阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法

1.本公开涉及电力电子领域，更具体地是指一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法，用以综合提升高敏感、大容量用户的供电质量。


背景技术：

2.近年来，配电网源网荷的多元化趋势使供电质量问题从单一指标向综合事件发展，以半导体、精密制造、数据中心等为典型代表的高敏感、大容量用户对实现多类型供电质量综合治理的需求日趋强烈，供电质量提升技术呈现出由单一、分散、低压向综合、集中、中高压演进趋势。在现有的中压供电质量综合提升系统中，abb公司推出的中压ups产品(三相系统)以其能综合治理电能质量问题、输出功率高、运行损耗小等优点被广泛关注，该方案基于隔离阻抗和逆变器拓扑，实现了兆瓦级额定功率，但对其运行控制的现有研究较少。
3.基于上述拓扑，对一种阻抗隔离型中压供电质量综合提升系统(以下统称“系统”)的负载电压控制进行研究。区别于传统微网逆变器，系统中控制目标为升压变压器高压侧负载电压，当电网电压发生大幅扰动或负载功率宽范围变化等暂态过程时，导致升压变压器电流发生大幅变化，而常规电压电流双闭环控制难以实时优化升压变压器电流经升压变压器漏感对负载电压的影响，系统电压控制响应速度慢，进而造成负载电压跌落或骤升过多，甚至不能满足敏感负载电能质量要求。
4.因此，有必要结合系统数学模型，提出一种阻抗隔离型中压供电质量综合提升系统并网和离网运行的负载电压控制方法，以改进常规的电压电流双闭环控制，综合提升系统输出的负载电压质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法，可以综合提升高敏感、大容量用户的供电质量。
6.本发明实现上述功能的技术方案如下：
7.一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法，所述负载电压控制的目标为定负载电压和定有功功率控制，控制方法包括有功功率控制、电压电流双闭环控制、谐振抑制控制和电压优化控制，所述方法包括以下步骤：
8.步骤1：将电网频率和逆变器输出有功功率输入有功功率控制中，输出为所述负载电压控制的参考相角θ
ref
，其中，θ
ref
作为升压变压器高压侧电气量的dq变换相角；
9.步骤2：将倍的负载电压有效值和0分别作为电压电流双闭环控制中电压外环控制的d轴和q轴输入量；将电压外环控制的d轴和q轴输出量分别作为电流内环控制的d轴和q轴参考电流，并在电流内环控制的d轴和q轴输出量中分别叠加谐振抑制控制的d轴和q轴分量；
10.步骤3：采集升压变压器电流并经dq变换，所述升压变压器电流的d轴和q轴分量分别经电压优化控制的补偿量后叠加至电流内环控制的d轴和q轴输出量中，所述升压变压器
电流的q轴和d轴分量分别经电压优化控制的解耦量后叠加至电流内环控制的d轴和q轴输出量中；
11.步骤4：电流内环控制的d轴和q轴输出量经步骤2和3的叠加后，再经dq反变换作为所述逆变器参考调制电压。
12.进一步的，所述定负载电压为保证升压变压器高压侧负载电压有效值的稳定，其中，所述负载电压有效值的参考值可以选取为负载端额定电压、或者为经电压限幅器后的电网电压有效值，所述电压限幅器具有满足负载运行要求的电压上限值和下限值。
13.进一步的，所述定有功功率为保证系统在并网和离网运行时满足功率运行要求的有功功率控制，在所述系统并网运行时，有功功率输出参考值设定为0，稳态运行时系统不提供负载有功功率，所述负载有功功率由电网传输；在所述系统离网运行时，有功功率输出参考值根据负载运行功率要求可以设定达兆瓦级。
14.进一步的，在所述系统并网运行时，所述负载电压的频率跟踪值为经频率限幅器后的电网电压频率，所述频率限幅器具有满足负载运行要求的频率上限值和下限值；在所述系统离网运行时，所述负载电压的频率跟踪值可以选取为电网额定电压频率，或者是满足负载运行频率上下限要求的频率固定值。
15.进一步的，所述电压电流双闭环控制建立在两相dq旋转坐标系下，当所述系统中升压变压器高压侧和低压侧绕组均采用星形连接时，控制中电压和电流的dq变换相角均采用所述参考相角θ
ref
；当升压变压器高压侧绕组采用三角形连接，而低压侧绕组采用星形连接时，控制中位于升压变压器高压侧的电压和电流的dq变换相角均采用所述参考相角θ
ref
，控制中位于升压变压器低压侧的电压和电流的dq变换相角均采用经滞后30
°
的所述参考相角θ
ref
；当升压变压器高压侧绕组采用星形连接，而低压侧绕组采用三角形连接时，系统控制中位于升压变压器高压侧的电压和电流的dq变换相角均采用所述参考相角θ
ref
，系统控制中位于升压变压器低压侧的电压和电流的dq变换相角均采用经超前30
°
的所述参考相角θ
ref
。
