统一电能质量控制器的非线性控制策略研究.pdf

电力系统及其自 动化 皇 里 竺 兰竺 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n 统一 电能质量控制器 的非线性控制策略研 究 常晓 王奔 王鹏 李玲 西南交通大学 电气 工程学院 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 建立了U P Q C串 并联侧的数学模型 并利用状态反馈精确线性化方法将其解耦成线性系统 在此基础上 结合变结构控制理 论 设计了反馈控制器 运用 M A B L A B软件 对设计的控制器进行仿真研究 结果表明 加装该控制器后可以更有效的对串 并联侧 电压 电流进行补偿 关键词 统一电能质量控制器 非线性系统 变结构控制 反馈精确线性化 谐波 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 5 0 1 9 中图分类号 T M 7 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 5 0 0 5 1 0 4 A St u d y o n No n l i n e ar Co n t r o l S t r a t e g y f o r Un i f i e d Po we r Qu a l i t y Co n t r o l l e r CHANG Xia o W ANG Be n W ANG Pe n g LI Lin g S ch o o l E le ct r i ca l E n g i n e e r in g S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s it y C h e n g d u S ich u a n 6 1 0 0 3 1 C h in a Ab s t r a ct Ma t h e m a t i ca l m o d e l s a r e b u il t o n t h e U P Q C s e r ie s a n d s h u n t s i d e s a n d d e co u p l e d i n t o a li n e a r s y s t e m i n t h e e x a ct li n e a r i z a t i o n a p p r o a ch via s t a t e f e e d ba ck On t his b a s is a f e e d ba ck co nt r o lle r is de s ig ne d t h r o u g h t h e v a ri a ble s t r uct u r e co n t r o l t h e o r y A s imu la t io n r e s e a r ch is ma d e o n t h e d e s ig n e d co n t r o lle r t h r o u g h MABL AB s o ft wa r e a n d t h e r e s u lt s s h o w t h a t a ft e r t h e in s t a lla t io n o f t h e con t r o lle r t h e v o lt a g e s a n d cu r r e n t s o f t h e s e r ie s a n d s hu n t s id e s ca n be co mp e ns a t e d f o r mo r e e f f e ct iv e ly Ke ywo r ds u nifi e d po we r q u a lit y con t r o lle r no n lin e a r s y s t e m v a r ia b le s t r uct u r e co n t r o l e x a ct line a r iz a t io n t h r o u g h f e e d b a ck h a r mo nic 0 引 言 统一电能质量控制器 U P Q C 是 目前主要 的 D F A C T S 柔性 供配电 装置 4 U P Q C由并联和串联换流器组合而成 统一 实现多重电能质量调节功能 其运行过程中是一个多变量 强耦 合 非线性的动态系统 其控制方法有 P I 双环解耦 模糊控制等 但是难以做到精确解耦控制 本文提出了一种精确线性化 与变结构控制 相结合的控制策略 并设计了 U P Q C的控制 器 提 高整个 系统 的动态性 能 1 U P