一种统一电能质量调节器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种统一电能质量调节器及其控制方法，M3C?UPQC的控制方法由外部补偿控制和内部平衡控制所组成。外部补偿控制根据非线性负载所需要补偿的谐波和无功分量作为指令，控制M3C?UPQC输出补偿电流，实现提高电网电能质量的目的。而内部平衡控制依据各桥臂电容电压不平衡量作为指令，产生环流有功功率来改善各桥臂直流侧总电压不相等的问题。
【专利说明】
-种统一电能质量调节器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及模块化多电平变换器，特别是一种统一电能质量调节器及其控制方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着现代电力电子技术的发展，分布式电源技术得到了极大提升，使得清 洁能源可W更好地得到利用，例如风能、光能、电动汽车在未来分布式电网系统扮演着分担 负荷等重要作用。越来越多的新能源发电装置和非线性负载接入分布式电网，随之而来会 造成一系列电能质量问题，例如:低功率因数、电压骤升或骤降、谐波电流等。运些问题对电 网的电压和频率稳定性带来了巨大挑战。为了解决运些问题，统一电能质量调节器因为它 具有全面地改善电能质量问题的能力，同时多提供了一个对电网的接口，而得到了高度地 关注。
[0003] 串联型和并联型有源电力滤波器(active power filter,APF)可W针对不同类型 的负载来进行补偿，解决电网电能质量问题，但是APF的根据补偿对象的不同，所采用的拓 扑结构与接入电网的方式都会有较大差异。而基于交交变频结构的统一电能质量调节器 (unified power quality conditioner,UPQC)，综合了 串联型 APF和并联型 APF 的优点，可 W解决电压型或者电流型非线性负载的电能质量问题。但是传统UPQC由于电力电子器件耐 压特性的限制，仅适用于低压配电系统，不适用于中高压系统。
[0004] 近年来，模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)得到了越来 越多的关注，通过将开关模块级联连接，MMC不仅完美解决了开关器件耐压的问题，同时极 大提升了输出电压波形的质量。MMC由于其出众的特性，已经成功应用于高压直流输电系统 等大功率电能传输系统中。
[0005] 曾有许多基于模块化多电平变换器的统一电能质量调节器拓扑被提出，它们共用 直流侧电压，由2N个半桥或者由N个全桥子模块级联组成串联或者并联变换器，产生2N+1电 平的输出电压，它们都有各自的优势与不足。
[0006] 因为器件参数不会完全一致，所WMMC装置内会有环流产生，环流的出现，虽然不 会影响到M3C-UPQC的输出特性，但是环流会影响到MMC内的有功分布，导致各个桥臂的直流 侧电容电压不相等，进而影响到M3C-UPQC的整体稳定性。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种统一电能质量调节 器及其控制方法。
[000引为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种统一电能质量调节器，包 括四个结构相同的多电平变换器桥臂;第一、第二、第=、第四桥臂分别与第一、第二、第=、 第四连接滤波电抗串联;第一连接滤波电抗与第二连接滤波电抗连接，且连接点接入电网； 第=连接滤波电抗与第四连接滤波电抗连接，且连接点接入电网；所述第一桥臂与第=桥 臂连接;所述第二桥臂与第四桥臂连接;每个桥臂由N个H桥子模块级联而成;所述第一桥臂 与第=桥臂的连接点、所述第二桥臂与第四桥臂的连接点均直接接入电网。
