統(tǒng)一電能質量調節(jié)器的新型控制策略研究

張煥東， 王碩禾， 張國駒2， 解天宇， 馬天琪

(1.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；2.金風科技股份有限公司，北京 100176)

0 引言

隨著社會的迅猛發(fā)展，電力電子器件和設備的發(fā)展也日新月異，同時，大量的非線性以及沖擊負荷接入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)電壓和電流波形的畸變，以及電壓的跌落、閃變和三相電壓不平衡等[1]。為了解決電能質量問題，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQC)應運而生。傳統(tǒng)的PI控制器，其控制器的增益是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和跟蹤誤差設計的[2]。當系統(tǒng)參數(shù)估計不準確時，控制器的設計無法抗拒電力系統(tǒng)擾動，表現(xiàn)出較低的穩(wěn)定性和魯棒性[3]。此外，當UPQC遇到電力系統(tǒng)網(wǎng)絡運行環(huán)境的多個挑戰(zhàn)時，如負載瞬變、供電側暫態(tài)等，傳統(tǒng)PI控制器的魯棒性較低，其跟蹤性能會在電力系統(tǒng)擾動中下降[4]。Iurie et al[5]提出了一種改進的自適應控制策略，但其控制的求取需要對系統(tǒng)參數(shù)進行辨識。王靜[6]提出了基于電壓空間矢量的控制策略，但由于串并聯(lián)側不同的約束關系，需采取2種不同的控制策略。Zhu et al[7]提出了一種基于線性二次型調節(jié)器的控制策略，僅限于暫態(tài)過程中限制電壓偏差。

基于上述觀點，提出了一種基于CGT的直接自適應控制策略。首先，3個具有不同階躍時間、相位差為120°的階躍信號形成指令輸入信號。考慮到參考模型是一種理想的振蕩器，設計了CGT模塊，它是一個適用于已知系數(shù)的線性時不變系統(tǒng)參考模型的控制器，用于并聯(lián)和串聯(lián)變流器參考信號的產生。當具有不同階躍時間的3個階躍輸入信號乘以電源電流和負載電壓的峰值并送入?yún)⒖寄Ｐ蜁r，參考模型將輸出期望的正弦參考信號。最后，通過被控對象的輸出和參考模型的輸出產生的跟蹤誤差，選出合適的自適應增益，從而設計出UPQC的控制策略。因此，保持被檢測信號和參考信號之間的跟蹤誤差接近為零，從而達到漸近跟蹤效果，使UPQC在不同的電力系統(tǒng)運行狀態(tài)下保持良好的性能[8]。

1 UPQC的拓撲結構及數(shù)學模型

1.1 UPQC的拓撲結構

圖1為UPQC的拓撲結構，它是由2個電壓源變流器(VSI)背靠背連接，通過直流母線整合而成。并聯(lián)變流器與負載并聯(lián)，能夠抵消電網(wǎng)電壓諧波和抑制電網(wǎng)電壓波動；串聯(lián)變流器與電源電壓串聯(lián)，能夠消除負載產生的諧波電流以及無功電流[9]。三相無控二極管橋式整流器采用電阻RL和電感LL負載作為非線性負載產生電流諧波。并聯(lián)電感器(Lsh)用于變流器的并聯(lián)耦合到系統(tǒng)網(wǎng)絡，并聯(lián)電容Csh是用來消除端電壓的開關頻率。LC濾波器用作無源低通濾波器以消除串聯(lián)變流器輸出電壓中的高頻開關紋波。串聯(lián)變壓器與電力線串聯(lián)使用，以建立串聯(lián)變流器和系統(tǒng)網(wǎng)絡之間的聯(lián)系。

1.2 UPQC的數(shù)學模型

圖2為在電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)中UPQC的單相等效電路。圖中，Vs表示電源電壓，Rsa和Lsa表示線路參數(shù)。與串聯(lián)變流器相連的LC濾波器由Lsea和Csea組成，阻抗Rsea和Rsha分別表示串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的開關損耗。

