两电平UPQC自抗扰无源控制策略研究

刘金昌,王久和,*,常文慧,陈东雪

(1.北京信息科技大学 自动化学院,北京 100192;2.燕京理工学院 信息科学与技术学院,河北 三河 065201)

0 引言

随着工业的发展,具有时变特性的负载和非线性负载在电力系统中的应用越来越广泛,在其投入使用的过程中会产生大量的电流谐波,当电网电压工作在暂升、暂降、谐波等非理想状态时,会造成电能质量的下降[1-2]。统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)可以兼具有源滤波器和动态电压恢复器的功能,并且可处理电压电流在内的多重电能质量问题[3]。由于UPQC具有处理复杂电能质量问题且兼具经济效益等优点被广大学者关注[4]。

文献[5]对串并联逆变器采用PI双闭环控制策略,电流补偿结果谐波畸变率相对较高。为提高UPQC系统的补偿效果,文献[6]将无源控制(Passivity-Based Control,PBC)策略用于电流环,提高系统的补偿性能。无源控制从系统的结构和能量角度出发,根据能量平衡原理,利用注入虚拟阻尼和能量分配提高系统的可控性和鲁棒性[7]。但PI-PBC控制同PI控制类似,没有克服超调量和快速性之间的矛盾[8]。由于PI控制器跟踪交流信号能力有限,文献[9]在PI控制器的基础上增加并联谐振环节,改进了补偿效果,但只能有针对性地提高对特定次谐波补偿能力,且需要依据经验设计。

采用非线性控制策略也可提高UPQC系统的补偿精度,但是使控制器设计变得复杂。文献[10]中,UPQC采用反馈线性化和滑模控制相结合得到的控制效果较优,但控制律较复杂,需将非线性系统解耦成线性系统。非线性系统线性化解耦时要选定合适的非线性坐标和状态反馈量[10]。滑模控制是一种有效的非线性控制方法,并且实现简单,适用于UPQC控制系统,但是传统的方法容易产生“抖振”问题而降低UPQC的性能,一般需要对控制器进行改进来削弱“抖振”[11]。因为UPQC采用常规的双滞环控制策略存在误差电流在内环不受控制的问题,所以文献[12]对双滞环控制技术进行改进,在电流内环引入了自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC),提高了补偿精度。自抗扰控制可以对系统状态和未知扰动进行实时估计,并通过状态误差的非线性组合获得系统的自抗扰控制律[13]。为克服上述控制策略的不足,本文将自抗扰和无源控制策略结合起来,提出UPQC自抗扰无源控制(ADRCPBC)策略。ADRC-PBC既可提高系统的快速跟踪和抗扰能力,又可保证系统在电网电压故障和负载突变状态下的稳定性能。仿真实验结果证明了ADRC-PBC控制策略的可行性。

1 UPQC拓扑结构及数学模型

1.1 UPQC拓扑结构

UPQC的拓扑结构如图1所示,它是由串、并联逆变器、直流储能环节和一个用于连接电网和串联逆变器的变压器构成。其中:usa、usb、usc是交流电网每相的相电压;VT11～VT16为串联逆变器每相桥臂的开关管;R1、L1为串联逆变器输出电感器的内阻和电感;ia1、ib1、ic1为串联逆变器输出电流;uca、ucb、ucc串联逆变器补偿电压即变压器一次侧电压;R1、L1为滤波电容器;uLa、uLb、uLc为补偿后的负载电压;iLa、iLb、iLc为流经非线性负载的电流;VT21～VT26为并联逆变器每相桥臂的开关管;R2、L2为并联逆变器输出电感器的内阻和电感。ia2、ib2、ic2为并联逆变器输出的补偿电流,用于谐波电流的抑制;共用的直流储能电容C通过并联逆变器与电网进行能量交换,维持电压稳定。

图1 UPQC拓扑结构Fig.1 UPQC topology

1.2 UPQC数学模型

2 控制器设计

2.1 电流内环控制器设计

2.2 电压外环ADRC自抗扰控制器的设计

为提高补偿精度,外环电压环采用ADRC控制器来补偿系统的干扰。ADRC控制器为无源控制器提供电流参考值和控制电压达到期望值,以直流侧电容电压控制为例,其控制原理图如图2所示。

图2 一阶ADRC直流侧电压控制框图Fig.2 The first order ADRC of dc voltage block control

跟踪微分器(Tracking Differentiator,TD)可以有效地提高响应速度和减小超调量,可采用TD模块来产生电压的参考值[14],其形式如下:

扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)可以实时估计直流储能环节的电压值和系统总扰动。ESO的一个输入为直流储能环节电容电压的输出udc,另一个输入为维持直流电容稳定的有功电流值。ESO的输出为直流储能环节电容电压的估计值的和系统总扰动的估计,观测器方程为

式中:udc为直流储能环节电容电压输出值;z1为udc的估计值;e1为电压估计值z1和直流储能环节电容实际电压udc误差;z2为系统总扰动的观测值;b0为反应系统误差补偿能力的因子,参数选取值较大时,可提高控制量的响应速度,当选取过大时,控制量会出现较大的波动;β1影响响应速度,当控制量的输出响应速度较慢时,可增大β1的值,但当其值选取过大时,控制量相比于期望值会出现超调、振荡;β2影响静差,增加其值,控制量与期望值的误差越小[15]。