Q C拓扑结构及数学模型 统一电能质量控制器的基本结构如图 1 所示 对于 U P Q C 略去滤波器电阻和主电路开关损失 l逸 I L b u J 1 l d l I l dc I 2 一 l 蛞 R 一 Z i l 此 l c c 2 1 l ob r I 冗 I I 一 ro 2 l l r R 一厶 m I I 一 女 一 一 L I J L 图 1 联侧和并联侧的输入功率 P P 应分别等于 P u clid Ud cid cl P2 e 2 i 一Ud c d c2 U P Q C直流侧有电流关系 C d u d c d t i l t d c2 即 Ca e dud c m 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 6 统一潮流控制器结构图 id cl 一1 u d U c a 2 i 2 U c b 2 i 6 2 U c c 2 i c 2 1 可得其直流侧数学模型 C 如 d u d c d t i l 3 2 d c 2 嘶 如 2 综上可得 U P Q C在 d q O下的数学模型 3 4 E le ct r i ca I A u t o ma t io n 5 1 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第5 期 电力 系统 及其 自动化 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n d i d 1 d t w i 1 一u d 村 1 L I i d lR 1 L 1 d d t 一 出一 q M L 一 g 1 R 1 L 1 d d t n J q l C 1一 c d C f d u 口 d t 一 u d i C l i w C d i d w i 一 一 d 2 L 2一i c e 2 R 2 L 2 d i 2 d t w 2一 幻 L 2 o J i 一L e q 2 R 2 L 2 2 UP QC检测方法 对 U P Q C进行电压和电流检测要有联系和基准 因此 利用 基于d q 0变换的电压电流综合检测方法 其原理如图2 图 中的 二 t二 为需要补偿的电流参考指令值和电压参考指令值 t L l dq0 昧 图 2 谐波 电压电流检测原理 u d 2 2 0 2 co s T 2 2 0 2 s i n 叼 u o 0 6 i d i q u d u u iq iq q M d M q u i o 0 7 其中 3 控 制器 的设计 3 1 U P QC系统的线性化解耦 在设计中 非线性系统反馈精确线性化的思路是选择适当的 非线性坐标 T 和状态反馈量 使得非线 性系统在大范围甚至在全局范围内线性化并解耦 令系统的状 态变量 为 r T L 1 X 2 X3 4 X 5 X 6 r T l c 卅 l 1 1 d 凹 也 c j 输入 变量 L u1 2 3 4 J M 州 一M 一 w 2 输出变量 1 Y 2 Y 3 Y 4 d i 以 i 2 r 由此可得 1 一 R1 1 Ll 2一 PC 3 Ll Hl 1 2 一 O X1一RlX2 L1一 X 4 L1一lZ 2 1 3 x Ci 一i z C f 8 1 4 X2 C2一 c J 3一 icq C 5 一 R2 5 L2 6一 L2一 U 3 L2 6 一 5一 R2 6 L2一Mk 2 一 4 2 将式 8 中串联侧写成仿射非线性形式 即 5 2 Ele ct r i ca I Au t om 其中 厂 一 2 一 R1 I L1 L O X 2一 3 L C O X l R X 2 L1一 4 l Cl 4一 icd Cl 2 C2一 O O C 3一icq C1 9 一 1 L 1 一 0 L 0 该系统 4 对于所有 是线性独立 的 所以系统的维度 d i mA 4 验证该系统是否符合精确线 性化的条件 根据相对阶的定义 如果一个系统的 n个矢量场组 成 的矩 阵 D g a 4 g d g g n 矿 g 在 点非奇异 且其中的 n个矢量场集合每一个都对合 则系统 可进行反馈精确线性化 本系统的各阶 L i e括号I f g 如下 d g 1 g l d I n g 2 g 2 d 2 0 d g x O x I f 一 2 O x g d n d 船 以 八 一 x O x g d 可得出 U P Q C系统的矢量场组合矩阵 D 2 d 1 d 2 d 3 d 4 g l d 0 g 2 d g l o d 2 可得 D l 1 c2 0 故 D 是非奇异的 即 r a n k D 4 d im A 该矢量场组合矩阵的分布 A s p a n a 4 g g a d f g 啪 