圖1 三相三線制UPQC的拓撲結構

圖2 UPQC的單相等效電路

同樣，Lsha和Csha分別表示并聯(lián)變流器的耦合電感和濾波電容。Vt和isa分別表示負載電壓和電源電流。Csh兩端的電壓表示為Vl，Cse兩端的電壓表示為Vc，ica表示并聯(lián)變流器的注入電流。u1和u2分別表示串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的輸出電壓。

分析上述系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，其中，4個狀態(tài)變量為3個回路電流和兩個電容電壓，可以表示為：x=[i1，i2，i3，Vc，Vl]T。電源電壓Vs為外部輸入，負載電壓Vl和電源電流isa為UPQC的輸出，狀態(tài)變量u1和u2為UPQC的控制輸入，用u表示：u=[u1，u2]T。

通過考慮狀態(tài)變量“xp”、控制輸入量“u”和系統(tǒng)外部輸入“Vs”，可以得到完整的狀態(tài)空間方程

(1)

為得到狀態(tài)矩陣Ap、B1和B2及Cp，對于圖2所示的等效電路圖，由基爾霍夫定理，可得

(2)

將式(1)～式(2)聯(lián)立，可獲得UPQC如下矩陣系數(shù)

2 基于CGT的直接自適應控制器的設計

基于CGT的直接自適應控制器是一種模型參考自適應控制?？刂破魇腔贑GT理論的，CGT理論中參考模型可以隨意選取，對象并不是跟蹤參考模型的每個狀態(tài)量，而是只跟蹤參考模型的輸出，所以不要求參考模型的階次與系統(tǒng)階次相同[10]。CGT是一個適用于已知系數(shù)的線性時不變系統(tǒng)參考模型的控制策略，并用于并聯(lián)和串聯(lián)變流器參考信號的產生[11]。直接自適應控制器是用來控制實際輸出信號yp和參考信號yr之間的跟蹤誤差。此外，這種跟蹤誤差通過調整控制增益，從而作為自適應控制方程的一部分。這種控制方式能逐步減少UPQC的輸出和CGT輸出之間的誤差。因此，這種自適應控制方式能在負載側和電源側有擾動的情況下提供更好的跟蹤效果。

2.1 CGT控制器的設計

圖3 CGT控制器的控制原理

CGT控制器的設計是以獲得UPQC的輸出響應為基礎的。電源電流isa和負載電壓Vl為實際的輸出信號，這兩個信號將保持為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡基準幅值和頻率的標準正弦波。因此，CGT控制器的工作原理如下：當參考階躍信號輸入模型時，CGT模塊就如同理想的振蕩器一樣產生頻率為50 Hz的正弦波，其振幅為電源電流和負載電壓的峰值。

UPQC的串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器可以定義為一個線性時不變參考模型，其狀態(tài)空間方程如下

(3)

圖3為基于CGT的參考信號產生模型。該模型由峰值幅度計算模塊、指令生成輸入模塊和參考模型組成。

計算電源電流的峰值(Isp)和負載電壓的峰值(Vlp)的公式如下

(4)

接下來，3個階躍輸入信號作為指令參考輸入信號(rabc)被送入到模型中，在參考模型輸出時將產生120°相移參考信號。并聯(lián)變流器和串聯(lián)變流器參考模型的指令輸入信號表達式如下

umsh(abc)=Isp×rh(abc)，umse(abc)=Vlp×rs(abc)

(5)

參考模型是選擇的性能良好的模型，在控制系統(tǒng)中提供被控系統(tǒng)的跟蹤信號[12]。當這些指令輸入信號被送入?yún)⒖寄Ｐ蜁r，將會輸出并聯(lián)變流器和串聯(lián)變流器的正弦參考信號。

