CN104065077A - 串联电压补偿装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联电压补偿装置的控制方法，通过数据采集单元获得三相***的参考额定电压、负载侧三相电压以及逆变单元交流侧的滤波电感电流；通过第一误差比较器计算负载侧三相电压与三相***的参考额定电压之间的差值后，作为比例谐振调节器组的输入；通过第二误差比较器计算比例谐振调节器组的输出与滤波电感电流之间的差值后，作为比例控制器的输入；比例控制器的输出与电网电压前馈累加后与直流电压系数乘积作为对于逆变单元中的IGBT输入，逆变单元中的IGBT输出与电网电压的累加后控制负载电压。针对电网故障时的串联型补偿装置结合直流电压系数的设计，从而能够快速有效的保证负载端口电压的幅值的稳定。

Description

串联电压补偿装置的控制方法

技术领域

本发明涉及电力邻域，更具体地说，是涉及一种串联电压补偿装置的控制方法。

背景技术

串联型电压补偿装置，独立于电网和负载，可应用于一般耗能型负载及能量回馈型负载，当应用于风机的低电压穿越补偿，因其独立于风电机组和接入***，补偿性能不依赖风机的自身特性，而逐渐受到人们重视。该装置串联于负载和电网之间，当***发生电压跌落时，装置输出补偿电压，确保负载侧电压稳定，使负载不受***电压跌落影响，当跌落消失后，能够迅速恢复向***送出有功电能和无功电能。

串联型电压补偿装置的逆变器控制方法及控制***的优劣，则直接关系到其功能实现的好坏与装置的安全稳定。对于逆变器的控制算法，最早采用的为模拟PID控制，随着数字处理器的普及，数字PID逐渐被采用，但是由于数字控制中采样、计算延时的影响，控制信号输出滞后一个采样周期，导致***的稳定性差，同时参数调试复杂。无差拍控制是一种基于电路模型的控制方法，其控制的准确性取决于***模型估计的准确度，因此***的鲁棒性较差。重复控制器的动态性能较差，***的动态响应速度慢，需结合状态反馈控制等方法来提高其动态性能。此外，还有滑模变结构控制，模糊控制等，但由于控制复杂等因素，均处于实验研究阶段。

应用于风机等能量回馈型负载进行电压补偿时的另一个主要问题是装置自身的可靠性问题。不同于一般性耗能负载，风机在低电压发生时，其能量需注入串联补偿装置，如果不对其采取一定控制，则会危及装置的自身安全。目前，对于串联型风机低电压装置研究本身较少，部分文献提出将该部分能量回馈电网，但是对于短时较大的电流冲击，对控制提出了较高的要求，并且使得装置可靠性降低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种串联电压补偿装置的控制方法，该控制方法具有补偿精度高，响应速度快，同时兼具谐波补偿的能力；并且在控制算法上，充分保障了装置的安全稳定运行。特别是，该控制方法采用了基于比例谐振调节器组的双闭环控制策略；并且针对能量回馈型负载在故障期间能量倒灌装置的问题，还提出了一种直流侧电压控制器的设计方法，确保了串联补偿装置自身的安全稳定运行。其中，基波谐振器的使用保证了负载端口电压的精度及稳态性能，针对电网及负载中的典型谐波，通过加入谐波谐振器组，能够有效的抑制了电网及负载扰动对补偿性能的影响。针对直流侧电压的波动，引入了直流电压系数来有效的抑制该波动。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种串联电压补偿装置的控制方法，该控制方法的具体步骤为：

A.通过数据采集单元获得三相***的参考额定电压、负载侧三相电压以及逆变单元交流侧的滤波电感电流；

B.通过第一误差比较器计算负载侧三相电压与三相***的参考额定电压之间的差值后，作为比例谐振调节器组的输入；

其中，比例谐振调节器组主要由比例环节、基波谐振器以及谐波谐振器组构成，

所述比例谐振调节器组的数学模型如下，

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=K_P+\underset{h=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s+{\left({\mathrm{h\ω}}_0\right)}^2},$