[0009] 所述两个连接点分别与滤波电容两极连接;所述滤波电容两极分别接入变压器副 边两端;所述变压器原边两端分别接电网和非线性负载。
[0010] 相应的，本发明还提供了一种统一电能质量调节器控制方法，包括W下步骤：
[0011] 1)外部补偿控制中，采用各相桥臂的直流侧总电压进行外环PI控制，补偿电流内 环采用无差拍控制，对负载电流进行快速跟踪;在补偿电网电压崎变的时候，根据所采样的 交流滤波电容的输出电压，使用另一个PI控制器来减少电压崎变率；
[0012] 2)在内部平衡控制中，采用双闭环控制，其中外环为差模电容电压环，采用PI控 审Ij;内环为环流控制环，采用无差拍控制;通过内部平衡控制，限制有功功率在2个桥臂组之 间的流动，维持直流侧电容电压的平衡和稳定。
[0013] 外部补偿控制的具体实现过程包括:采样非线性负载电流iL，电网电压Us,滤波电 容输出电压UC，各个H桥子模块的直流侧电压信号W及4个桥臂的输出电流ix;依据电网电压 Us获取电网相位，依据个H桥子模块的直流侧电压信号来获取直流侧电容电压共模分量 <1，依据滤波电容输出电压UC计算出电网电压补偿信号，依据非线性负载电流iL获取基波 有功分量ifd，基波无功分量。q和谐波分量ih，从而获取电流补偿信号;通过控制器对采样所 得信号进行处理，生成补偿电压参考值咕f和补偿电流参考值培，结合上述信号和控制系统 内部的直流侧电容电压参考值进行控制，最后生成补偿电流控制器的输出npc和补偿电压控 制器的输出nsc，完成外部补偿控制。
[0014] 步骤1)中，电网电压和电流补偿信号为：
[0015]
[0016] 嫣f是补偿电压参考值；餐是补偿电流参考值;Us为电网电压;UN表示幅值为化的额 定电压;非线性负载电流iL可W分解为基波有功分量ifd，基波无功分量ifq和谐波分量ih Jfd 表不ifd的幅值，Ifq表不ifq的幅值，Ih康不ih的幅值；W读不基波角频率;m和n分别表不非 线性负载电流和电网电压的最大谐波次数;化1代表电网基波电压幅值，化表电网电压第 j次谐波分量幅值;k是变压器变比；巧表示第j次谐波的初始相位；CO J表示第j次谐波的角频 率。
[0017] 内部平衡控制的具体实现过程包括:依据各个H桥子模块的直流侧电压信号来获 取直流侧电容电压差模分量请1，依据4个桥臂的输出电流ix来获取环流信号iz，结合上述 信号和控制系统内部的前馈环流信号izref，前馈控制输出Uzref和反馈控制输出A UzW及直 流侧电容电压参考值进行控制，输出调制度nzi和nz2，最后使用变换矩阵T2，综合npc，nsc，nzi 和nz2,获得各个桥臂的调制度信号，综合控制各个桥臂中的开关管，在维持装置直流侧电容 电压的平衡和稳定的同时，进行电压和电流补偿，完成内部平衡控制。
[0018] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明可W避免使用巨大的多重 绕组变压器和公共直流母线，可W直接进行不同频率之间交流电的变换，为电能质量的改 善提供一种选项;可W在进行电能质量治理的同时，保证M3C-UPQC的稳定性。
【附图说明】
[0019]图1为M3C-UPQC拓扑结构和控制方法示意图；
[0020]图2为M3C-UPQC基于电压源的综合等效电路图；
[0021 ]图3为M3C-UPQC基于电压源的解禪等效电路图；
[0022] 图4位无差拍控制的原理框图。
【具体实施方式】