2.2 直接自適應控制器的設計

區(qū)別于一般自適應控制法，直接自適應控制算法控制的求取不需要對系統(tǒng)參數(shù)進行辨識，其控制方法能夠自動找到正確的增益，并有效減少模型輸出yr(sh-se)和被控對象的輸出yp之間的跟蹤誤差[13]。因此，其跟蹤誤差定義如下

er(sh-se)=yr(sh-se)-yp

(6)

直接自適應控制的原理圖如圖4所示。

圖4 直接自適應控制原理圖

利用直接自適應控制器能夠計算出自適應控制律，使并聯(lián)和串聯(lián)變流器的跟蹤誤差er(sh-se)接近于零。為了實現(xiàn)這一目標控制，在CGT控制法的基礎上，確定了自適應控制法[14]，其定義如下

Up(sh-se)=kx(sh-se)xr+ku(sh-se)um(sh-se)+ke(sh-se)[yr(sh-se)-yp]

(7)

式中，up(sh-se)是其控制方法；um(sh-se)是其階躍輸入信號；kx(sh-se)、ku(sh-se)和ke(sh-se)是并聯(lián)變流器和串聯(lián)變流器的自適應控制增益。

綜合上述計算結果，可以把自適應控制法變換成如下表達式：up(sh-se)=kr(sh-se)s(t)，其自適應增益可以寫成m×nr的矩陣kr(sh-se)，狀態(tài)變量可以寫成nr×1的矢量形式s(t)，其特征如下

(8)

上述定義的增益kr(sh-se)，其值等于比例增益kp(sh-se)和積分增益kI(sh-se)的總和，其定義如下

kr(sh-se)=kp(sh-se)+kI(sh-se)

(9)

比例增益kp(sh-se)和積分增益kI(sh-se)可由如下公式獲得

kp(sh-se)=v(t)sT(t)T1，kI(sh-se)=v(t)sT(t)T2

(10)

式中，v(t)=Cper(sh-se)=(yr(sh-se)+yp)；T1、T2為nr×nr的時不變的對稱加權陣[15]。

3 UPQC的仿真與實驗

根據(jù)前述拓撲結構搭建仿真系統(tǒng)。仿真模型的電路參數(shù)如下：電源相電壓為220 V，初相角為零；電源側部分R=10 Ω，L=1 mH；串聯(lián)變壓器變比為1∶1，Lse=1 mH，Cse=1 μF；并聯(lián)部分Lsh=1.5 mH，Csh=6 μF；直流側電容Cdc=3 000 μF，其基準電壓為700 V。

3.1 電網(wǎng)電壓畸變量三相對稱時的仿真分析

分別采用傳統(tǒng)的PI控制器以及本文分析的基于指令跟蹤的直接自適應控制策略來對UPQC進行控制。仿真時，電源電壓于0.08～0.14 s之間上升0.2 pu，在0.14～0.2 s之間，被加入0.1 pu的3次諧波和0.12 pu的5次諧波，0.2～0.26 s之間下降0.3 pu。在這種情況下，UPQC同時對電壓、電流進行補償。分別采用傳統(tǒng)PI控制方法和本文分析的控制策略對UPQC串、并聯(lián)側的電壓、電流補償情況進行仿真。

3.1.1 UPQC串聯(lián)側仿真結果比較

(1)傳統(tǒng)PI控制器。補償前的電源電壓波形仿真結果如圖5(a)所示，可以看出未補償前電壓波形已經畸變，補償后電壓波形基本為正弦，如圖5(b)所示。經過THD分析，補償前電源電壓畸變率高達14.41%，采用傳統(tǒng)PI控制器補償后，電源電壓己趨近為正弦波，畸變率降為8.28%。

(2)基于CGT的直接自適應控制策略。補償后的電源電壓波形仿真結果如圖5(c)所示，可以看出補償后電壓波形基本為正弦波。經過THD分析，采用基于指令跟蹤的直接自適應控制策略補償后的電源電壓畸變率為6.54%，補償效果較傳統(tǒng)PI控制器有所提高。