其中，K_p为比例环节增益，其取值范围在1～10之间；K_i为谐振器的增益，取值为10～100之间，其取值越大，精度也就越高，但是***的稳定性会有所降低；

ω_cut为谐振器的剪切频率，ω_cut取值范围为5～20；

ω₀为***基波的谐振频率；

h表示***中第h次的波形，其中，h＝1时，对应的为基波谐振器，该谐振器在控制***中是必须的，目的为增加***对参考电压指令的跟随特性，同时抑制电网及负载中的实时扰动；h＝3,5，…时，为谐波谐振器组，其个数与次数应根据电网的一般特性来添加，目的在于抑制电网及负载中的谐波电压或谐波电流的扰动；

C.通过第二误差比较器计算比例谐振调节器组的输出与滤波电感电流之间的差值后，作为比例控制器的输入；

D.比例控制器的输出与电网电压前馈累加后与直流电压系数乘积作为对于逆变单元中的IGBT输入，逆变单元中的IGBT输出与电网电压的累加后控制负载电压；

其中，电网电压前馈的引入，是为了增加***对电压波动的响应，前馈系数的取值范围在0.5～2之间，取值越大，控制***对电压波动的响应速度也越快，但是会减小***的稳定性；

而直流电压控制环节是通过引入直流电压系数的设计来实现的，目的是为了有效抑制直流侧电压波动对逆变器的影响，提高补偿波形的补偿精度。

通过引入直流电压系数K_dc，以实时监测跟踪直流侧电压并将其送入控制***。将其与步骤C的结果作乘积运算，来控制负载的端口电压，从而使得逆变器输出电压不会受直流侧电压的波动影响。其中，K_dc的设计如下：将电网额定工况下的直流电压值，其对应的直流电压系数K_dc取作1，当直流侧电压升高a倍时，K_dc降低为原来的1/a；当直流侧电压降低至原来的1/a时，K_dc升高为原来的a倍。K_dc的设计目的为：由于直流侧电压波动会直接影响到IGBT的输出波形，因此，通过引入直流侧电压系数K_dc，由于直流侧电压与该直流侧电压系数的乘积为1，并且保持恒定，因此，从整个控制***来看，就感觉不到直流侧电压在波动，从而有效的增加了控制***对直流侧电压波动的鲁棒性。

所述控制方法还包括以下步骤：

根据负载电流的方向判断负载性质为能量回馈型时，由数据采集单元实时检测直流侧电压，并由滞环控制器对其进行滞环控制。

所述滞环控制器滞环控制的具体步骤为：

根据逆变器补偿电压所需要的直流侧电压值来设定直流电压基准值，此基础之上设定滞环上限值以及滞环下限值；

当直流侧电压超过其设定的滞环上限值时，直流侧放电回路开关闭合，放电电阻工作，直流侧电压开始降低；

当直流侧电压降低至设定的滞环下限值时，直流侧放电回路开关断开，此时直流电压开始上升。

与现有技术相比，采用本发明的一种串联电压补偿装置的控制方法具有以下的有益效果：

1)数据采集单元检测电网电压，经过锁相环PLL，得到三相A,B,C***电压的幅值和相位信息，相位信息通过与给定值相计算，得到三相***的参考额定电压。同时，采集负载侧三相电压、电流信息，以作为控制模块单元的输入量；

2)控制单元由数字处理芯片来实现所设计的控制算法，控制算法主要包括一个比例谐振调节器组，一个直流侧滞环控制器，其中，比例谐振调节器组定义为：比例控制器+多个谐振调节器组构成。其中，谐振调节器的个数及次数根据装置处的电网电压工况而定，例如，电网中含有3,5,7次谐波电压或谐波电流，则该谐振器组由基波谐振器和3,5,7的谐波谐振器构成。该比例谐振调节器组作为双闭环控制策略的外环控制器，其输入为参考额定电压与负载实际电压之差，比例谐振调节器组的作用为使得输出尽可能的跟踪所给定的参考，以提高***的补偿精度。同时，通过加入谐波谐振器组，来有效的抑制电网或负载中的典型次谐波扰动。谐振器的输出作为内环控制器的指令，其与内环所采集的电流信号之差作为内环的输入，输出直接作用于逆变器。同时，电源电压前馈的加入，可以有效的增大***的响应速度。该控制策略的共同作用，最终将控制指令输入到被控对象上。

