研究现状 第二章统一电能质量调节器研究现状 统一电能质量调节器的研究包括拓扑结构、检测方法、控制策略以及数字化 实现等方面的内容，本章就此做一个综述性的介绍，包括u p q c 的基本结构原 理、检测原理以及相关内容的研究现状，对u p q c 控制方法的改进与研究将在 本文的第三、第四章重点论述。 2 1拓扑结构与工作原理 针对u p q c 拓扑结构的研究，包含了对装置的容量、成本、工作机制以及 与检测控制策略的配合等多方面的考虑，但是总体说来，如何使u p q c 适应大 容量、低成本、高电压的要求是最终的目的，其中一个可行的办法是与无源滤波 器相结合，由无源滤波器承担主要的补偿任务，u p q c 则用以改善无源补偿效果， 这与a p f 的研究方向即混合型a p f ( h y b r i d a p f ，a p f ) 的思路是一致的。除 此之外，补偿控制器安装点的选择也是对u p q c 拓扑结构的主要研究内容之一。 目前已有的u p q c 拓扑形式达几十种。出于设计实际的考虑，本文借鉴d e l t a 逆变技术中三相电能质量综合调节器所采用的主电路结构 a - t o ，如图2 1 所示。 图2 - 1o p q c 主电路结构图 从图2 1 中可以看出，统一电能质量调节器的主电路主要由以下四个部分组 成： ( 1 ) 串联侧该部分包括串联侧p w m 变流器和串联变压器，安装于电网侧， 可以执行d v r 的功能，调节电网电压的质量，保证负载侧供电电压水平。 ( 2 ) 并联侧并联侧p w m 变流器安装于负载侧，可以执行p a p f 的功能，补 第二章统一电能质量调节器研究现状 偿负载电流中的谐波、无功及负序分量，并维持直流侧电压的稳定。 ( 3 ) 直流侧直流侧储能电容为串联侧p w m 变流器与并联侧p w m 变流器所 共用，作用是为p w m 变流器提供能量反馈和一个电压参考基准。 ( 4 ) l c 滤波网络用以滤除p w m 出口处高频谐波干扰。本文在此稍做了一 点变化，即将串联侧出口处l c 滤波网络移至主支路上，这样做的目的一方面是 为了滤除电网电压和串联侧p w m 变流器输出电压中的高频成分，另一方面也是 本文对控制方法进行改进的需要。 图2 - 2u p q c 等效电路图 u p q c 的工作原理可以由如图2 2 所示的等效电路来说明。图中u s ，i l 分别 表示电网电压和负载电流；u l 、i s 分别表示负载电压和电源电流；l d c $ 是串联侧 p w m 变流器所提供的补偿电压；也是并联侧p w m 变流器所提供的补偿电流。 u p q c 通过控制两个p w m 变流器的输出，使u c $ 和也分别与姆和豇中需补偿 的分量大小相等、方向相反，从而抵消系统中的谐波和畸变分量，使负载电压和 电源电流保持正弦波形。 2 2 检测方法研究现状 要想使u p q c 充分发挥其对电能质量综合补偿的功能，首先要获得及时， 准确的电压、电流及相位信息，通过实时、快速的分析，确定系统所需补偿量的 量度，然后通过采取适当的控制方法去控制u p q c 的两个功率开关电路，方能 达到预期的补偿效果。 前面说过，u p q c 从结构上看相当于p a p f 与d v r 的组合，而d v r 对电压 扰动的检测方法与a p f 谐波检测方法相似，因此，u p q c 的补偿量检测方法可 以说主要是借鉴a p f 谐波检测手段发展而来。 目前已有的谐波检测方法主要有频域分析方法与时域分析方法两大类。其中 频域分析方法以傅立叶变换为数学基础，通常是将检测到的包含谐波的电流进行 第二章统一电能质量调节器研究现状 傅立叶变换，分解为各次谐波代数和的形式，经过频域处理之后再合成为总的补 偿电流值。此类方法在数据处理上包括了从时域到频域、从频域再回到时域两个 过程，且需要采集到一个周期的数据之后才能得到信号的频谱特性，计算量大， 对处理速度的要求非常高，此外，傅立叶变换要求被处理的信号是按周期变化的 信号，也给此类方法的应用带来了限制，因此其应用前景不是十分广阔。与此同 时，直接对时域数据进行分析与处理以获得实时补偿电流的方法却取得了较快的 发展。