非线性状态误差反馈(Nonlinear State Error Feedback,NLSEF)的输出由v1和v2以及扰动的估计量确定,控制律为

式(15)～(17)中,非线性函数fal(e,α,δ)为

综上,通过ADRC控制器得到的有功电流,将其叠加到基波正序电流iLfd上再减掉负载有功电流iLd得到PBC控制器所需的指令电流,原理图如图3所示。

图3 直流侧电压外环控制原理图Fig.3 DC side voltage control schematic diagram

同理,串联逆变器电压环采用自抗扰控制,其控制原理如图4所示。

图4 串联逆变器电压环控制原理图Fig.4 Voltage loop control schematic diagram of series inverter

通过对 ADRC-PBC控制器进行分析,得到UPQC的控制框图,如图5所示。

图5 UPQC控制原理图Fig.5 UPQC control schematic diagram

3 仿真研究

将搭建好的电路模型在MATLAB仿真平台进行仿真,验证ADRC-PBC控制的有效性。UPQC主电路参数见表1,控制器参数见表2。仿真模拟电网电压故障状态:0～0.1 s,电网电压发生畸变,基波电压中增加了5次和7次谐波。0.2～0.3 s基波电压幅值增加0.25倍,0.3～0.4 s基波电压幅值下降0.25倍。0～0.5 s三相不控整流电路,在0.5～0.6 s负载侧并联一个R=12Ω,L=6 mH负载。仿真得到电网电压和负载电流的波形图分别如图6(a)和图6(b)所示。

表1 UPQC仿真参数Tab.1 UPQC simulation parameters

表2 控制器参数Tab.2 Controller parameters

图6 电网电压及负载电流波形图Fig.6 Waveform diagram of grid voltage and load current

3.1 直流侧电容电压的仿真

在电网受污染条件下,直流储能电容波形如图7(b)所示。对比PI-PBC和ADRC-PBC控制策略,直流储能环节的电容电压都得到很好的控制,但是PI-PBC可使直流侧电容电压快速达到期望值,但电压有较大的超调量。采用ADRC-PBC控制策略,直流储能环节电容电压快速无超调到达期望值。当电网电压含有谐波时,仍然稳定在期望值,当电网电压暂升和暂降时,直流侧电容需要通过并联逆变器同电网交换能量。电容电压产生了略微的升高和降低。ADRC-PBC控制器,电容电压的波形范围小于10 V,波动量在2%以内,优于PI-PBC控制策略。此外ADRC-PBC控制器系统在系统发生扰动时,恢复时间更短,相较于PIPBC控制器具有更强的鲁棒性。仿真结果表明,在电网电压含有谐波和暂升、暂降等故障状态,ADRC-PBC控制器对直流侧电容电压的稳定效果更好。

图7 三相电网电压受污染和负载突变状态时的直流侧电容电压波形图Fig.7 DC side capacitor voltage waveform of three-phase power grid under voltage pollution and load mutation

3.2 电网电压补偿仿真

电网电压补偿结果如图8、图9所示。图8(a)和图9(a)为故障状态下的三相电网电压波形图;图8(b)和图9(b)为故障状态时a相期望补偿的电压波形;图8(c)和图9(c)为采用ADRCPBC和PI-PBC控制策略串联逆变器补偿的a相的电压波形。对比可知,不论采用PI-PBC还是ADRC-PBC控制策略,负载电压波形都接近于正弦。但采用ADRC-PBC控制策略,补偿后的负载电压更平顺,谐波更小。

图8 ADRC-PBC控制,电压补偿波形图Fig.8 ADRC-PBC control,voltage compensation waveform diagram

图9 PI-PBC控制,电压补偿波形图Fig.9 PI-PBC control,voltage compensation waveform diagram

3.3 负载电流补偿仿真

直流储能环节电容电压的稳定及串联逆变器的稳定运行保证了负载电压质量。三相电网受污染时,及非线性负载突变前后的电流波形如图(10),图(11)中的图(a),图(b)所示;图(c)为 a相期望补偿的电流;图10(d)、图11(d)、图10(e)和图11(e)分别为采用ADRC-PBC和PI-PBC控制策略,a相补偿电流波形和补偿后的电网电流波形。对比可知,采用ADRC-PBC控制策略,电网电流的波形更平滑,补偿性能更好。

图10 ADRC-PBC控制,电流补偿波形图Fig.10 ADRC-PBC control,current compensation waveform diagram

图11 PI-PBC控制,电流补偿波形图Fig.11 PI-PBC control,current compensation waveform diagram

通过FFT分析补偿后的负载电压和电网电流,得到负载电压和电流的总畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)如表3所示。对比表明,在负载电压故障和负载突变状态下,ADRCPBC控制策略的补偿效果优于PI-PBC控制策略。

表3 两种控制策略补偿后的负载电压和电流总畸变率Tab.3 The THD of voltage and current compensated by two control strategies

4 结论

本文对电网电压故障状态和带非线性负载的UPQC系统进行了仿真验证,设计了ADRC-PBC控制器,可得到如下结论:

1)ADRC-PBC控制策略能使直流侧电容电压快速无超调稳定到期望值。此外,在电网电压故障时,ADRC-PBC控制器保证了直流环节的电压稳定。电压波动幅度更小,恢复速度更快,可见,ADRC-PBC控制器具有更强的鲁棒性。

2)相比于PI-PBC控制,本文所采用的控制策略使串联逆变器补偿后的负载电压和并联逆变器补偿后的负载电流畸变率更小,使负载得到优质可靠的供电,减小了谐波电流带来的危害。