三、对于逆变单元的模型，由文献“徐德鸿.电力电子***建模及控制[M].北京：机械工业出版社.2007:187-200.”可知，当逆变单元的开关频率f_s远远大于调制信号的基波频率f₀，并且在不出现过调制时，信号波中的基波信号及低次谐波与逆变器输出电压中的对应分量存在固定比例关系，即K_PWM＝U_dc/U_t，其中，U_dc为直流侧电压，U_t为三角波的幅值。实际上，逆变单元在工作时，直流侧电压是一直在波动的，文中通过引入与直流侧电压相关的系数K_dc，从而有效的抑制了直流侧电压的扰动对逆变器输出的影响。

四、针对能量回馈型负载的能量注入补偿装置的问题，设置直流侧滞环控制器主要作用为控制直流侧的电压，保护装置的安全运行。具体做法为：通过数据采集单元实时检测直流侧电压，负载电流，并将其送入到直流侧滞环控制器中。根据负载电流的方向判断负载性质是否为能量回馈型。若是，则进入滞环控制器进行控制。使得直流侧电压超过其设定的上限阈值时，直流侧放电回路开关闭合，放电电阻工作，直流侧电压开始降低；当直流侧电压降低至设定的下限阈值时，直流侧放电回路开关断开，此时直流电压开始上升。如此往复，通过与直流侧上限，下限阈值相比较，从而实现了直流侧电压的有效控制。

总之，本发明的串联电压补偿装置的控制方法，针对电网故障时的串联型补偿装置，提出了一种基于比例谐振调节器组的双闭环加前馈控制器的控制方法，结合直流电压系数的设计，从而能够快速有效的保证负载端口电压的幅值的稳定；同时，针对能量回馈型负载注入串联补偿装置的多余能量，采用在装置中加入电子开关控制放电电阻硬件，通过检测负载电流方向机直流侧电压幅值大小来对电子开关的通断进行控制。该控制***应用于串联低电压穿越补偿装置中，既保持了负载端电压的稳定，又保证了补偿装置的平稳安全运行。

附图说明

图1是本发明的实施例针对的串联电压补偿装置的应用框图；

图2是本发明的串联电压补偿装置的控制方法的原理示意图；

图3是图2中的闭环控制的传递函数框图；

图4是图2中的滞环控制的流程图；

图5为本实施例的控制方法的频率特性的Bode图，其中，

图5a为G_vref(s)的频率特性，即闭环输出对指令的跟踪特性的Bode图；

图5b为G_vs(s)的频率特性，即闭环输出对电源电压扰动的抑制特性的Bode图；

图5c为G_IL(s)，即闭环输出对负载扰动的抑制特性的Bode图；

图6为控制***空载时开环传递函数的Nyquist图；

图7为本实施例的控制方法应用于风机低电压问题的补偿波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

请参阅图1所示，其中，电网电压正常的情况下，负载电流通过串联装置的旁路开关流入或流出电网，当电网出现低电压问题时，旁路开关断开，补偿装置串联接入负载和电网之间。本文所设计的控制***主要针对图中的逆变单元及直流卸放单元。其中，逆变单元主要输出逆变器的补偿电压，直流卸放单元由电子开关S和放电电阻组成，S闭环时，放电电阻与直流侧形成回路，开始放电，S断开时，电阻与直流侧断开，不进行放电。其中，I_S为***电流，I_L为负荷电流，I_IN为逆变器输出滤波电抗电流。

图2所示为整个控制***的控制框图。其中，通过电压互感器、电流互感器、霍尔等元件，将三相***的电网电压，负载电压，负载电流，以及逆变器直流侧电压等模拟量信号送入信号采集单元，经调理、滤波及AD采样之后，得到相应的数字量信息。

该数字量信息分为两部分，分别送入所设计的闭环控制器及滞环控制器。其中，闭环控制器的输入为***的电压电流，负载的电压电流，以及直流侧电压等模拟量，其输出直接送入逆变器中的IGBT，从而有效的控制负载端口电压保持稳定。滞环控制器的输入为直流侧电压，其输出送入图1中的直流卸放单元，通过控制直流开关S的通断，从而有效控制直流侧的电压值。

