CN105656035A - 一种统一电能质量控制器的控制电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种统一电能质量控制器的控制电路和方法，包括控制回路和主回路，所述控制回路与主回路相连接，其中，控制回路包括带通滤波器；电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。本发明起到增强阻尼特性的作用，进行实现UPQC的稳定控制。

Description

一种统一电能质量控制器的控制电路和方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种统一电能质量控制器的控制电路和方法。

背景技术

统一电能质量控制器(UnitedPowerQualityConditioner,UPQC)是一个串联有源电力滤波器和一个并联有源电力滤波器之间通过公共直流母线电容连接构成的背靠背结构，其主要功能是补偿电压、电流质量问题，具体为电网电压波动、畸变、负载无功和谐波电流等。

UPQC串联部分的输出电压经过LC滤波器滤除高频分量后再串联到***中。但是LC滤波器的引入会使UPQC呈现欠阻尼特性，对***的稳定性造成影响。为了实现UPQC的阻尼控制，串联部分常采样滤波电容电流进行电压外环电流内环的双闭环控制，同时为了起到对装置过流保护效果，还需要进行电感电流采样，这样不仅增加了***的硬件成本，也使控制器更为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种统一电能质量控制器的控制电路和方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种统一电能质量控制器的控制电路，包括控制回路和主回路，所述控制回路(10)与所述主回路(20)相连接，其中，所述控制回路(10)包括带通滤波器；

电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

本发明的有益效果是：将采样电流通过带通滤波器后将谐振电流反馈至***调制波中进行闭环控制，起到增强阻尼特性的作用，进行实现UPQC的稳定控制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括：

所述电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值，将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)，所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路(20)中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)，所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路(10)中。

进一步，还包括：

根据所述负载输出电压V₂(s)和所述电压环给定值得到***闭环传递函数。

进一步，根据下式计算所述***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种统一电能质量控制器的控制方法，包括如上所述的统一电能质量控制器的控制电路，所述方法包括：

电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流；

将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到所述统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

本发明的有益效果是：将采样电流通过带通滤波器后将谐振电流反馈至***调制波中进行闭环控制，起到增强阻尼特性的作用，进行实现UPQC的稳定控制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括：

所述电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值；

将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)；

所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)；

所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路中。

进一步，还包括：

根据所述负载输出电压V₂(s)和所述电压环给定值得到***闭环传递函数。

进一步，根据下式计算所述***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种统一电能质量控制器的控制电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种统一电能质量控制器的控制方法流程图；

图3为本发明实施例提供的***闭环传递函数的波形示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种统一电能质量控制器的控制方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、控制回路，2、主回路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

针对UPQC串联部分控制中由于LC滤波器引起的欠阻尼特性，本申请通过采样电感电流，通过带通滤波器后将谐振电流反馈至***调制波中进行闭环控制，起到增加***阻尼特性的作用，进而实现UPQC的稳定控制。具体可参照如图1所示的一种统一电能质量控制器的控制电路示意图。

控制电路包括控制回路10和主回路20，控制回路10与所述主回路20相连接，控制回路10包括带通滤波器。

具体为，电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

这里，当***出现谐振时，会引起电感电流I_f(s)出现谐振电流，将电感电流I_f(s)经过带通滤波器后是对谐振信息的提取，然后引入控制环节进行闭环控制，尽可能降低UPCQ串联部分输出电压中谐振电压的含量，进而提高其输出电压质量。

本实施例中，电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值，将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)，所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路20中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)，所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路10中。

在本实施例中，根据负载输出电压V₂(s)和电压环给定值得到***闭环传递函数。***闭环传递函数根据公式(1)可知，并通过公式(2)和公式(3)最终得到***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}---\left(1\right)$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。

这里，根据公式(1)可得到闭环传递函数的波特图，如图3所示，高频的谐振成分得到有效抑制，同时不影响基波成分，在不增加传感器数量的基础上有效的改善了***阻尼特性，增加了UPQC串联电压补偿的稳定性，提升补偿电压质量。

本发明实施例提供的统一电能质量控制器的控制电路，将电感电流I_f(s)通过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到UPQC串联部分的输出电压V_s(s)，从而起到增加***阻尼特性的作用，进而实现UPQC的稳定控制。

图2为本发明实施例提供的一种统一电能质量控制器的控制方法流程图。

参照图2，包括如上所述的统一电能质量控制器的控制电路，即包括控制回路和主回路，所述方法包括：

步骤S201,电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流。

步骤S202,将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到所述统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