此类方法以瞬时无功功率理论1 1 1 - 1 2 l 为数学基础，将检测到的三相电压与负 载电流变换到a b 坐标下进行处理，计算出补偿电流之后再变换回a b c 坐标。基 于瞬时无功功率理论的方法不仅能够跟踪补偿系统谐波电流，还能应用于锁相环 对电网电压相角的检测以及d v r 装置对动态电压扰动的检测方面。较之频域分 析方法，此类方法具有更强的生命力。但是瞬时无功功率理论包含复杂的坐标变 换，计算量也不小，在检测的实时性方面也存在着限制。现阶段有许多学者试图 通过自适应滤波、小波变换等信号处理手段来提高检测的实时性，也有的学者对 模型辩识、人工智能等新型理论方法在补偿量检测的应用方面展开研究，但是目 前大多未能取得令人满意的成果。 上述方法针对电流与电压的补偿都是适用的，但是对于u p q c 来说却存在 一定的限制，那就是“统一”的问题。因为u p q c 要求的是综合性的补偿，所以串、 并联侧的检测与控制都要求有良好的配合。如果两个过程分别进行，不仅相互之 间的耦合影响难以避免，也失去了u p q c 本身的意义。基于“统一”的考虑，实验 室在前期工作中，提出基波正序分量提取的同步检测方法1 1 3 】，由于补偿量检测 不是本文研究的重点，在此只对该方法做一个简单的介绍，以此为例说明u p q c 的补偿量检测原理。 2 3 补偿量检测原理 基波正序分量提取方法是基于广义瞬时无功功率理论和功率平衡理论提出 的，其指导思想是以电网电压的单位基波正序分量作为电网电压与电源电流的共 同相位基准，通过功率平衡理论求得电源电流基波正序分量的幅值参考值，从而 获得电压和电流的基波正序分量，再与实际的电网电压及负载电流相减即得到电 压和电流的补偿量。 电网电压的单位基波正序分量求取可由图2 3 来说明。首先将检测到的三相 电网电压u s a 、u a b 、u s c 经过低通滤波与瞬时序分解环节，计算出电网电压的基波 正序分量“+ = 缈加细f + 剀；同时将、u s b 、通过p a r k 变换转换到( 1 - q o 坐标 系，经过低通滤波器得到d - q 轴直流分量，从而进一步得到电网电压基波正序分 第二章统一电能质量调节器研究现状 量的幅值；计算出电网电压的基波正序分量，又得到其幅值，即可很方便地得到 电网电压的单位基波正序分量甜乞、“6 、“乞。图中口= 们为瞬时序分解相位因 子，= 饵：c 。o 证s ( ( a j t - 2 棚丌3 ) ) c 。o m s ( ( 删c o t + 2 咧r 3 ) 为坐标变换臁易为基 波正序电压初相角。 _ “曲 “譬 图2 3 单位基波正序分量提取原理 ：硎一”冬j ：叫一缈冬脚j 6 - 盈h 阿+ 乞册 ；硎h 跚+ a + t 3 8 j 取采样时刻实际的电源电流有效值k 作为电源电流基波正序分量幅值的参 考值，其值主要由负载有功电流和u p q c 并联侧有功电流易两部分组成，即： l 口= i 目+ ic p t 2 - 吣 根据功率平衡理论，电源电流基波正序分量的参考值从电网电压基波正序分 量处获得的功率与负载侧实际的平均功率相等，因此可通过如下公式计算负载电 流基波正序分量的幅值参考值： 府一 = 券f ( u - 屯+ 甜 + u c + i k ) d t ( 2 - 2 ) u e q c 并联侧有功电流是由直流侧电压是否稳定来体现的，假定u p q c 系统 无损耗，则u p q c 所吸收的功率就仅仅是为了维持直流侧电压恒定所需的功率， 因此岛可以通过p i 算法计算出来： = k p ( 呓一吾r v d t ) + k ( 吃一f v , 。d t ) d t ( 2 - 3 ) 基波正序分量提取方法在电网电压与电源电流之间建立了相同的相位基准， 使得对两者补偿量检测得以同步，特别适用于u p q c 的综合检测与补偿，且该 方法计算量相对较小，可以满足快速跟踪检测的要求。 2 4 控制方法研究现状 第二章统一电能质量调节器研究现状 针对u p q c 控制方法的研究，目前也可以划分为两类。一类是串、并联侧 分别检测与控制的方法。