[0023] 参见图1，为M3C-UPQC拓扑结构和控制方法示意图，装置拓扑结构包括4个相同的 多电平变换器桥臂、连接滤波电抗L、滤波电容Cf、串联注入电压器，装置的每个桥臂由N个H 桥子模块级联而成。多电平变换器具有易扩展、耐高压、输出谐波少等特点，滤波电容Cf可 W滤除电网流入M3C-UPQC的谐波，连接滤波电抗起到抑制环流的作用。
[0024] Us为单相电网电压，A U表示变压器上的压降，Uc表示交流滤波电容输出电压，UL表 示负载电压，is表示电网电流，it。表示变压器二次绕组的电流，iL表示负载电流，is。表示 M3C-UPQC串联侧输出电流，ipc表示M3C-UPQC并联侧输出电流，ix (X = 1，2，3，4)分别代表4个 桥臂的输出电流，非线性负载表示含有非线性半导体开关器件的负载。
[0025] M3C-UPQC由分别与电网串联和并联的变换器组成，并联部分变换器可W通过补偿 无功和谐波电流来提高电网功率因数，抑制电网电流崎变。串联部分变换器可W抑制负载 电压的骤升和骤降，降低电网电压崎变率，W保住负载的正常供电。
[0026] 先将M3C-UPQC与电网并联的一侧接入电网，再将与电网串联的一侧接入电网，完 成不可控整流对直流侧电容的充电之后，再经过PWM整流，获得更高的直流侧电压。W上步 骤完成之后，M3C-UPQC就可W进行补偿。
[0027] 如图2所示为M3C-UPQC基于电压源的综合等效电路图，R和L分别表示滤波电感的 等效电阻和电感，UxU = I，2,3,4)分别表示4个桥臂的输出电压，iz表示装置拓扑结构内的 环流，它不会对输出电流造成影响。M3C-UPQC在用于负序补偿时，可W利用环流进行直流侧 电压平衡控制。根据基尔霍夫电流定律，桥臂电流之间有：
[002引 （1)
[0029] 臂电流可W由如下表示：
[0030] 口）
[0031]
[0032] (3)
[0033] 假设Uzl和Uz2是被注入的直流电压，VGl和VG2表不桥臂输出电压的交流部分，因此将 M3C-UPQC解禪为交流部分和直流部分，期望的桥臂电压可W式(4)所示。I号桥臂和4号桥臂 是第一组，2号桥臂和3号桥臂是第二组，如附图3所示。
[0034]
株）
[0035] 此外，注入直流侧电压有如下关系：
[0036]
巧）
[0037] 如果在M3C-UPQC内使用恰当的电压平衡控制策略，那么每个桥臂的电压可W由式 (6)表示，nx表示调制度，Ucsum_x表示X号桥臂的N个电容电压之和。nxy和Ucxy分别表示第y个子 模块的独立调制度和直流侧电容电压。
[00測
傲
[0039] 因此，基于式（1)-(6)，每个桥臂的输出电压和输出电流是可控的，同时可W通过 调节各个桥臂的调制度来调节环流。
[0040] 在外部补偿控制中，M3C-UPQC的控制目的是维持负载电压UL的稳定和减小电网电 流is的崎变率。UN表示幅值为Un的额定电压，Is是电网电流的幅值，表示基波角频率，则有 式(7)所示关系。而非线性负载电流iL可W分解为基波有功分量ifd，基波无功分量ifq和谐波 分量ih，Ifd，Ifq和Ihi均表示幅值，如式(8)所示。电网电压可W分解为基波分量和谐波分量， 如式(9)所示。式(8)和式(9)中的m和n分别表示负载电流和电网电压的最大谐波次数。
[0041] (7)
[0042] (S)
[0043] 为了便于分析，做出如下假设：
[0044] 1)不考虑电网电压变化情况，电网电压如式(9)所示，USj表示第j次谐波分量有效 值，Us^戈表j次谐波分量幅值，巧表示第j次谐波的初始相位，COj表示j次谐波的角频率
[0045]
(10)
[0046] 2)串联变压器是理想的，同时流过交流滤波电容的电流可W忽略，则有式（10)所 示。k是变压器变比，it。是变压器二次绕组电流
[0047]
(11)