对于所有的 是对合的 系统满足精确线性化的条件 因此 存 在如下坐标变换 z l h 1 z 2 J h x z 3 h 2 Z 4 L 2 1 0 则系统可以转换为新坐标系的标准型 其 中 1 J 1 L 1 L 1 M l Jg 2 M 2 2 2 Jg 2 h 2 1 Jg 2 2 2 1 1 同理 对于并联变换器 可知其相对阶 1 1 2 即 n n为系统的阶数 选择指标 函数 n 1 n 1 可得系统的标 准 型 c 5 73 f f J4 y 3 5 y 4 6 3 L g lh 3 L u 2 h 3 4 L h 4 3 L g 2 h M 1 2 力系统及其自 动化 皇 竺 兰竺 P o wer S y s t e m Au t o ma t i o n 3 2 变结构控制器的设计 由于变结构控制对于系统的摄动及干扰呈现较强的鲁棒性 其滑动模态具有完全 自适应性 所以用变结构控制来设计反馈控 制律 2 令 Y Y 一 y Y Y 2 一y 其 中 y 分别为检 测到的 的指令值 取滑动面分别为 S 1 C 1 Y l 夕 1 S 2 c2 Y 2 2 1 3 可得 S 1 一 1 s g n S l 一 lS l S 2 一s 2 s g n S 2一k 2 S 2 1 4 采用趋近律的方法 得 l 一 1 s g nS1一 k1 S1一 C 1 1 2 一 2 s g n S 2一 2 S 2一C 2 y 2 1 5 综上 可得最终的控制律 r l 一 1 s g n c1 Y 1一y Y 1 j k l c y 一 Y l 一 l c 1 6 l O l 2 一g 2 s g n C 2 Y z Y 2 2 一 k 2 c2 Y 2一Y z 一 k 2 c2 y 由式 1 2 1 3 可得系统的控制律 如下 1 一R 1 l 2 t o L 1 2一 c J L lC l 1 3 一 t o L1 i 一 Lli d LlC1 u 2 2 w L 1 l R1 2一 L 1 C 1 1 x 4 一 o J L1 i Lli g L1 C1 2 并联换 流器调制所需 的合成参考 电压 二 1 l I Xr q 1 M2 同理 可得串联变换器的控制律如下 r 3 一s 3 s g n C 3 Y 3一 3 j 一 c y 一 y 一 c 夕 I 口 4 一 C 4 s g n c 4 Y 4 一 y Y 4 一 y 4一 一 R2 x 幽5 并联换流器调制所需的合成参考电压 gr d 2 一U3 M 2 一 4 4 仿真与实验研究 4 1 仿真模型的建立 采用 MA T L A B建立 U P Q C的控制模型 验证所设计控制方法 的有效性正确性 U P Q C仿真模型的电路参数如下 电网侧采用 2 2 0 V三相电源 为了模拟受污染的电网 在电网侧加入幅值为 1 1 V的5次和7次谐波 对于 A相假设初相角均为0度 负载侧 为 1 0 k V A的非线性负载 控制器参数设置为 1 1 0 k 1 k 8 0 0 0 C 1 C 2 2 0 0 0 4 1 5 k 4 5 0 0 0 c3 C 4 2 0 0 0 表 1 仿真参数 值 串联侧输入 电感 L mH 串联侧滤波 电容 C 串联侧等效损耗 电阻 R n 并联侧输入电感 L mH 并联侧等效损耗电阻 R n 直流侧 电容 C mF 直流侧电压设定值 V 变压器变 比 v v 2 r 1 7 4 2 电网侧及负载侧的电压和电流补偿实验 1 8 1 9 2 0 2 1 图 3 U P Q C系统 的控 制框 图 图 4 电网侧三相电压 波形 图 5 串联侧补偿电压波形 图 6 负载端三相电压波形 图5 图9给出了仿真结果 经 由系统谐波分析 电网侧电 压畸变为T HD 2 0 2 4 负载端电压畸变 T H D 1 2 5 负载电 流畸变 T H D 2 7 3 0 而输入电流畸变 T H D 1 0 4 4 3 系统电压突变实验 为了验证所设计的系统的暂态稳定性 使得 电网侧电压在 0 1 5 s 至0 3 S 之间分别降低 2 0 和上升 2 0 仿真结果如图 E le ct r i ca I A u t o ma t io n 5 3 8 H 7 O 1 3 M 3 二 二 曩 l 电 气自 动 化 5 2 O l3 年 第3 5 卷第5 期 电力系统及 其 自动化 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n 图 7 负载端三相 电流波形 图 8 并联侧补偿电压波形 图 9电网侧三相电流波形 图 1 0 电网侧 电压 降低 2 0 的波形 图 1 1 电网侧 电压降低 时负载端的电压波形 图 1 2电网侧 电压升高 2 0 的波形 图 1 3 电网侧 电压升高时负载端 