16.进一步的，所述电压电流双闭环控制包括电压外环控制和电流内环控制，所述电压外环控制采用pi控制，所述电压外环控制的反馈为负载电压负反馈；所述电流内环控制可以采用pi控制、或者采用p控制，所述电流内环控制的反馈可以采用滤波电感电流负反馈、或者是滤波电容电流负反馈、或者是经升压变压器的电流负反馈、或者是负载电流负反馈。
17.进一步的，在所述电流内环控制的d轴和q轴输出量中叠加谐振抑制控制，具体的，所述谐振抑制控制是通过模拟滤波电容串联或并联电阻、或者是滤波电感串联或并联电阻的阻尼效果，所述谐振抑制控制可以是滤波电容电流负反馈、或者是滤波电容电压负反馈、或者是滤波电感电流负反馈。
18.进一步的，所述电压优化控制包含补偿量g
l
(s)的反馈和解耦量g
ωl
(s)的反馈，具体的，所述升压变压器电流的d轴和q轴分量经补偿量g
l
(s)后作为正反馈量分别叠加至电流内环控制的d轴和q轴输出量，以分别补偿所述升压变压器电流的d轴和q轴分量作用于升压变压器漏感对负载电压的影响；所述升压变压器电流的d轴分量经解耦量g
ωl
(s)后作为正反馈量叠加至电流内环控制的q轴输出量，以解耦所述升压变压器电流的d轴分量作用于升压变压器漏感对负载电压的影响；所述升压变压器电流的q轴分量经解耦量g
ωl
(s)后作
为负反馈量叠加至电流内环控制的d轴输出量，以解耦所述升压变压器电流的q轴分量作用于升压变压器漏感对负载电压的影响；其中，所述升压变压器电流为升压变压器高压侧电流、或者是升压变压低压侧电流。
19.进一步的，所述电流内环控制的d轴和q轴输出量中叠加所述电压优化控制和谐振抑制控制后，经dq反变换到三相静止坐标系下，生成逆变器参考调制电压，所述dq反变换相角与升压变压器低压侧dq变换相角一致。
20.进一步的，所述逆变器参考调制电压经调制技术后生成逆变器开关管的驱动信号，控制逆变器开关管的导通和关断，所述调制技术为svpwm、或者是spwm、或者是pwm调制。
21.与现有技术方案相比，本发明能够取得如下有益效果：
22.1)实现系统并网稳态有功功率保持为0，极大减小系统运行损耗问题；引入谐振抑制控制不仅能够有效抑制电网扰动或负载宽范围变化等暂态扰动时的谐振现象，显著提升系统稳定性，且控制只改变谐振频率附近的特性，不会影响其余附加控制的性能；
23.2)常规电压电流双闭环控制难以快速补偿逆变器输出电流经升压变压器漏感对负载电压扰动的问题，所提电压优化控制能够实时响应补偿负载电压受扰动量影响，在电网骤升、三相短路故障等严重工况下，仿真验证了控制具有良好的输出电压实时优化效果；
24.3)在兆瓦级负载功率变化和电网发生多种电能质量问题时，系统能够保持高质量的负载电压输出和功率支撑，验证所提控制策略对供能质量综合提升的有效性和可行性，为高功率特性和控制性能稳定的中压供电质量综合提升系统提供了研究基础。
附图说明
25.图1是本发明阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法的原理示意图；
26.图2是本发明中阻抗隔离型中压供电质量综合提升系统dq轴下的数学模型示意框图；
27.图3是本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法的负载电能质量提升效果图；
28.图4是本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法中谐振抑制控制效果对比图；
29.图5是本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法中电压优化控制效果对比图。
具体实施方式
30.为了使本发明的技术方案及控制效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不能用于限定本发明。
31.图1所示为本发明中阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法的原理示意图，所述系统主要包括隔离电抗器、升压变压器、lc滤波器、逆变器、储能电池模块。图中：l1为滤波电感，c1为滤波电容，l2为升压变压器折算为低压侧的漏感，u
e
为逆变器输出端电压，u
c
为滤波电容电压，负载电压u
l
折算至变压器低压侧为u
ll
，ω
g
为电网角频率，u
n
为
负载额定电压，i1为滤波电感电流，i2、i
2h
为升压变压器低压侧和高压侧电流，i
c
为滤波电容电流，p
set
、p
e
分别为参考有功功率、输出有功功率。