[0048] 3)假设电压扰动和电流崎变可W得到完全的抑制，经过补偿之后，它们都是标准 正弦波。因此，不考虑功率损耗，仅有基频有功功率，如式(11)所示。iped和ipeq分别代表ipc的 传输的有巧分量和补偿由流分量
[0049]
(12)
[0050] 结合上文所述式(7)，（10)和（11)的定义，is和ip。河W表示为：
[0化1] (13)
[0052]此外，补偿电压裕f和电流货的参考值可W由式（13)表示。不同频率电压和电流乘 积的积分为0。
[0化3]
(14)
[0054]两个桥臂组的电容电压值会因为不平衡的有功而不同。因此，需要控制M3C-UPQC 内的环流和注入电压，来实现每个桥臂有功和电容电压的平衡。值得注意的是，每个桥臂的 电阻虽然很小，但是不为0。因此，可W依据式(5)，向M3C-UPQC内注入一个微小的调节电压 A Uz来控制内部环流，在保证各桥臂的平衡，如式（14)所示。其中Uzref和A Uz分别代表前馈 控制输出和反馈控制输出。因为控制直流环流比控制交流环流简单，本发明选择向M3C- UPQC中注入直流电压，W此来控制环流。
[0化5]
(14)
[0056] 如图1所示，M3C-UPQC的综合控制包括外部补偿控制和内部平衡控制。外部补偿控 制是为了响应M3C-UPQC整体的功率稳定性和对补偿参考值进行跟踪。首先，第一组和第二 组的总电容电压值可W由式（15)表述。变换矩阵Tl被用来区分电容电压的共模部分<2和 差模部分的 1。随后，使用包括共模电压外环和补偿电流内环，电压外环使用比例积分(PI) 控制，电流内环采用无差拍(DBC)控制来跟踪误差。在补偿电网电压崎变的时候，根据所采 样的交流滤波电容的电压，使用另一个PI控制器来减少电压崎变率。
[0057] (15)
[0化引 O 6)
[0059] 其中错为第1组桥臂的电容电压之和，總m为第2组桥臂的电容电压之和。
[0060] MMC的任何拓扑结构中都会遇到电压平衡控制的问题。如上所述，注入环流可W在 差模有功传输控制时，提供一个自由度。因此，内部平衡控制为一个包括差模电压PI控制外 环和环流PI控制内环的双闭环控制，内部平衡控制可W对两组桥臂的有功之差进行响应， 调整环流，使得各桥臂的直流侧电容电压相同。内部平衡控制不会影响外部补偿控制。注入 电压值Uzref,前馈环流信号izref根据式（14)可得。差模部分电容电压值增1输入PI控制器中 作为反馈信号，来提高控制精度。另一个PI控制器用于跟踪直流环流，它的输出AUz被用于 Uzref的反馈校正。最后，通过将前馈控制信号Uzref加入反馈校正信号A Uz中，即可获得注入 电压值Uzl和Uz2,如图4虚线框图所示。
[0061] 最后，使用变换矩阵T2,前面所述控制器的输出可W组合起来，获得xth桥臂的调制 度，其同时也是式(4)的结果。其中npc是补偿电流控制器的输出，nsc是补偿电压控制器的输 出，nzi和nz2是内部平衡控制器的输出。通过外部补偿控制和内部平衡控制，经过载波移相 调制，M3C-UPQC就可W向各桥臂的开关管输出信号，对负载和电网进行补偿，同时，还可W 维持自身的稳定。
[0062]
(17)：
[0063] M3C-UPQC控制方法由外部补偿控制和内部平衡控制所组成，如图1中虚线框中所 示。外部补偿控制根据非线性负载所需要补偿的谐波和无功分量作为指令，控制M3C-UPQC 发出补偿电流，实现补偿电网电能质量的目的。而内部平衡控制依据各桥臂电容电压不平 衡量和纹波量作为指令，产生环流有功功率来改善各桥臂直流侧总电压不相等的问题。 M3C-UPQC的综合控制方法，包括W下步骤：