的电压波形 1 0 1 3所爪 巾 图可以看 当网侧的电压在 0 1 5 S 突然降低 2 0 时 54 E le ct r i caI Au t o ma t i on 由于 U P Q C的补偿作用 负载端电压畸变率 T HD 1 1 2 降低 微小 且在 0 0 1 S 之 内迅速恢复正常电压 当网侧 电压在 0 1 5 s 突然升高 2 0 时 负载端电压畸变率 T H D 1 2 2 基本不受影 响 说明系统对 电压 突变有很强 的控制 和补偿作 1 f j 暂 态稳定 性 良好 4 4系统突加负载试验 系统空载 在 0 1 4 S时 将 负载从 0突然加 列 1 5 k V A 仿 真 结果如图所示 网侧电压畸变率 T H D 1 2 9 负载侧电压在 0 0 1 S 之内迅速恢复正常 负载侧电流突升 一个周期后达到 稳 态 控制器对负载变化有很强的鲁棒性 图 1 4 负载从 0突变到 1 5 k V A时 负载 电流波形 图 1 5 负载从 0突变到 1 5 k V A 时 负载 电压波形 5 结束语 在 三相 三线制 U P Q C系统模 型的基 础 埘其控 制策略进i 了研究 首先建 U P Q C系统 的数 学模 选 择合适 的状 态 输 入输出变量 利用反馈精确线性化理论将其解耦成线性系统 运 斤 j 变结构控制设计 了其控制律 从 而得到整 个系统 的控制 算法 建 其控制模型 通过仿真实验验证 r非线性用户端在装设设 计的 U P Q C系统后 其对外 部扰动 及 内部 谐波 等变化 敏感 具 有很强的稳 定性 参考文献 1 沈虹 U p Q C电流谐 波与 电压跌落 补偿研 究 lD 天汁 火津大 学 2 0 0 9 4 6 1 2 V i n o d K h a d k i k a r E n h a n ci n g E l e ct r i c P o w e r Q u a li t y U s i n g U P Q C A C o m p r e h e n s i v e O v e r v i e w J I E E E F r a n s a ctio n s O f l P o w e r E l e ct r o n i cs 2 0 1 2 2 7 5 2 2 8 4 2 2 9 7 3 A m i t K u ma r J i n d a 1 I n t e r li n e U n i f i e d P o w e r Q u a li t y C o u d i t i o n e r l J j I EEE Tr a n s a ct io n s o n P o we r De liv e r y 2 0 0 7 2 2 1 3 6 4 3 7 2 l 4 张国荣 电能 质最综合 调 节器 U P Q C 及 控制 策略研 究 D 肥 合肥T I 大学 2 0 0 8 8 1 8 5 A l b e r t o I s i d o r i 著 奔 庄圣贤 汗 I F 线性控制系统 M I 北 j 电子工业出版丰 十 2 0 1 2 1 0 6一I 3 5 6 壬久和 电压型 P WM 整流器 的 线 控制 M 北 京 机械 I I 版社 2 0 0 8 9 0 1 0 1 7 乐江源 谢运祥 i相有 源 电力滤 波 器精 确反馈 线性 化 窄问 矢 艟 P WM复合控制 J 中国电机工程学报 2 0 1 0 3 0 1 5 3 2 3 8 1 8 岛为炳 变 结构 控制 的珲 沦及设 汁方法 M J 匕 京 科 版礼 1 9 9 6 3 4 3 5 下转第 5 7页 电力系统及其自动化 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n 丑 迎 图 3 电压 尖峰的分解 结果 IM F 1 瞬时嚆懂 图 4 各分量瞬时幅值及 I MF 1的一阶导数 皿 室 兰 图 5短时间谐 波信号分解 图 IM F 1 瞬时幅值 0 厂 1 2 二二二 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 08 IM F 1 瞬 时幡值求导 F二二 二二 二二 0 b 百 图 6 短时间谐波分量瞬时幅值及 其一阶导数 表 2 短 时间谐 波定位结果 电气 自动化1 2 0 1 3年第 3 5卷 第 5期 4 结束语 对暂态扰动的准确定位依赖于对信号的精确分解 用掩膜信 号法对信号进行分解后再进行希尔伯特变换 能得到具有实际物 理意义的扰动信息 变换后对瞬时频率或瞬时幅值求一阶导数再 找到极值点就能对信号的起止时间做出精确的检测 参考文献 1 Hu a n g N E S h e n Z L o n g S R T h e E m p