专利名称：三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制器设计技术领域，特别涉及一种三相三线制统一电能质量调节器 的控制器设计方法与装置。
背景技术：
统一电能质量调节器UPQC(Unified Power Quality Controller)是用户电力技 术发展的最新趋势之一，它集电压补偿装置、电流补偿装置和储能装置于一体，统一实现多 重电能质量调节功能。图1所示是三相三线制UPQC的原理图，它包括一个串联逆变器(图 1左边的逆变器)和一个并联逆变器(图1右边的逆变器)。串联逆变器解决电源端可能 引起的各种电压不稳定问题及电源三相不对称问题，并联逆变器解决负荷端可能引起的电 流谐波问题，负荷三相不平衡引起的负序问题，并且，还可以对负荷提供无功功率补偿。UPQC是非线性耦合系统，对其设计控制器较为复杂，由于采用的数学模型或控制 方法的原因，已有的方法都存在一个根本的不足，即当控制器受到外部扰动干扰和内部参 数漂移干扰时，其反应过于敏感，从而无法发出正确的控制指令，进而影响UPQC的正常工 作。
发明内容
本发明提供了一种三相三线制电能质量调节器的控制器设计方法与装置，以解决 现有三相三线制电能质量调节器的控制器抗扰动性能差的问题。本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，包括步骤根据三相三线制统一电能质量调节器的原理图建立其串联侧和并联侧的回路电 压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程；对所述串联侧和并联侧的回路电压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程进行 数学变换得到数学模型；根据所述数学模型求解三相三线制统一电能质量调节器的逆系统；对三相三线制统一电能质量调节器与其逆系统串联组成的伪线性系统设计控制 器并将伪线性系统的控制器带入逆系统得到逆系统的控制器；对逆系统的控制器进行所述数学变换的反变换得到三相三线制统一电能质量调 节器的控制器。优选地，采用变结构控制方法对所述伪线性系统设计控制器。本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，包括方程式建立模块，用于根据三相三线制统一电能质量调节器的原理图建立其串联 侧和并联侧的回路电压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程；数学模型构建模块，用于对所述方程式建立模块得出的串联侧和并联侧的回路电 压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程进行数学变换得到数学模型；逆系统解耦模块，用于根据所述数学模型构建模块构建的数学模型求解三相三线制统一电能质量调节器的逆系统；控制器设计模块，用于对三相三线制统一电能质量调节器与所述逆系统解耦模块 得到的逆系统串联组成的伪线性系统进行控制器的设计，将伪线性系统的控制器带入逆系 统并对得到的逆系统的控制器进行所述数学变换的反变换得到三相三线制统一电能质量 调节器的控制器。优选地，所述控制器设计模块对所述伪线性系统设计控制器采用的控制方法是变 结构控制方法。本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，由于对统一电能质 量调节器进行了逆系统解耦，使控制器的设计简单易行，又由于采用变结构控制方法来设 计控制器，使采用本控制器的统一电能质量调节器的抗扰动性能得以改善；本发明的三相 三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，由于采用逆系统解耦模块，将非线性耦合 的统一电能质量调节器补偿为线性解耦系统，使控制器的设计简单易行，又由于控制器设 计模块采用变结构控制方法来进行控制器的设计，将设计出的控制器应用到三相三线制统 一电能质量调节器，有效地提高了其抗扰动性能。
图1是三相三线制统一电能质量调节器的原理图；图2是本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法流程示意图；图3是本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法中原系统与 逆系统构成的伪线性系统的示意图；图4是本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置的结构示意 图。