圖5 補償前后電源電壓波形對比

3.1.2 UPQC并聯(lián)側仿真結果比較

(1)傳統(tǒng)PI控制器。圖6(a)為應用傳統(tǒng)PI控制器補償后的電網(wǎng)電流波形圖。由THD分析，可知圖中未補償前電網(wǎng)電流畸變率高達30.65%，采用傳統(tǒng)PI控制器補償后的電網(wǎng)電流已趨近正弦波形，由THD分析，畸變率為10.75%，但有明顯的毛刺。

圖6 補償前后電網(wǎng)電流波形對比

(2)基于CGT的直接自適應控制策略。采用基于CGT的直接自適應控制策略，對電網(wǎng)電流進行補償。圖6(b)為應用基于CGT的直接自適應控制策略補償后的電網(wǎng)電流波形圖。由THD分析，采用此控制方法補償后的電網(wǎng)電流畸變率已降低為4.27%，毛刺問題已經解決，較前者補償效果較好。

圖7 直流側電壓仿真波形

3.1.3 直流側電壓仿真

直流側電壓采用PI調節(jié)法進行控制。仿真時，PI的調節(jié)參數(shù)設定為Kp=3.1，KI=1.2。圖7為直流側電壓的仿真，可以看出，在5個周波后，直流側電壓可以較平穩(wěn)的穩(wěn)定在基準值700 V左右。

3.2 實驗設計

完成仿真實驗后，以STM320F28035DSP為核心控制芯片，設計了UPQC的硬件實驗電路，進行了補償電壓暫降(暫升)及諧波電流的實驗驗證。實驗中，三相電網(wǎng)電源為三相交流電，其相電壓有效值為220 V，基波頻率為50 Hz，直流側電壓為700 V。

其控制板采用TI公司的STM320F28035DSP芯片，裝有一個CRA模塊。三相逆變橋的開關器件，采用的是碳化硅，它的開關頻率高，耐壓高，其開關頻率可以高達50 kHz。直流輸入后經過了一個四串兩并的電容電流，輸出之后經過了一個霍爾傳感器，其偏移電壓是2.5 V，變比是1 A∶100 MV。在霍爾傳感器之后，接入了3個1.35 mH的電感。在電網(wǎng)電壓和電感之間，每相都接入了2個繼電器，可以通過控制繼電器的動作實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的投切。直流端的穩(wěn)壓是通過28035DSP芯片控制boost電路實現(xiàn)的。

調節(jié)電網(wǎng)電壓，負載接非線性負載，同時使電壓和電流補償單元共同運作，實驗波形如圖8所示。

由圖8可知，補償后，電壓參數(shù)已接近額定值，電網(wǎng)電流的波形也近似為正弦波，其THD也已下降，能夠同時實現(xiàn)電壓補償與電流補償，解決了電壓質量問題和電流質量問題。

圖8 補償前后電壓電流波形

4 結論

針對傳統(tǒng)PI控制器魯棒性差，且補償后電網(wǎng)電壓、電流THD含量高等問題，提出了一種基于CGT的直接自適應控制策略。最后通過模擬電網(wǎng)電壓畸變量三相對稱進行仿真與實驗，得出如下結論。

(1)相比傳統(tǒng)PI控制器，基于CGT的直接自適應控制策略不需要濾波器，其控制器結構簡單，被控對象的階數(shù)與參考模型的階數(shù)可以不同，并且通過調節(jié)自適應系數(shù)，可以使跟蹤誤差減小，適用于多輸入多輸出系統(tǒng)。

(2)實驗結果顯示采用基于CGT的直接自適應控制策略，能夠有效解決如電壓的暫升與暫降、電流諧波等電能質量問題。相比傳統(tǒng)PI控制器，UPQC 的電源電流和負載電壓獲得的平衡性更好，畸變更小，同時，負載電壓更接近于額定值，因而更為精確。所以，采用基于CGT的直接自適應控制策略，UPQC 的補償性能得到了提高，因此控制更加有效。