32.系统负载电压控制的基本原理为：负载端通过隔离电抗器对电压端进行隔离，逆变器在系统并网和离网运行时均设计为稳定负载电压的电压控制型输出。为抑制负载功率宽范围变化和电网电压暂降、骤升、谐波等电能质量问题带来的lc谐振现象，引入了谐振抑制控制，增加系统阻尼特性的同时提升稳定性；并通过反馈升压变压器电流这一扰动量，有效反映电网电流的扰动和负载电流的变化，负载电压控制能够实时优化扰动电流作用于升压变压器漏感对负载电压稳定的影响，控制升压变压器高压侧负载电压的稳定，为大功率负载运行提供稳定的电压保障，且所述逆变器具有良好的无功输出能力。在电网正常运行时，所述系统并网运行基本不输出负载有功功率，负载有功功率由电网传输，功率传输效率高；在电网发生短路故障时，所述系统离网运行并独立为重要负载提供稳定供电，实现兆瓦级负载功率输出，为电网恢复或重要负载停运提供充足后备时间。
33.所述负载电压控制方法包括以下步骤：
34.步骤1：将电网频率和逆变器输出有功功率输入有功功率控制中，输出为所述负载电压控制的参考相角θ
ref
，其中，θ
ref
作为升压变压器高压侧电气量的dq变换相角；
35.步骤2：将倍的负载电压有效值和0分别作为电压电流双闭环控制中电压外环控制的d轴和q轴输入量；将电压外环控制的d轴和q轴输出量分别作为电流内环控制的d轴和q轴参考电流，并在电流内环控制的d轴和q轴输出量中分别叠加谐振抑制控制的d轴和q轴分量，所述谐振抑制控制可以是滤波电容电流负反馈、或者是滤波电容电压负反馈、或者是滤波电感电流负反馈。可以有效抑制负载功率宽范围变化或电网发生多种电能质量问题等暂态扰动时发生的谐振现象，同时提升系统稳定性；
36.步骤3：通过采集升压变压器电流并经dq变换后，所述升压变压器电流的d轴和q轴分量分别经电压优化控制的补偿量g
l
(s)后叠加至电流内环控制的d轴和q轴输出量中，所述升压变压器电流的q轴和d轴分量分别经电压优化控制的解耦量g
ωl
(s)后叠加至电流内环控制的d轴和q轴输出量中，通过在电压电流双闭环控制的输出中反馈含所述升压变压器电流的扰动量，能够实时优化所述升压变压器电流作用于升压变压器漏感对负载电压稳定的影响；
37.步骤4：电流内环控制的d轴和q轴输出量经步骤2和3的叠加后，再经dq反变换作为所述逆变器参考调制电压。生成的逆变器参考调制电压经调制技术后生成逆变器六个开关的驱动信号，控制开关的导通和关断。
38.图2所示为本发明中阻抗隔离型中压供电质量综合提升系统dq轴下的数学模型示意框图，图中，u
ed
、u
eq
、u
cd
、u
cq
、u
lld
、u
llq
分别为u
e
、u
c
、u
ll
的dq分量；i
1d
、i
1q
、i
2d
、i
2q
分别为i1、i2的dq分量。所述系统dq轴下的数学模型以逆变器输出电压基波分量为输入，负载电压为输出，并考虑了升压变压器低压侧电流经升压变压器漏感对负载电压稳定的扰动作用。可以看出，系统不仅存在电流i2作用于升压变压器漏感l2时对负载电压u
l
的扰动项，而且包含i2在dq轴之间的耦合项。通过对所述系统的数学模型进行分析，能够对所述电压优化控制进行设计,能够实时优化所述升压变压器低压侧电流作用于升压变压器漏感对负载电压稳定的影响。
39.图3所示为本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电
压控制方法的负载电能质量提升效果图，模拟了电网电压u
gl
‑
l
分别发生0.06s骤升、暂降扰动时的仿真波形。在1s时，电网电压骤升为1.2p.u.；在1.06s时暂降为0.1p.u.；在1.12s时恢复为1p.u.。可以看出，电网电压出现了大幅的暂降和骤升时，一方面隔离阻抗对电网进行一定的隔离，同时逆变器通负载电压控制的电压优化控制实时补偿负载电压的波动，负载电压u
l
‑
l
能够基本保持不变，验证了拓扑及控制策略对电网电压扰动的良好抑制效果。
40.图4所示为本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法中谐振抑制控制效果对比图。0.6s时系统并网由空载运行转至投入1mw/0.75mvar的额定负载功率，未附加谐振抑制控制时系统经过40ms后恢复平稳运行，负载电压u
l
‑
l
质量较差，thd达到了6％，难以满足对电能质量要求高的应用场合。而附加谐振抑制控制控制时系统经2ms即恢复平稳运行，负载电压跌落仅为1.5％p.u.，thd为1％，电压波形质量高，验证了谐振抑制控制的有效性。
41.图5所示为本发明实施例提供的一种阻抗隔离型中压供电质量提升系统的负载电压控制方法中电压优化控制效果对比图。在1.3s时电网发生三相短路故障时，逆变器需要经隔离电抗器向电网短路点输出较大的感性电流，从而在升压变压器上产生较大的压降，负载电压有效值u
l
‑
lrms
跌落达4％p.u.，在1.41s三相断路器过零点开断瞬间，负载电压变化达
±
5％p.u.。在相同控制参数下附加补偿l2影响的虚拟阻抗控制，根据逆变器输出电流的变化，电压优化控制能够实时响应，有效补偿负载电压的跌落，短路瞬间负载电压跌落仅为2％p.u.，1.405s时负载电压变化为
±
2％p.u.。
42.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。