[0064] 1)外部补偿控制中，采用各相桥臂的直流侧总电压进行外环PI控制，补偿电流内 环采用无差拍控制，可W对负载电流进行快速跟踪，减少电网电流的崎变率。Us为单相电网 电压，Ucs?_ref表示共模电压参考值，《表示基波角频率，C是补偿电流参考值，iref是电流内 环参考值信号，ip康示M3C-UPQC并联侧输出电流，nx表示xth桥臂的调制度，U康示交流滤波 电容输出电压，堪f是补偿电压参考值。在补偿电网电压崎变的时候，根据所采样的交流滤波 电容的输出电压，使用另一个PI控制器来减少电压崎变率。将桥臂分为两组，1号桥臂和4号 桥臂是第一组，2号桥臂和3号桥臂是第二组，两组直流侧电压的共模分量和差模分量 afL如下式所示。电压和电流补偿指令如下式所示。
[0070] 其中kp为比例系数，ki为积分系数，S为拉普拉斯算子;!墙L为第1组桥臂，即第一桥 臂和第四桥臂的电容电压之和，這;m为第2组桥臂，即第二桥臂和第=桥臂的电容电压之和；
[00 化]
[0066] (19)
[0067] (20)
[006引
[0069] Ucly、Uc2y、Uc3y、Uc4y分别为第一、第二、第ミ、第四桥臂的电容电压;N为每个桥臂H桥子模块个 数。
[0071] 无差拍控制(DBC)的原理框图如图4所示，在每个调制周期开始时，根据前一时刻 的指令电流值和实际补偿电流值的差值、负载参数及其它负载变量，计算出控制信号并输 出跟踪指令值，每个控制周期的控制信号都会对该周期的指令信号和上一周期的采样反馈 值进行修正，使得PWM产生的电流矢量误差减小。该方法实际上是一种采用数字技术实现的 预测控制方案，能快速响应电流的突然变化，特别适合于快速暂态控制。
[0072] 线性定常系统状态方程可表示为
[0073]
(22)
[0074] 其中系数矩阵A，B为常数;X和V分别表示系统的状态向量和输入向量。
[0075] 利用数学知识可W求得上式的时域解为
[0076]
御
[0077] W采样时间间隔T为标准，将连续系统离散化
[007引
（24)
[0079] 其中I是单位矩阵。
[0080] 由于本发明的设计都是围绕着电压型逆变器而进行的，因此输入向量V化)和电压 U的关系为
[0081 ] V化）=A T化)U (25)
[0082] 其中U为逆变器的直流侧电压，A T化)表示等间隔采样第k次时的脉宽量;如果用 给定的参考状态量Xref替代X化+1)，式(24)变为
[0083] Xref=FXA)+GAT(k)U (26)
[0084] 上式可看出，A T化)可W计算得来，而且将其作为第化+1)次等间隔采样时刻的跟 踪参考状态指令，故Xw = XrefD因此系统要是能在时序上提前预测到下一个周期的参考状 态，即在第k次采样时准确预测第化+1 )次的参考状态Xref化+1 )，则第化+1 )次采样时刻的状 态即为参考状态，运即是无差拍控制基本思路。
[0085] 2)在内部平衡控制中，采用双闭环控制，其中外环为差模电容电压环，采用PI控 审IJ;内环为环流控制环，采用无差拍控制。差模分量电容电压值省1输入PI控制器中作为反 馈信号，来提高控制精度。其中Uzref和A Uz分别代表前馈控制输出和反馈控制输出，izref代 表前馈环流信号，iz表示装置拓扑结构内的环流。另一个PI控制器用于跟踪直流环流，它的 输出A Uz被用于Uzref的反馈松正。巧后，通过将自U馈枉制f曰号Uzref加入反馈松正f曰号A Uz 中，即可获得注入电压值Uzl和Uz2。通过内部平衡控制，就可W限制有功功率在2个桥臂组之 间的流动，维持直流侧电容电压的平衡和稳定，同时不会影响到外部补偿控制。
【主权项】