i r ica l Mo d e D e co mp o s i t io n a n d t h e Hilb e r t S p e c t r u m f o r No n lin e a r a n d No n s t a t i o n a r y Time S e ri e s A n a ly s i s J P r o ce e d i n g s o f t h e Ro y a l S o ci e t y o f L o n d o n S e rie s A 1 9 9 8 4 5 4 9 0 3 9 9 5 2 杨存祥 仝战营 万钰昊 等 基 于 HH T的电力系统 暂态复合扰 动信 号的提取分析与研究 J 电力 系统 保 护与控 制 2 0 0 9 3 7 1 1 6 9 3 黄奂 吴杰康 基于经验模态分解的电能质量扰动信号定位方法 J 电网技术 2 0 0 5 3 4 5 4 1 4 5 4 李天云 赵妍 李楠 等 高宏 慧 基于 HH T的电能质量 检测新方法 J 中国电机工程学报 2 0 0 5 2 5 1 7 5 2 5 6 5 李天云 赵妍 韩永强 等 H i lb e r t Hu a n g变换 方法在谐 波 和电压 闪 变检测中的应用 J 电网技术 2 0 0 5 2 9 2 7 3 7 7 6 黄大吉 赵进平 苏纪兰 希尔伯特 一 黄变换的端点延拓 J 海洋学 报 2 0 0 3 2 5 1 1 1 1 7 刘 德利 曲延滨 改进 的希尔伯 特 一黄 变换在 电力 谐波 中的应 用研 究 J 电力系统保护与控制 2 0 1 2 4 0 6 6 9 7 3 8 自玮莉 刘志 刚 彭权威 等 基于 H HT和神经 网络组合 的负荷预测 模型研究 J 电力系统保护与控制 2 0 0 9 3 7 1 9 3 1 3 5 9 Wu Z h a o h u a N E Hu a n g E n s e mb le e mp i rica l m o d e d e co mp o s i t i o n a n o i s e a s s i s t e d d a t a a n a ly s i s me t h o d J A d v a n ce s i n a d a p t i v e d a t a a n a l y s i s 2 0 0 9 1 1 1 4 1 1 0 B a o Y u q i n g X i e J i h u a C o n t r a s t s t u d y o n p o w e r q u al i t y d e t e ct i o n u s i n g E MD a n d E E MD C I E ME 2 0 1 1 2 0 7 4 2 0 7 7 1 1 张扬 刘志刚 E E MD在 电能质量扰动检测 中的应用 J 电力 自动 化设备 2 0 1 1 3 1 1 2 8 6 9 1 1 2 R De e r in g J F K a i s e r T h e u s e o f a ma s k i n g s i g n a l t o i mp r o v e e m p i ri ca l mo d e d e co m p o s i t i o n l J I I E E E A co u s t i cs S p e e ch a n d S ig n a l P r o c e s s in g 2 0 0 5 4 4 8 5 48 8 1 3 D S L a i la A R me s s i n a B C P a 1 A r e fin e d Hi l b e r t H u a n g t r a n s f o r m w i t h a p p l i ca t i o n t o i n t e r a r e a o s cil l a t io n mo n i t o rin g J I E E F T r a n s a ct i o n s 2 0 0 9 2 4 5 1 1 0 1 4 N i la n j a n S e n r o y S i d d h a r t h S u r y a n a r a y a n a n P a u l o F R i b e i r o An imp r o v e Hilb e a Hu a n g me t h o d for a n a ly s is o f t ime v a r y in g wa v e form s in p o w e r q u a l i t y J I E E E T r a n s a ct i o n s o n P o w e r S y s t e ms 2 0 0