图3为图2所示闭环控制部分的展开电路，即本发明所提出的基于比例谐振调节器组的双闭环控制策略。其中，参考电压即为通过锁相环所得到的三相***电压的额定值，该双闭环控制***的外环为负载电压环，控制器为比例谐振调节器；内环为逆变器的电感电流环，控制器为比例控制器，同时，控制环节还结合了电网电压前馈控制，以及直流电压控制环节。

设计该控制器的目的包括：由于控制目标为负载电压，因此对于外环的控制尤为重要，因此本处详细设计了外环控制器，使其能够有效的保证补偿后电压的精度。内环的引入是为了增大***的响应速度，增大稳定裕度，因此仅通过加入比例控制器足够满足该控制要求，该比例控制器的取值范围一般为2～10之间，在该范围以内，该值取的越大，***的响应速度越快，但是对***的稳定性不利；取值越小，则效果相反。电网电压前馈的引入，是为了增加***对电压波动的响应，前馈系数的取值范围一般在0.5～2之间，取值越大，控制***对电压波动的响应速度也越快，但是会减小***的稳定性。而直流电压控制环节是通过引入直流电压系数的设计来实现的，目的是为了有效抑制直流侧电压波动对逆变器的影响，提高补偿波形的补偿精度。

所设计的比例谐振调节器组的数学模型如下，该模型由比例环节+基波谐振器+谐波谐振器组构成：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=K_P+\underset{h=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s+{\left({\mathrm{h\ω}}_0\right)}^2},$ 其中，

K_p为比例环节增益，其取值范围在1～10之内；K_i为谐振器的增益，一般取值为几十至几百，其取值越大，精度也就越高，但是***的稳定性会有所降低；ω_cut为谐振器的剪切频率，ω_cut一般取为5～20之间的数；ω₀为***基波的谐振频率，h表示***中第h次的波形，实际应用中，应根据电网的一般特性来添加，例如，电网所含有的典型电压或电流谐波为3,5,7次数谐波，则只需增加相应的3,5,7等次数的谐振器即可。

其中，h＝1时，对应的为基波谐振器，该谐振器在控制***中是必须的，目的为增加***对参考电压指令的跟随特性，同时抑制电网及负载中的实时扰动；h＝3,5，…时，为谐波谐振器组，其个数与次数应根据电网的一般特性来添加，目的在于抑制电网及负载中的谐波电压或谐波电流的扰动。

本发明中，将直流侧电压作为扰动量处理，通过设计了直流电压系数K_dc，实时监测跟踪直流侧电压并将其送入控制***。具体步骤：将电网额定工况下的直流电压值，其对应的直流电压系数K_dc取作1，当直流侧电压升高a倍时，K_dc降低为原来的1/a；当直流侧电压降低至原来的1/a时，K_dc升高为原来的a倍。K_dc的设计目的为：由于直流侧电压波动会直接影响到IGBT的输出波形，因此，通过引入直流侧电压系数K_dc，由于直流侧电压与该直流侧电压系数的乘积为1，并且保持恒定，因此，从整个控制***来看，其控制输出效果就不会感觉到直流侧的波动，从而逆变器输出电压不会受直流侧电压的波动影响，增加了控制***的鲁棒性。

图4为图2中滞环控制的详细说明，采用流程图表示，通过数据采集单元实时检测直流侧电压，并将其送入到直流侧滞环控制器中。控制***中定义负载电流I_L的方向：电流从电网流入负载的方向为正方向。控制器根据负载电流的方向，来判断负载性质为耗能型(方向为正)还是能量回馈型(方向为负)；若负载电流方向为负，则进入滞环控制器进行直流电压控制。根据逆变器补偿电压所需要的直流侧电压值来设定直流电压基准U_dc0，然后在此基础之上设定滞环上限值U_{dc_Upper}和下限值U_{dc_Lower}。当直流侧电压U_dc超过其设定的上限阈值U_{dc_Upper}时，直流侧放电回路开关S闭合，放电电阻工作，直流侧电压开始降低；当直流侧电压U_dc降低至设定的下限阈值U_{dc_Lower}时，直流侧放电回路开关S断开，此时直流电压开始上升。在电网故障期间，通过实际直流电压与直流侧上限，下限阈值循环比较，从而实现了直流侧电压的控制，保证了补偿装置的稳定性。