具体实施例方式图1所示是三相三线制统一电能质量调节器的原理图，其由串联侧、直流侧和并 联侧组成，图中两个逆变器之间的电容即为直流侧，直流侧左边的部分为串联侧，直流侧右 边的部分为并联侧，串联侧和并联侧各有一个逆变器，每个逆变器有6个开关，对UPQC设计 控制器，即是对UPQC两个逆变器开关的通断设计控制策略，由于UPQC原系统是非线性耦合 系统，对其设计控制器比较复杂，故本发明的思路是首先对原系统进行逆系统解耦，然后对 解耦后的系统进行控制器的设计，下面结合附图与实施例详细解释本发明的方案。实施例一如图2中步骤101所示，首先从UPQC的原理图推导出如下方程式
4
+ Vdc + InaR1 + L1 diLlJdt + Uca = + Vdc + InbRl + L1 diLlb jdt + Ucb =
U、
NO
UNO + Vdc + iLlA + A diLlddt + Ucc =
NO
U
NO
CducJdt = iLla-ica Cducb/dt = iLlb-icb CducJdt = iLXc-icc
⑴
UNO+ S2A-L2diL2ah如 一 hla^2= UlaUNO+ S2bUdc-丄2 diL2hj cit — hlb^2= UlbuNO+ S2cUdc一丄2 ^Llcic打 一 hlc^2= uIc式(1)中，前三个式子为UPQC串联侧的回路电压方程，中间三个式子为串联侧的 节点电流方程，后三个式子为并联侧的回路电压方程。另外，直流侧有电流关系Cdcdudc/dt = idcl_idc2 = idcl_(s2aiL2a+s2biL2b+s2ciL2c) (2)式(1)、(2)中的字母意义如下，队、Lp C分别为串联侧的电阻、电感和电容，Cd。为 直流侧电容，％。表示N点的对地电压，Un, Q表示N'点的对地电压，ud。表示直流侧电容电 压，u。a、u。b、u。。表示串联侧变压器的三相电压，即串联侧的输出电压，Ula、Ulb、Ul。表示负荷端 的三相电压，sla, slb, Slc是串联侧逆变器上侧的三相开关量，s2a, s2b, s2c是并联侧逆变器上 侧的三相开关量，iua、iub、iu。表示流过串联侧电感Ll的三相电流，即串联侧逆变器出口的
电流，
LL2a^ 丄L2b、丄
表示流过并联侧电感L2的三相电流，即并联侧逆变器出口的电流，
i。b、icc表示流过串联侧变压器的三相电流，即串联侧的输出电流，idcl> idc2分别表示从直流 侧流向串联侧和并联侧的电流。 为便于后面的求解，对以上两式进行变换，如图2中步骤102所示，变换的方法较 常采用的是Park变换。
diLldldt = minq-UcJL1-Il1c1RJL1 -SldUdJLl dinjdt = -ω ηα -UjLx-IllqRl/Lx-SxqUdJLx
ducd M = couCq + iLid Ic-iCdIc < ducq jdt = -(Oucd + iLlq /C - icq/C
diLld M = c0iLlg - uId !L2~ iLldliI /L2+ S2dUdc / L1
⑶
diLlqIdt = -t0iLld-uIql CdcdudJdt = idcX-{s
J2 _ hlq^l,
■ + S2qUdc,
IdtLId + SlqlL2q'上式即为经Park变换后得到的UPQC在dqO坐标系下的数学模型。由式(3)可以看出，经过变换后的UPQC是一个多变量的非线性耦合系统。对于串
联侧，电感电流iud、iui除受Sld、S1(1的影响外，还受耦合电压ωΙ^Μ、-ωΙ^ω扰动和输出 电压u。d、Uca扰动的影响，输出电压u。d、Uca除受电感电流iud、iLla的影响外，还受耦合电流
"Cuca, oCu。d和输出电流i。d、icq的影响。
5
对于并联侧，电感电流im、iL2q除受S2d、S2i的影响外还受负载电压uld、u1(1的扰动 影响和耦合电压"L2i_、-coL2iud的影响。耦合，是针对多收入多输出系统而言的，耦合系统的一个输入变化对每个输出都 有影响，因此对其进行控制很难实现。逆系统方法的思想是，对不便于设计控制器的非线性的耦合系统进行解耦，即将 耦合系统的输入输出关系变为一个输入只影响一个输出，同时，利用逆系统将原系统补偿 成具有线性传递关系的线性系统，即构造出伪线性系统，然后对这个伪线性系统进行控制 器的设计，使设计变得简单。如图2中步骤103所示，针对式(3)所示的dqO坐标系下的UPQC的数学模型，其 逆系统求解过程如下
首先对式(3)作如下的定义 令状态变量 — [iud，iuq，Ucd，Ucq，^2(1' ^I^q，UdC] (4)
令控制量 = [Sld, Slq, S2d，S2J (5) 令输出
Yi = ucd = x3, J2 = ucq = x4, y3 = iL2d = x5, y4 = iL2q = x6 (6) 这样，式⑶变为
jCI
χ,
一 _ COjC^
X3 = ωχ4χ.