作为对本申请实现方式的细化，本申请还提出了另一种统一电能质量控制器的控制方法，在该方法中，主回路即是反应了UPQC串联部分、电网和负载之间电压电流的关系，控制回路采用负载电压外环电感电流内环的双环控制方式，具体地，如图4所示，该方法包括：

步骤S401，所述电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值。

步骤S402，将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

步骤S403，所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)。

步骤S404，所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路中。

在本实施例中，根据所述负载输出电压V₂(s)和所述电压环给定值V₂ ^*(s)得到***闭环传递函数。***闭环传递函数根据公式(4)可知，并通过公式(5)和公式(6)最终得到***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}---\left(4\right)$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。

本发明实施例提供的统一电能质量控制器的控制方法，将电感电流I_f(s)通过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到UPQC串联部分的输出电压V_s(s)，从而起到增加***阻尼特性的作用，进而实现UPQC的稳定控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种统一电能质量控制器的控制电路，其特征在于，包括控制回路和主回路，所述控制回路(10)与所述主回路(20)相连接，其中，所述控制回路(10)包括带通滤波器；

电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流，将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

2.根据权利要求1所述的一种统一电能质量控制器的控制电路，其特征在于，还包括：

所述电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值，将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)，所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路(20)中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)，所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路(10)中。

3.根据权利要求2所述的一种统一电能质量控制器的控制电路，其特征在于，还包括：

根据所述负载输出电压V₂(s)和所述电压环给定值得到***闭环传递函数。

4.根据权利要求3所述的一种统一电能质量控制器的控制电路，其特征在于，根据下式计算所述***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。

5.一种统一电能质量控制器的控制方法，包括如权利要求1所述的统一电能质量控制器的控制电路，其特征在于，所述方法包括：

电感电流I_f(s)经过带通滤波器G_B(s)得到滤波的电感电流；

将电压环给定值与变压器原边电压V₁(s)的差值、电感电流环输出值和所述滤波的电感电流进行叠加，并通过变压器输出增益k_i得到所述统一电能质量控制器UPQC串联部分的输出电压V_s(s)。

6.根据权利要求5所述的一种统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，还包括：

所述电压环给定值与反馈采样值V₂(s)进行比较得到电感电流指令值；

将所述电感电流指令值通过电流环调节得到所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)；

所述UPQC串联部分的输出电压V_s(s)在所述主回路中经过滤波器和变压器得到负载输出电压V₂(s)；

所述负载输出电压V₂(s)作为电压环反馈值反馈到所述控制回路中。

7.根据权利要求6所述的一种统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述负载输出电压V₂(s)和所述电压环给定值得到***闭环传递函数。

8.根据权利要求7所述的一种统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，根据下式计算所述***闭环传递函数：

$G_{V_2}\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{{V_2}^{*}\left(s\right)}=\frac{(L_{l}s+r_l)({\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i+{\mathrm{nk}}_i)}{a_1{s}^3+a_2{s}^2+a_{3}s+a_4}$

$G_B\left(s\right)=({\mathrm{\ω}}_0/Q)/(s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=(L_l+n^2{L}_t)L_f{C}_f\\ a_2=(L_l+n^2{L}_t)r_f{C}_f+(r_l+n^2{r}_t)L_f{C}_f+k_c{k}_i(L_l+n^2{L}_t)L_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{L}_t{C}_f\\ a_3=(r_l+n^2{r}_t)r_f{C}_f+n^2(L_f+L_t)+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)L_l+k_c{k}_i(r_l+n^2{r}_t)C_f+G_B{k}_i{C}_f{r}_l+k_i{n}^2{r}_t{C}_f\\ a_4=n^2{r}_t+n^2{r}_f+n^2{k}_c{k}_i+(1+{\mathrm{nk}}_v{k}_c{k}_i)r_l+G_B{k}_i{n}^2\end{array}\right.$

其中，为所述***闭环传递函数，V₂(s)为负载输出电压，为电压环给定值，L_l、r_l为负载阻抗，k_v为电压环比例***，k_c为电流环比例系数，k_i为所述变压器输出增益，a₁、a₂、a₃和a₄为参数因子，n为变压器的线圈圈数，G_B(s)为带通滤波器，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，L_f、r_f为所述UPQC的串联滤波阻抗，C_f为所述UPQC的串联滤波电容，L_t、r_t为变压器漏阻抗。