1. 一种统一电能质量调节器，其特征在于，包括四个结构相同的多电平变换器桥臂;第 一、第二、第Ξ、第四桥臂分别与第一、第二、第Ξ、第四连接滤波电抗串联;第一连接滤波电 抗与第二连接滤波电抗连接，且连接点接入电网；第Ξ连接滤波电抗与第四连接滤波电抗 连接，且连接点接入电网；所述第一桥臂与第Ξ桥臂连接;所述第二桥臂与第四桥臂连接； 每个桥臂由N个Η桥子模块级联而成;所述第一桥臂与第Ξ桥臂的连接点、所述第二桥臂与 第四桥臂的连接点均直接接入电网。2. 根据权利要求1所述的统一电能质量调节器，其特征在于，所述两个与滤波电抗相连 的连接点分别与滤波电容两极连接;所述滤波电容两极分别接入变压器副边两端;所述变 压器原边两端分别接电网和非线性负载。3. -种权利要求1或2所述统一电能质量调节器的控制方法，其特征在于，包括W下步 骤： 1) 外部补偿控制中，采用各相桥臂的直流侧总电压进行外环ΡΙ控制，补偿电流内环采 用无差拍控制，对负载电流进行快速跟踪;在补偿电网电压崎变的时候，根据所采样的交流 滤波电容的输出电压，使用另一个ΡΙ控制器来减少电压崎变率； 2) 在内部平衡控制中，采用双闭环控制，其中外环为差模电容电压环，采用ΡΙ控制；内 环为环流控制环，采用无差拍控制;通过内部平衡控制，限制有功功率在2个桥臂组之间的 流动，维持直流侧电容电压的平衡和稳定。4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，外部补偿控制的具体实现过程包括： 采样非线性负载电流?，电网电压Us，滤波电容输出电压UC，各个Η桥子模块的直流侧电压信 号W及4个桥臂的输出电流ix;依据电网电压Us获取电网相位，依据个Η桥子模块的直流侧电 压信号来获取直流侧电容电压共模分量嫣I，依据滤波电容输出电压UC计算出电网电压补 偿信号，依据非线性负载电流?获取基波有功分量ifd，基波无功分量ifq和谐波分量ih，从而 获取电流补偿信号;通过控制器对采样所得信号进行处理，生成补偿电压参考值培f和补偿 电流参考值誓，结合上述信号和控制系统内部的直流侧电容电压参考值进行控制，最后生 成补偿电流控制器的输出npc和补偿电压控制器的输出nsc，完成外部补偿控制。5. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤1)中，电网电压和电流补偿信号 为：?f是补偿电压参考值;语是补偿电流参考值;Us为电网电压;UN表示幅值为化的额定电 压;非线性负载电流?可W分解为基波有功分量ifd，基波无功分量ifq和谐波分量ih，Ifd表示 ifd的幅值，Ifq表示ifq的幅值，Ih康示ih的幅值；ω读示基波角频率;m和η分别表示非线性 负载电流和电网电压的最大谐波次数;化1代表电网基波电压幅值，化表电网电压第j次 谐波分量幅值;k是变压器变比；巧表示第j次谐波的初始相位；ω神日ω 1分别表示第j次和第 i次谐波的角频率。6. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，内部平衡控制的具体实现过程包括： 依据各个Η桥子模块的直流侧电压信号来获取直流侧电容电压差模分量诏慕，依据4个桥臂 的输出电流ix来获取环流信号iz，结合上述信号和控制系统内部的前馈环流信号izref，前馈 控制输出Uzref和反馈控制输出AUzW及直流侧电容电压参考值进行控制，输出调制度nzl和 nz2，完成内部平衡控制;最后使用变换矩阵T2，综合npc，nsc，nzi和nz2，获得各个桥臂的调制度 信号，综合控制各个桥臂中的开关管，在维持装置直流侧电容电压的平衡和稳定的同时，进 行电压和电流补偿。
【文档编号】H02M7/483GK106099937SQ201610459684
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】罗安, 黄旭程, 徐千鸣
【申请人】湖南大学