y^i Χ| Xj 1
X5
=肌6 —
ωχ」
丄丨1、A穴丨X2JC'j Z-/2AAΙΛCiCCL C+— C UldC R2X5 丨JCj Z^/ο丄2L2L1uUlR2X6JCqU t
(V
5
L·
χ·,=
lck\ X5U3 + X6U4
CC.
、clc^dc
对71，72分别求导，可以得到
6 可以看出，上式不显含输入，则继续对y1; Y2求二次导，得到 上式已经显含输入U1，U2。
同样，对y3，y4分别求导，得到
(10)
上式己显含输入U3, U4O 令兌二 J UPQC的逆系统方程为
式可以求解出 由逆系统的相对阶的定义可知，上述系统的相对阶为α = (α17 α2, α3, α4) = (2,2,1,1) (12)相对阶数为6，小于原系统UPQC的阶数7，这是由于原系统UPQC存在一个隐动态， 也就是式(3)中最后一个表达式，即直流侧电容电压不稳定的问题，可以采用传统的方法 来解决，即用PI调节器来控制直流侧电容电压的稳定。把构造出的逆系统串联在原系统之后，原系统就与逆系统构成了一个伪线性系 统，如图3所示，可以看出，伪线性系统可分解成如下的四个独立的子系统 这样，对伪线性系统进行控制器的设计就显得方便多了。对伪线性系统设计控制器的方法有很多种，如图2中步骤104所示，本发明三相三 线制UPQC的控制器设计方法采用对消除抖振和抗干扰有很好效果的变结构控制方法来设 计UPQC的控制器，而变结构控制方法又分很多种，此处采用计算起来简单方便的指数趋近
律方法。
取指数趋近律
(17)
(18)
Sx = C1^1 + ex = ~kxs{ - G1 sgn(…)
解得子系统I的变结构控制律为
-(C1 + Iil )x3 一 C1K (χ3 -χ*)" SgnCc1X3 — C1X3" + ^3) 同理，可设计出子系统II的变结构控制律
(19)
(20)
。2 二-(C2+、K . .
对于子系统III，令
e3 = X5 — X5
取切换面
S3 ~ C3e3 + e3
取指数趋近律
S3 = ο3 3 = -k3s3 - ε3 Sgn(S3)
得到变结构控制律为
υ3 = -k3 (X5 - χ*)- ε3 sgn(x5 -x*5)
同理可设计出子系统IV的控制律为 = —K (X6 - X:) - ·4 sgn(x6 - X::)
c2k2 (x4 - χ*) - ^2 sgn(c2x4 - + X4)
(23)
(24)
(25)
(26)
(21)
其中X:，χ；, Χ:分别为u。,，i⑶，的指令值。
式(20)、(21)、(25)、(26)即为针对逆系统解耦出的四个子系统设计的变结构控
8制律。如图2中步骤105所示，将这四个方程代入逆系统方程式(11)，则得到UPQC逆系统
的控制策略
对(27)式进行Park反变换，如图2中步骤106所示，得到UPQC的控制策略 (28)式即为本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法得出的 UPQC的控制器。本发明的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，如图4所示，包括 方程式建立模块、数学模型构建模块、逆系统解耦模块和控制器设计模块，方程式建立模块 根据三相三线制统一电能质量调节器UPQC的原理图建立其串联侧和并联侧的回路电压方 程及串联侧和直流侧的节点电流方程，数学模型构建模块对方程式建立模块建立的方程式 进行变换得出UPQC的数学模型，其中变换的方法与得到的数学模型有很多种，此处数学模 型构建模块采用Park变换并得到UPQC在dqO坐标系下的数学模型，逆系统解耦模块对数 学模型构建模块构建出的数学模型进行逆系统解耦得到UPQC的逆系统，控制器设计模块 将原系统UPQC与逆系统解耦模块解耦得出的逆系统串联组成伪线性系统，并对伪线性系 统设计控制律，设计方法有很多种，此处选择对消除抖振和抗干扰比较理想的变结构控制 方法，变结构控制方法则选用计算起来方便简单的指数趋近律方法，控制器设计模块将伪 线性系统的控制律带入逆系统即得到逆系统的控制策略，对逆系统的控制策略再进行Park 反变换得到的就是最终的UPQC的控制器。将本发明三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法应用在本发明三相 三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置上，即可实现对三相三线制统一电能质量调 节器控制器的设计。以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