此类方法大多也是借鉴了a p f 的控制手段，即依靠实 时精确的检测与计算得到补偿指令信号，然后施加于p w m 开关电路来获得期望 的输出，其中比较常见的有以下几种方法： ( 1 ) - - 角载波比较控制。该方法比较简单、易于实现，但是控制精度极差， 现在已经基本不被采纳： ( 2 ) 滞环比较控制。为目前电流谐波补偿中应用最多的一种方法，具有响应 快、控制精度高且易于实现等优点，也有开关频率不稳定、对瞬间扰动抵抗力差 等缺点； ( 3 ) 空间矢量控制。这是一种兼顾稳态与动态性能的良好控制方法，唯一的 缺点是计算较为复杂； 以上三种控制方法对检测环节的依赖性较强，但是实时的检测并不是很容易 做到的，因此人们考虑采用一个模型，通过对系统特性的准确描述，统一地进行 补偿量计算与控制。基于这种考虑的一类控制方法主要有以下几种： ( 1 ) 常规p i d 控制。工程上最为常见的控制方法，理论完善、稳定性好、控 制精度高且易于实现，但是对模型参数敏感、抗负载扰动能力差； ( 2 ) 无差拍控制。特点是采用预测的手段，因此动态性能优越、跟踪效果好， 缺点也是对模型参数敏感且鲁棒性差、不易实现； ( 3 ) 自适应控制。采用参数在线辩识，根据控制指标及时调整模型参数，控 制精度高，但是计算量大，不易实现； “) 智能控制。包括模糊控制与人工神经网络控制等方法，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实现，应用前景非常好，只是 稳态性能较差，因此通常与其它控制方法结合使用。 上述控制方法各有长处，也都存在不足，因此几种控制手段配合使用的方法 是当前及将来控制方法研究的主要方向，如p i d 控制与变结构控制相结合、参 数辩识与无差拍控制相结合等，都收到了取长补短的效果。 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 现阶段有不少学者和专家对新型电能质量综合补偿装置u p q c 展开研究，但 是其应用却非常有限，截止目前为止，在全球范围内只有少数几家公司研制出 u p q c 成品装置，究其原因是至今没有找到特别适合u p q c 装置的控制方法。现 阶段人们对u p q c 控制所做的研究中，常借鉴a p f 与d v r 等应用比较成熟的 补偿装置的方法，但是此类方法大多适用于对某类特定的电能质量现象的补偿， 将这些方法揉和在一起，往往会带来计算量大、实现困难以及无法协调等问题。 在实验室的前期工作中，比较突出地考虑到u p q c 串、并联侧补偿同步性问 题，提出了基于统一数学模型的无差拍控制与直接鲁棒控制两种控制方法。这两 种控制方法在同样的数学模型下实现，但是动态性能与鲁棒性能却是截然相反 的。无差拍控制动态性能好、系统响应快，补偿效果比较理想，但是该方法依赖 于精确的数学模型，对模型参数变化十分敏感，鲁棒性差；直接鲁棒控制方法不 需要太精确的数学模型，即使参数发生摄动也能保证系统性能不受影响，但是该 方法却是以牺牲系统动态性来获得鲁棒性的。另外，作为这两种方法共同基础的 统一数学模型比较复杂，要实现这两种控制方法必须经过大量的矩阵计算，从而 增加了数据处理的难度。 对u p q c 控制方法进行研究，是本文工作的重点，而第一步工作就是对以上 两种方法加以改进。 3 1无差拍控制方法改进 无差拍是目前最常见的电流控制方法之一，在逆变器及交流电机驱动方面获 得普遍的应用。它在k 采样时刻利用输入与状态采样值( 电压或电流) 和系统模 型及参数，推算出k + l 采样时刻参考状态，以此求得k 采样时刻p w m 输出电压 参考值，并在k 采样时刻即通过s p w m 或s v p w m 等方法实现此参考值，从而 能够实现在胁j 采样时刻对目标参考值的跟踪。 无差拍控制的缺点主要体现在对数学模型的精确性高度依赖、鲁棒性差、对 开关频率及传感器精度要求高以及计算量大等方面。在电子科技高度发达的今 天，只要合理地选择采样周期的大小，现有的功率器件和传感器在开关频率和精 度方面基本上可以满足无差拍控制要求，所以对无差拍控制方法的改进应该主要 针对如何减小模型参数对它的影响、如何提高其鲁棒稳定性和干扰抑制性能以及 如何简化算法以方便实现。 