基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法和一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置。

背景技术

主动配电网由分布式电源、柔性负荷、储能系统以及控制装置组成。主动配电网带有分布式电源，与传统配电网有着很大的不同，除了有传统配电网中的配电装置、电力网以及电力负载外，还增加了容量比较小的分布式发电的装置。在主动配电网充分发挥多种清洁能源优势的同时，也不得不面对电能质量问题日益突出的困境。不断增加的电力电子装置等非线性负荷，也给主动配电网的电能质量带来了一定的负面影响，加剧了原配电网中的电能质量问题。

目前电能质量问题中比较常见的是电压暂降，尤其是频繁的电压暂降，需要有一个可靠、有效的补偿方式去实现电压的实时补偿。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法和装置，能够瞬时补偿电压暂降，保护敏感性负载，可靠性高，并且，由于是在原供电关系的基础上进行补偿，只需补偿电压幅值降低的部分，无需按负载要求配置全功率电力电子器件，所对应的设备体积较小，可靠性也相对较高。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法，所述统一电能质量控制器包括前级并联变换器和后级串联变换器，所述串联变换器包括三个单相全桥逆变器，三个所述单相全桥逆变器的输出端分别与负载的三个相线相连，所述电压补偿控制方法包括以下步骤：获取待补偿相线的电压，并根据所述待补偿相线的电压获取所述待补偿相线的参考电压；将所述待补偿相线的参考电压与电压作差，得到补偿参考电压，并根据所述补偿参考电压进行电压外环控制，得到所述待补偿相线的参考电流；获取所述待补偿相线的电流，并将所述待补偿相线的参考电流与电流的差值经电流内环控制，得到补偿电压；根据所述补偿电压对所述待补偿相线连接的单相全桥逆变器进行控制。

根据所述待补偿相线的电压获取所述待补偿相线的参考电压，具体包括：通过基于广义二阶积分器的锁相环获取所述待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正、负序基频分量；将所述待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正序基频分量经clack反变换，变换至abc坐标系下，得到所述待补偿相线的参考电压。

进行电压外环控制的电压外环传递函数采用多重准PR谐振控制器设计，其中，单重准PR谐振控制器的传递函数为：

其中，k

G

其中，G

所述电流内环传递函数为：

其中，K

根据所述补偿电压对所述待补偿相线连接的单相全桥逆变器进行控制，具体包括：根据所述补偿电压计算所述待补偿相线连接的单相全桥逆变器中开关管驱动信号的占空比。

一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置，所述统一电能质量控制器包括前级并联变换器和后级串联变换器，所述串联变换器包括三个单相全桥逆变器，三个所述单相全桥逆变器的输出端分别与负载的三个相线相连，所述电压补偿控制装置包括：获取模块，用于获取待补偿相线的电压，并根据所述待补偿相线的电压获取所述待补偿相线的参考电压；第一控制模块，用于将所述待补偿相线的参考电压与电压作差，得到补偿参考电压，并根据所述补偿参考电压进行电压外环控制，得到所述待补偿相线的参考电流；第二控制模块，用于获取所述待补偿相线的电流，并将所述待补偿相线的参考电流与电流的差值经电流内环控制，得到补偿电压；第三控制模块，用于根据所述补偿电压对所述待补偿相线连接的单相全桥逆变器进行控制。

所述获取模块具体用于：通过基于广义二阶积分器的锁相环获取所述待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正、负序基频分量；将所述待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正序基频分量经clack反变换，变换至abc坐标系下，得到所述待补偿相线的参考电压。

进行电压外环控制的电压外环传递函数采用多重准PR谐振控制器设计，其中，单重准PR谐振控制器的传递函数为：

其中，k

G

其中，G

所述电流内环传递函数为：

其中，K

所述第三控制模块具体用于：根据所述补偿电压计算所述待补偿相线连接的单相全桥逆变器中开关管驱动信号的占空比。

本发明的有益效果：

本发明通过电压外环与电流内环的双闭环控制，能够瞬时补偿电压暂降，保护敏感性负载，可靠性高，并且，由于是在原供电关系的基础上进行补偿，只需补偿电压幅值降低的部分，无需按负载要求配置全功率电力电子器件，所对应的设备体积较小，可靠性也相对较高。

附图说明

图1为本发明一个实施例的含统一电能质量控制器的电网系统的拓扑图；

图2为本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法的流程图；

图3为本发明一个实施例的串联变换器中单相全桥逆变器的拓扑及电压补偿控制结构的示意图；

图4为本发明一个实施例的电压外环和电流内环双闭环控制结构示意图；

图5为本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置的方框示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的电网系统包括三相电网、负荷及设置于三相电网与负荷之间的统一电能质量控制器，还包括多绕组变压器及必要的旁路开关等。统一电能质量控制器包括前级并联变换器和后级串联变换器以及二者之间的直流环节，多绕组变压器包含三个绕组，绕组1为一次侧三相输入绕组，分别与三相输入电网相连，绕组2和绕组3为二次侧输出绕组，绕组2用以与负载相连，绕组3作为串、并联变换器的输入绕组经滤波电感给电力电子变换器提供电能输入。前级并联变换器的交流侧通过滤波电感接绕组3的输出侧，相当于一个三相全桥整流器，实现交流到直流的整流过程，通过相应的检测环节可确定是否需要进行实时无功电流补偿。后级串联变换器包括三个单相全桥逆变器，三个单相全桥逆变器的输出端分别通过相应的LC滤波电路与负载的三个相线相连，后级串联变换器可通过电容耦合的方式分别串联进三相电网中用以进行电压跌落实时补偿。中间级直流环节则是通过电容储能的方式来维持电压稳定，是进行能量交换和交直流转换的场所。