权利要求
一种三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，其特征在于，包括步骤根据三相三线制统一电能质量调节器的原理图建立其串联侧和并联侧的回路电压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程；对所述串联侧和并联侧的回路电压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程进行数学变换得到数学模型；根据所述数学模型求解三相三线制统一电能质量调节器的逆系统；对三相三线制统一电能质量调节器与其逆系统串联组成的伪线性系统设计控制器并将伪线性系统的控制器带入逆系统得到逆系统的控制器；对逆系统的控制器进行所述数学变换的反变换得到三相三线制统一电能质量调节器的控制器。
2.根据权利要求1所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，其特征 在于，所述数学变换为Park变换，所述数学模型为dqO坐标系下的数学模型。
3.根据权利要求1或2所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，其 特征在于，采用变结构控制方法对所述伪线性系统设计控制器。
4.根据权利要求3所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，其特征 在于，所述变结构控制方法为指数趋近律方法。
5.一种三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，其特征在于，包括方程式建立模块，用于根据三相三线制统一电能质量调节器的原理图建立其串联侧和 并联侧的回路电压方程及串联侧和直流侧的节点电流方程；数学模型构建模块，用于对所述方程式建立模块得出的串联侧和并联侧的回路电压方 程及串联侧和直流侧的节点电流方程进行数学变换得到数学模型；逆系统解耦模块，用于根据所述数学模型构建模块构建的数学模型求解三相三线制统 一电能质量调节器的逆系统；控制器设计模块，用于对三相三线制统一电能质量调节器与所述逆系统解耦模块得到 的逆系统串联组成的伪线性系统进行控制器的设计，将伪线性系统的控制器带入逆系统并 对得到的逆系统的控制器进行所述数学变换的反变换得到三相三线制统一电能质量调节 器的控制器。
6.根据权利要求5所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，其特征 在于，所述数学变换为Park变换，所述数学模型为dqO坐标系下的数学模型。
7.根据权利要求5或6所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，其 特征在于，所述控制器设计模块对所述伪线性系统设计控制器采用的控制方法是变结构控 制方法。
8.根据权利要求7所述的三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，其特征 在于，所述变结构控制方法为指数趋近律方法。
全文摘要
本发明公开了一种三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计方法，对非线性耦合的统一电能质量调节器进行逆系统解耦，将其与其逆系统组合成具有线性传递关系的伪线性系统，再对这个伪线性系统进行变结构控制器的设计，最后反推得出三相三线制统一电能质量调节器的控制器；本发明还公开了一种三相三线制统一电能质量调节器的控制器设计装置，其逆系统解耦模块将非线性耦合的统一电能质量调节器补偿为线性解耦系统，使控制器的设计简单易行，控制器设计模块采用变结构控制方法对逆系统解耦后的线性系统进行控制器的设计，将设计出的控制器应用到三相三线制统一电能质量调节器，有效地提高了其抗扰动性能。
文档编号G06F17/50GK101916308SQ201010238688
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者吴曙亮, 彭安金, 李中华, 王奔, 鲍鹏 申请人:广州广日电气设备有限公司;王奔