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 3 1 1 传统无差拍控制 通过快速的检测手段计算出补偿量，结合滞环比较、s p w m 等常规的p w m 控制方法实现补偿，是现阶段u p q c 最常用的手段。但是检测与控制环节的计 算不可避免地会有延时，为避免或弥补这个延时对补偿实时性的影响，对u p q c 建立一个整体的模型，在这个模型下统一地进行补偿量参考值的计算与补偿控 制，成为当前人们对u p q c 进行研究的一种新思路。 同步无差拍控制方法即是建立在一个统一数学模型【1 3 1 4 l 基础上的。该模型将 一个三相三线制的系统，包含电网、负载以及u p q c 在内，都转换到两相静止 坐标d - q 轴下，统一进行参考值计算与p w m 控制。转换后的u p q c 系统d 轴( q 轴) 等效电路图如图3 1 ( a ) 所示。 = ( a ) u l q c g 统d ( q ) 轴等效电路 ( b ) 简化的t a , q c 系统d ( q ) 等效电路 图3 - 1 u 】，q c 系统模型简化 由图3 - 1 ( a ) 可见，该模型不仅包括了电网、负载和u p q c 的两个p w m 变流 器，还包括了串、并联侧出口处的l c 滤波电路。根据这个等效电路列写状态空 间方程，将是一个五维的方程组。在这个数学模型下实现无差拍控制，只有两个 目标状态变量直接测量，其余的状态变量都需要通过观测器重构。这种情况下计 算量十分庞大，将对无差拍算法的实现造成困难，所以有必要对该模型做一定简 化处理。 本文对u p q c 主电路结构所做的变化就包含了简化模型的考虑。将如图2 1 所示的u p q c 主电路转换到d - q 轴之后，得到的等效电路如图3 - l ( b ) 所示。从图 3 - l ( b ) 可以看出，该模型比图3 - 1 ( a ) 中的模型少了一个电容支路，这是因为串联 侧出口处的l c 滤波网络被移到了主支路上，其电感与电感等效电阻与串联侧的 变压器漏电感及漏电阻合并，电容则相当于与并联侧滤波电容并联。即： 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 r x = r s + r i ；以= 岛+ 厶：q = 石c 两1 c 2 根据图3 - l ( b ) 列写状态空间方程，以两个p w m 变流器的输出电压蛐、码窄 作为控制输入“，以需要补偿的电源电流i s 与负载电压地作为测量输出y ，并将 电网电压搬与负载电流屯看作不可预测的干扰输入c o ，这样得到的仅仅是一个 三维的方程组： = 缸由+ 刀“由+ d r o 由 ( 3 - 1 ) 其中：= k 一由u l _ d q 也一由r ；= k 。一由“。一由j r ；= k 一由屯一由】r ； a = r 。 l x 1 c i o ：b 2 一上o o oo o 上 三2 ：d 2 选择适当的采样周期珏使之满足采样定理，将( 3 1 ) 离散化为： x 由( 七+ 1 ) = h x d q ( k ) + g u 由( k ) + f r o 由( 七) ( 3 - 2 ) 其中：日= p 一打；g = 5 p 。n b d t = ( e 。n i ) a b ；r = r e a r s d d t = ( p 。打一i ) a d 。 在设计无差拍控制器之前，首先按照功率平衡的理论计算出电源电流和负载 电压参考值f i 和“工，并以采样时刻传感器测量出的补偿电流作为其参考值f 么， 构成闭环反馈系统的给定。 设计一个无差拍控制器，与模型( 3 2 ) 构成闭环系统。将此闭环系统的极点配 置在原点处，根据n 2 采样间隔目标值变化量为零的约束条件将此控制器参数 求出，并得到斛，采样时刻参考状态。将此参考状态代替公式( 3 2 ) 中的似矽， 即可计算出k 采样时刻p w m 变流器的输出电压f j ；) ，再通过p w m 控制实现。 