本发明所提控制***的频率特性如图5所示，其中，图a,b,c分别表示负载电压V_L对参考电压V_ref，负载电压V_L对源电压V_S以及负载电压V_L对负载电流I_L传递函数所对应的频率特性。从图a所示频率特性可以看出，输出电压可以很好的跟踪给定指令(50Hz),在基波处的稳态误差较小(稳态精度为0.99)，即此时***的稳态误差为1％，通过增加谐振器增益Ki，可以进一步减小***的稳态误差。即控制的精度较高；从图b的频率特性可以看出，***能够很好的抑制电网电压中的各次谐波(3,5,7)；从图c的频率特性可以看出，该控制器可以很好的抑制负载电流中的各次谐波(3,5,7)。从而达到了设计效果。

文中所设计控制***的稳定性由***开环传递函数所决定，图6为空载时***的开环奈奎斯特(Nyquist)图，从图中可以看出Nyquist曲线没有包围(-1,0j)点，且***无开环右极点，从而证明文中所设计控制***是稳定的。

图7为采用本发明所提的控制方法，针对串联型风机低电压穿越装置的补偿效果，其中，通道1为电网电压，通道2为补偿后的风机端口电压，通道3为逆变器输出的补偿电压，通道4为滞环控制的直流侧电压。从补偿结果可以看出，该控制策略可以有效的控制风机的端口电压，使其不受电网电压跌落的影响，同时，滞环控制器能够有效的抑制住直流侧电压，保证了补偿装置的稳定运行。实验结果证明了所提出的控制方法及控制***的有效性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种串联电压补偿装置的控制方法，其特征在于：

该控制方法的具体步骤为：

A.通过数据采集单元获得三相***的参考额定电压、负载侧三相电压以及逆变单元交流侧的滤波电感电流；

B.通过第一误差比较器计算负载侧三相电压与三相***的参考额定电压之间的差值后，作为比例谐振调节器组的输入；

其中，比例谐振调节器组主要由比例环节、基波谐振器以及谐波谐振器组构成，

所述比例谐振调节器组的数学模型如下，

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=K_P+\underset{h=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cut}}s+{\left({\mathrm{h\ω}}_0\right)}^2},$

其中，K_p为比例环节增益，其取值范围在1～10之间；K_i为谐振器的增益，取值为10～100之间，其取值越大，精度也就越高，但是***的稳定性会有所降低；

ω_cut为谐振器的剪切频率，ω_cut取值范围为5～20；

ω₀为***基波的谐振频率；

h表示***中第h次的波形，其中，h＝1时，对应的为基波谐振器；h＝3,5，…时，为谐波谐振器组，其个数与次数应根据电网的一般特性来添加，目的在于抑制电网及负载中的谐波电压或谐波电流的扰动；

C.通过第二误差比较器计算比例谐振调节器组的输出与滤波电感电流之间的差值后，作为比例控制器的输入；

D.比例控制器的输出与电网电压前馈累加后与直流电压系数乘积作为对于逆变单元中的IGBT输入，逆变单元中的IGBT输出与电网电压的累加后控制负载电压；

其中，前馈系数的取值范围在0.5～2之间。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

所述控制方法还包括以下步骤：

根据负载电流的方向判断负载性质为能量回馈型时，由数据采集单元实时检测直流侧电压，并由滞环控制器对其进行滞环控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：

所述滞环控制器滞环控制的具体步骤为：

根据逆变器补偿电压所需要的直流侧电压值来设定直流电压基准值，此基础之上设定滞环上限值以及滞环下限值；

当直流侧电压超过其设定的滞环上限值时，直流侧放电回路开关闭合，放电电阻工作，直流侧电压开始降低；

当直流侧电压降低至设定的滞环下限值时，直流侧放电回路开关断开，此时直流电压开始上升。