基于混合灵敏度统一电能质量调节器控制方法研究.pdf

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1、中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集基于混合灵敏度的统一电能质量调节器控制方法研究崔健，万健如，刘英培天津大学电气与自动化工程学院，天津300072摘要统一电能质量调节器(UPQC)是对电网电压中的骤升、骤降、闪变以及负载电流中的谐波及无功分量等电能质量问题进行综合补偿的装置，但其自身的参数变化及外部干扰会对其补偿效果产生影响。本文在对UPQC数学模型进行简化的基础上，设计一种混合灵敏度的H∞控制器，在保证系统的鲁棒稳定性的同时，兼顾了H∞控制干扰抑制的性能。仿真结果表明，与常规控制方法相比，该方法显示了良好的鲁棒性和干扰抑制性。关键词统一电能质量调

2、节器，混合灵敏度，H∞控制，加权函数1．引言因此在串联部分和并联部分出口侧都需加LC滤波器，电能质量问题近年来受关注程度越来越高，日本以滤去逆变器的高频开关谐波。学者Akagi提出采用并联和串联双有源滤波器结构的[1]统一电能质量调节器(UPQC)概念。UPQC是一种性能优良的新型电力电子装置，能够对电力系统中易出现的多种电压、电流质量问题进行综合补偿，但在采用常规控制方法补偿后存在波形谐波含量较多、抑制系统参数摄动影响的能力较差等问题。这主要是由于电网侧电压、负载侧电流扰动及系统自身的参数变化不易预测，常规控制方法难以维持UPQC的鲁棒稳定图1UPQC拓扑结构

3、性及干扰抑制性，因而补偿效果得不到保证。本文在对于图1所示的三相三线制供电系统，可将其变对混合灵敏度进行分析的基础之上，从系统参数扰动换到两相静止参考坐标d-q下，转换后的UPQC系统和抑制外部干扰的角度出发，提出一种针对UPQC的d轴等效电路如图2所示，q轴等效电路与d轴类似。基于混合灵敏度设计的H∞控制方法，该方法在保证系统鲁棒稳定性的同时，兼顾H∞控制干扰抑制的性能。2．UPQC拓扑结构及数学模型UPQC拓扑结构如图1所示，由两个通过电容器耦合的背靠背电压型变换器组成。其中上游侧变换器通过耦合变压器串联在电网与负载之间，主要用来调图2UPQC等效电路(d轴

4、)节负载电压幅值和补偿电网电压谐波，以保证供给负由图2可见，该模型不仅包括了电网、负载和载稳定平衡的三相正弦电压。下游侧变换器并联连接UPQC的两个PWM变换器，还包括了串、并联侧出在负载上，主要作用是补偿负载谐波电流和基波无功。口处的LC滤波电路。根据这个等效电路列写状态方补偿过程中要保证中间直流母线电容Cd电压稳定，以程，将是一个五维的状态方程。这种情况下计算量相使流入电网的电流是平衡三相正弦电流[2,3]。由于采用对较大，所以本文对图1所示的UPQC主电路结构进PWM调制方式，变换器输出除了补偿分量外，还含有行如下等效化简。将图1所示的UPQC主电路串联侧

5、变换器开关频率和开关频率整数倍附近的高频谐波，出口处的LC滤波网络移到主支路上，其电感及电感中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集的等效电阻与串联侧的变压器漏感抗合并，电容C1则被控对象开环传递函数，K(s)为控制器，y为系统输出，[4]相当于与并联侧滤波电容C2并联。即：u为控制输入，r为参考输入，ω为干扰输入，e为控C1⋅C2制误差信号。则由ω到y的传递函数为：R=R+R；L=L+L；C=。XS1XS1XC+C12y(s)1S(s)==(2)转换到dq轴之后，得到的简化等效电路模型如图3所ω(s)1+P(s)⋅K(s)示。从图3可以看出，该电路模型

6、相比图2少了一个电容支路。式(2)被称为灵敏度函数表达式，S(s)为灵敏度函数，体现干扰项对系统输出的影响，因此减小S(s)即表示对干扰的抑制。然而过分强调干扰抑制性能必然引起控制增益过高的现象，而由此带来的问题，可以看成是鲁棒稳定性问题。鲁棒稳定性与干扰抑制性能同是H∞控制的重要内容。鲁棒稳定性所针对的是模型内部干扰，具体可表现为被控对象的不确定性；干扰抑制性能所针对的图3简化的UPQC等效电路(d轴)是模型外部干扰，在UPQC系统中可看作是电压与电根据图3列写状态方程，以两个PWM变换器的流的变化。同时抑制干扰和被控对象的不确定性称为输出电压uss、upp作

7、为控制输入u，以需要补偿的电源电流is与负载电压ul作为测量输出y，并将电网电压H∞控制的混合灵敏度问题。在混合灵敏度设计中，令：u与负载电流i看作不可预测的干扰输入ω，这样得−1slT(s)=[1+P(s)⋅K(s)]⋅P(s)⋅K(s)(3)到的仅仅是一个三维状态方程：比较式(2)、式(3)，有S(s)+T(s)=1。因此，将T(s)x"=Ax+Bω+Du(1)d0d0d0d称为互补灵敏度函数。混合灵敏度设计是通过适当地TT其中：x=[]iui；u=[]uu；ds_dl_dcl_ddss_dPP_d选择加权函数，对S(s)和T(s)进行频率函数整形。由于⎡R

8、X1⎤在工程实际中，干扰