如图2所示，本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法包括以下步骤：

S1，获取待补偿相线的电压，并根据待补偿相线的电压获取待补偿相线的参考电压。

图3是以任意一个单相全桥逆变器为例，单相全桥逆变器包括T

待补偿相线可为系统确定的需要进行补偿的任一相线，如图3所示，在采集到待补偿相线的电压U

在本发明的一个实施例中，广义二阶积分器的锁相环所输出的待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正、负序基频分量为：

其中，uα、uβ分别为待补偿相线的电压在α、β轴分量，上标的+、-即表示相应的正、负序基频分量，k为广义二阶积分器的增益系数，ω为电网系统角频率，s为拉普拉斯算子。

通过广义二阶积分器的锁相环获取电压正、负序基频分量，克服了传统软件实现的锁相环在电网电压出现不平衡或含有较大谐波时无法准确锁相的弊端，使得统一电能质量控制器存在更大的电压补偿范围。

S2，将待补偿相线的参考电压与电压作差，得到补偿参考电压，并根据补偿参考电压进行电压外环控制，得到待补偿相线的参考电流。

S3，获取待补偿相线的电流，并将待补偿相线的参考电流与电流的差值经电流内环控制，得到补偿电压。

进行电压外环控制和进行电流内环控制的双闭环控制结构可如图4所示。

在本发明的一个实施例中，进行电压外环控制的电压外环传递函数G

其中，单重准PR谐振控制器的传递函数为：

其中，k

将多个指定频次下的准PR控制器相结合，可得到的电压外环传递函数为：

G

其中，G

其中，K

参照图3和图4，可将待补偿相线的参考电压U

其中，SPWM环节是单相全桥逆变器等效线性环节增益。LC滤波电路的数学模型如下：

S4，根据补偿电压对待补偿相线连接的单相全桥逆变器进行控制。

应当理解的是，单相全桥逆变器的输出电压U

根据本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法，通过电压外环与电流内环的双闭环控制，能够瞬时补偿电压暂降，保护敏感性负载，可靠性高，并且，由于是在原供电关系的基础上进行补偿，只需补偿电压幅值降低的部分，无需按负载要求配置全功率电力电子器件，所对应的设备体积较小，可靠性也相对较高。

对应上述实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制方法，本发明还提出一种基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置。

如图5所示，本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置包括获取模块10、第一控制模块20、第二控制模块30和第三控制模块40。其中，获取模块10用于获取待补偿相线的电压，并根据待补偿相线的电压获取待补偿相线的参考电压；第一控制模块20用于将待补偿相线的参考电压与电压作差，得到补偿参考电压，并根据补偿参考电压进行电压外环控制，得到待补偿相线的参考电流；第二控制模块30用于获取待补偿相线的电流，并将待补偿相线的参考电流与电流的差值经电流内环控制，得到补偿电压；第三控制模块40用于根据补偿电压对待补偿相线连接的单相全桥逆变器进行控制。

待补偿相线可为系统确定的需要进行补偿的任一相线，参照图3，获取模块10在采集到待补偿相线的电压U

在本发明的一个实施例中，广义二阶积分器的锁相环所输出的待补偿相线的电压在αβ坐标系下的正、负序基频分量为：

其中，uα、uβ分别为待补偿相线的电压在α、β轴分量，上标的+、-即表示相应的正、负序基频分量，k为广义二阶积分器的增益系数，ω为电网系统角频率，s为拉普拉斯算子。

通过广义二阶积分器的锁相环获取电压正、负序基频分量，克服了传统软件实现的锁相环在电网电压出现不平衡或含有较大谐波时无法准确锁相的弊端，使得统一电能质量控制器存在更大的电压补偿范围。

第一控制模块20和第二控制模块30进行电压外环控制和进行电流内环控制的双闭环控制结构可如图4所示。

在本发明的一个实施例中，第一控制模块20进行电压外环控制的电压外环传递函数G

其中，单重准PR谐振控制器的传递函数为：

其中，k

将多个指定频次下的准PR控制器相结合，可得到的电压外环传递函数为：

G

其中，G

其中，K

参照图3和图4，可将待补偿相线的参考电压U

其中，SPWM环节是单相全桥逆变器等效线性环节增益。LC滤波电路的数学模型如下：

应当理解的是，单相全桥逆变器的输出电压U

根据本发明实施例的基于统一电能质量控制器的电压补偿控制装置，通过电压外环与电流内环的双闭环控制，能够瞬时补偿电压暂降，保护敏感性负载，可靠性高，并且，由于是在原供电关系的基础上进行补偿，只需补偿电压幅值降低的部分，无需按负载要求配置全功率电力电子器件，所对应的设备体积较小，可靠性也相对较高。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。