基于自抗扰控制系统的单相统一电能质量调节器的制作方法

本发明涉及电网质量调节领域，具体涉及基于自抗扰控制系统的单相统一电能质量调节器。

背景技术：

随着非线性负载的应用日益广泛，电网污染问题日益严重。如何提高电能质量，有效抑制电网中的谐波、无功功率、扰动、闪变等问题，引起了研究人员的广泛关注。许多学者和专家进行了大量的理论和实验研究，致力于研究和开发补偿装置来解决电能质量问题。

通过对电力电子装置本身进行改造或装设补偿装置来解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题。这类装置有单位功率因数变流器、LC无源滤波器以及有源电力滤波器等。

对于电弧炉等引起的电压闪变，可装设静止无功补偿器进行综合治理，常用的静止无功补偿器有饱和电抗器、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器以及它们混合使用的装置等。

对于电压跌落的治理主要有两种方法：一是故障发生后迅速切断与故障点的联系，同时将负荷切换到另一路供电线路上。一般而言，采用电力电子器件作为开关将比机械断路器速度快，这方面的主要器件有固态断路器、固态切换开关等。二是采用动态电压恢复器，当电压跌落时利用储能元件中的能量进行补偿。

然而，随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，几种电能质量问题在同一配电系统中或在同一用电负荷中同时出现的情况越来越多。例如，对于同一配电母线上既有电压敏感负荷，又有非线性负荷，还有冲击负荷的情况下，就需要同时安装电压补偿装置和电流补偿装置。若针对每一种电能质量问题都分别采用一种类型的调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性，既不经济，也不现实。综合型电能质量调节装置的研究便由此产生。日本学者赤木泰文在1996年首次提出了统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)的概念。在这种系统中，一个并联变流器和一个串联变流器通过公共的直流母线组合到一起，既能补偿负载引起的谐波、无功电流问题，又能补偿电源电压骤升、骤降、不对称、闪边、波动等电能质量问题，是一种具有综合功能的电能质量调节器，是用户电力技术发展的最新趋势。

统一电能质量调节器并联侧可以补偿非线性负载引起的电流谐波及无功功率，串联侧可以补偿电网电压的暂降及谐波。但是目前的统一电能质量调节器还存在着非线性因素而造成的误差，精度不高的缺点。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于自抗扰控制系统的单相统一电能质量调节器，本发明的目的是利用自干扰控制器实现在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于自抗扰控制系统的单相统一电能质量调节器，包括：并联侧和串联侧，并联侧主要负责抑制负载电流中的谐波，使电网侧电流谐波含量少；串联侧主要确保负载电压的稳定；

并联侧包括自抗扰控制器，包括跟踪微分器、扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制；

直流侧电压参考值为一常数，从而自抗扰控制器中省去跟踪微分器；

根据直流侧与两个变换器输出电流之间的关系得到扩张状态观测器及基于观测器的反馈控制；

所述扩张状态观测器为：

其中，控制参数的标称值b0取值为1000，高增益调整参数ε＝0.01；

所述基于观测器的反馈控制为：

其中，kp＝0.12，kI＝0.12，Vdcref是直流侧电压参考值。

进一步的，所述并联侧为双闭环，具体为直流侧电压外环及内环电流环，其中，直流侧电压外环中，包括自抗扰控制器，所述自抗扰控制器输入信号为直流侧电容两端电压及直流侧电压参考值，输出为网侧电流幅值参考值，网侧电流幅值参考值与通过锁相环得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到网侧电流的参考值；

所述内环电流环中，输入信号为网侧电流的参考值，通过内环电流环，经PWM控制变换器输出，使实际电网电流跟踪网侧电流的参考值。

进一步的，所述串联侧，给定负载侧电压幅值峰值的参考值，将之与通过锁相环得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到负载电压的参考值，与实际电网电压做差得到待补偿电压参考值，之后通过PWM控制变换器输出使变压器两端电压跟踪待补偿电压参考值，从而实现了负载电压的稳定控制。

本发明的有益效果：

本发明并联侧采用双闭环，串联侧使用单闭环控制的单相统一电能质量调节器算法简单、易于实现、经济可靠，但其直流侧使用传统的PI控制器，使得控制效果不够理想。针对这一问题，设计了单相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统，达到了理想的控制效果：在负载为非线性负载，且电网电压发生畸变时，通过使用该设计的统一电能质量调节器处理后，网侧电流的总谐波畸变率(THD)由原来的3.65％降为2.43％，负载电压的THD由原来的0.96％降为0.80％。自抗扰控制系统的使用极大地提升了统一电能质量调节器的谐波治理能力。

附图说明

图1单相统一电能质量调节器；

图2(a)自抗扰控制器原理图；

图2(b)本申请设计的自抗扰控制器；

图3单相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统；

图4PI控制系统下的网侧电流；

图5自抗扰控制系统下的网侧电流；

图6PI控制系统下的负载电压；

图7自抗扰控制系统下的负载电压。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

单相统一电能质量调节器控制系统并联侧采用双闭环控制方式，该方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠。串联侧采用简单的单电压环控制方式。从而单相统一电能质量调节器控制系统如图1所示。