3 1 2 基于参数在线辩识的改进无差拍控制方法 无差拍控制是一种建立在精确数学模型与严密推导之上的状态反馈控制，其 控制质量很大程度上依赖于控制器参数与主电路参数的配合，而控制器参数是根 据主电路元件标称参数计算得到的，标称参数与元件的实际参数存在着一定的误 差，且受温度、运行条件的影响会有一定的漂移。由于以上原因，使得控制器参 数与主电路参数不能很好地配合，从而引起系统极点改变，破坏无差拍控制条件。 o上巳。 一 。一o o o o上巳如如上以。一|厶 一 一 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 为使控制器参数与模型参数匹配，提高系统鲁棒性，本文引入了一种基于递 推最小二乘法的在线参数辩识方法【”9 1 ，对无差拍控制器参数进行动态调整以提 高其与系统模型的配合程度，该系统控制原理框图如图3 2 所示。 图3 - 2 参数在线辩识无差拍控制系统原理框图 黻脉冲 y ix ( 七) i 令p 7 = t z gr 】，z ( j j ) = l “( | j ) i ，则公式( 3 2 ) 可表示为( 为书写方便， lc o ( k ) i 去掉下标中的d q 记号) ：x ( k + 1 ) = 0 7 x ( k )( 3 3 ) 两边同时取转置得：x 7 ( 后+ 1 ) = z 7 ( 的0( 3 4 ) 作为系统辩识方法数学基础之一的最小二乘法，需要对系统数据进行采样， 在采集信号的过程中，由于传感器噪声等于扰的影响，导致测量值与真值之间会 有误差，另外模型( 3 2 ) 中还包括假定误差，我们将这些误差的总和以p f j ；) 表示， 并用x 传+ 砂表示采样真值，则( 3 - 4 ) 可改写为： x “( k + 1 ) = z 7 ( 七) o + e ( k )( 3 - 5 ) 假设以测得n 组数据，此时引入一个误差评价函堂u 倒： t ，( 口) ：昙妻p ：( t ) ：丢妻( x 7 ( | j + 1 ) (七)口)(3-6)-zr ，( d 2 专荟矿( 幻2 专荟( x 。( 七“) ( 七) 旧) 最小二乘法的目的就是在最小均方差的意义上去获取一个与实验数据最佳 拟合的模型，即寻找一组最合适的参数估计使误差评价函数最小。为此，将所测 得的n 组数据写成向量的形式，并令： x = 工r ( 2 ) x r ( 3 ) 工7 ( + 1 ) ；y = z r ( 1 ) z 7 ( 2 ) ： z 7 ( ) ：e 2 p ( 1 ) p ( 2 ) ： p ( ) 第三章统一电能质量调节器控制方法改进研究 则( 3 5 ) 、( 3 - 6 ) 可分别改写为： x = e + e ( 3 7 ) 胛) = e r e = 专( x 一妒脚7 ( x 一矿w 力( 3 - 8 ) 对隙导，并令其导数等于0 ，即： 警= 一万2 矿，7 ( x n - 妒n 0 ) = 0 ( 3 - 9 ) 在帅可逆的条件下，对( 3 9 ) 求解，即可得到系统参数的最小二乘估计： 台= 缈二妒，) 妒二x 。( 3 1 0 ) 4 弋k ( 3 - 3 ) 得：圣( | | + 1 ) = 台7 z ( d( 3 1 1 ) 通过以上算法，我们已经可以用辩识出的系统模型参数与控制器参数进行拟 合，将参考状态代替( 3 - 1 1 ) 中的辩识状态，实现无差拍控制。但是这种算法通常 只适合用于系统离线辩识。因为算法中矩阵的求逆是十分复杂的，在线应用最小 二乘法估计，一般都用递推算法，在有些文献中也称作序贯最小二乘估计。 假设对k 采样时刻到抖- j 采样时刻之间测得的n 组数据得到一组参数估计 值，此时又获得一组新的数据研+ 加，妒僻+ 【i ，则由睬样时刻到七+ 采样时刻 的n + l 组数据得到的参数估计值可以由递推算法得到： 舀( | j ，| j + ) = 否( 七，k + n 1 ) + k ( j j ，j j + ) 【x ( 七+ ) 一7 ( 七+ ) 否( j i ，k + n 1 ) 】 ( 3 - 1 2 ) 其中： k ( k ，七+ r ) = j + 妒r ( 膏+ ) p ( k ，七十一1 ) y 一1 ( 七+