其中，Vdc是直流侧电容两端电压，Vdcref是直流侧电压参考值，vs是电网电压，is是电网侧电流，isref是网侧电流参考值，iL是负载电流，ic是并联侧补偿电流，vLref是理想负载电压参考值，duref是变压器两端电压参考值，du是变压器两端电压，iu是串联侧输出电流。

尽管此控制系统有上述优点，但实验显示其控制效果，尤其谐波电流治理效果并不理想，有必要对现有控制方法进行改进，以提高统一电能质量调节器的电压和电流谐波抑制能力。为了解决问题，实现目标，引入了自抗扰控制技术。

自抗扰控制器是基于对现代控制理论过多地依赖于系统数学模型的反思，并吸收了PID控制的思想精髓而提出的一种不依赖系统精确模型的控制方法，可以用来处理系统非线性、大不确定性和外部扰动等问题。

自抗扰控制器由三个主要环节组成：跟踪微分器、扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制，如图2(a)所示。

跟踪微分器可以对参考输入信号进行预处理，滤除其中的噪声信号，并得到正常的微分信号而不受噪声影响。扩张状态观测器的输入是控制输入和被控对象的输出，其输出为观测出的扩张量(总扰动)和系统的状态量。将总扰动进行前馈，状态量进行反馈。

相比之下，PID没有对参考输入进行处理，在求导时易受噪声影响；没有对被控对象输出进行处理，而自抗扰中扩张状态观测器对被控对象输出量进行了处理。以上就是反馈控制与PID的区别。简言之PID的输入量没有预处理，反馈控制的输入量进行了预处理。

跟踪微分器是为了改进PID控制中D不能物理实现的局限性而提出的。因为在许多情况下，PID中的D不便于直接测量或直接测量代价太大，同时经典差分方法在提取噪声污染信号的微分时通常会将噪声放大，PID控制在很多情况下其实只是PI控制。跟踪微分器对噪声污染的鲁棒性可以克服这一缺陷。

扩张状态观测器是普通状态观测器的推广。其不同之处在于普通观测器是通过系统输出的部分状态来估计其余状态，扩张状态观测器则不仅可以估计系统的状态，还可以估计系统内部未建模动态和外部扰动等不确定性。这是扩张状态观测器名称的来源，同时也在一定程度上解释了为什么自抗扰控制器不依赖于精确的数学模型。

如图3(有加标识量)所示，基于自抗扰控制系统的单相统一电能质量调节器，该系统包括并联侧和串联侧，并联侧主要负责抑制负载电流中的谐波，使电网侧电流谐波含量少；串联侧主要确保负载电压的稳定，比如降低电压的谐波含量。

并联侧是一个双闭环。由直流侧电压外环，即自抗扰控制器得到网侧电流幅值参考值，将之与通过锁相环(PLL)得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到网侧电流的参考值，之后通过内环电流环，经PWM控制变换器输出，使实际电网电流跟踪参考值。

串联侧，给定负载侧电压幅值峰值的参考值，将之与通过锁相环(PLL)得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到负载电压的参考值，与实际电网电压做差得到待补偿电压参考值，之后通过PWM控制变换器输出使变压器T两端电压跟踪待补偿电压参考值，从而实现了负载电压的稳定控制。

本发明采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。

针对本系统的自抗扰控制见图2(b)(图2(b)实际上是公式3和公式4的图形化表示)：首先，扩张状态观测器根据控制输入和系统输出观出系统的各个状态量以及扩张状态(系统总扰动)，将总扰动进行前馈，将状态量进行反馈，由反馈组合(系统输入与扩张状态观测器观测的状态量的关系组合)及前馈得到控制输入，从而控制被控对象，使系统输出跟随系统参考输入变化。

单相统一电能质量调节器的自抗扰控制：根据直流侧与两个变换器输出电流之间的关系，可得

其中，C是直流侧电容，Vdc是直流侧电压，ic为并联侧变换器输出电流，iu为串联侧变换器输出电流，SP、SS分别为并联侧和串联侧开关函数，f为非线性因素等扰动，化简可得

式中，u为控制量，b为控制参数，ω为系统总扰动。

由于直流侧电压参考值为一常数，从而在设计过程中省去跟踪微分器。扩张状态观测器设计为:

其中，y是直流侧电容两端电压的实时值，是y的观测值，是观测的总扰动，控制参数的标称值b0根据直流侧电压数量级取值为1000，高增益调整参数根据系统时间刻度取值为ε＝0.01。

基于观测器的反馈控制设计为：

其中，控制器参数kp＝0.12，kI＝0.12与原PI控制器参数相同。至此，自抗扰控制系统设计完成。单相统一电能质量调节器的自抗扰控制系统如图3所示。

为了验证设计的实用性，在MATLAB仿真平台进行了仿真实验。设备参数为：电网电压220V、50Hz，负载为不控全桥整流电路，直流侧电容2000μF，并联侧滤波电感4mH，串联侧滤波电感4.7mH。

实验结果如图4-7所示，当负载为非线性负载且电网电压发生跌落和畸变时，经使用该设计的统一电能质量调节器处理后，网侧电流的总谐波畸变率(THD)由原来的3.65％降为2.43％，负载电压的THD由原来的0.96％降为80％。自抗扰控制系统的使用极大地提升了统一电能质量调节器的谐波治理能力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。