一种两桥臂电能质量调节器及其控制策略的制作方法

本发明涉及一种两桥臂电能质量调节器及其控制策略，属于电力系统及其自动化。

背景技术：

1、统一电能质量调节器（unified power quality conditioner, upqc）是一种能够综合解决配电网电压质量和电流质量问题的定制电力装置，兼具串联补偿和并联补偿的双重功能，能够同时抑制电压型和电流型两大类电能质量扰动，因此被公认为功能最为完备的电能质量治理方案。

2、然而，传统upqc通常采用背靠背全桥变换器结构，其串联侧和并联侧各需独立的桥臂单元，每个桥臂包含多个开关管，开关管数量多，导致装置的建设成本和维护成本居高不下。此外，功率开关器件的增多还增加了驱动电路的复杂度和系统的故障率，降低了装置的可靠性。此外，在传统upqc中，串联侧通过工频隔离变压器耦合至电网，该变压器体积庞大、重量可观，不仅占用大量安装空间，还对装置的灵活部署造成严重制约。同时，工频变压器的磁饱和特性限制了串联补偿的响应速度和补偿深度，在电网电压严重跌落等恶劣工况下，变压器可能进入饱和区，导致补偿效果下降甚至装置失效。

3、针对上述问题，近年来出现了少量关于两桥臂无变压器upqc的研究探索。但研究尚处于起步阶段，相关拓扑结构和控制策略仍有待进一步优化和完善。因此，亟需提出一种新型两桥臂电能质量调节器及其控制策略，在减少电力电子器件数量、降低系统成本的同时，彻底摒弃串联耦合变压器，以轻量化、高灵活性的结构实现电压质量和电流质量的双重综合治理。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种两桥臂电能质量调节器及其控制策略，旨在解决传统upqc器件多、成本高，工频变压器易饱和，难以兼顾电压与电流综合治理的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种两桥臂电能质量调节器的控制策略包括：

3、计算并联侧基波d轴与q轴电流的给定值；提取并联侧谐波d轴与q轴电流给定值；对并联侧支路电流的电流正交分量进行park变换，分离并联侧的基波实际电流和谐波实际电流；计算基波电流偏差与谐波电流偏差，通过pi控制器合成d轴与q轴的总电压调节量，叠加点位平衡修正量与电网电压前馈补偿量，经过反park变换，得到并联侧调制波；处理并联侧调制波，输出控制并联侧功率开关的驱动信号；

4、计算串联侧d轴与q轴补偿电压的给定值；计算串联侧d轴与q轴的实际反馈电压；对串联侧d轴与q轴对应补偿电压的给定值与实际反馈值作差，通过pi控制器，得到串联侧d轴与q轴的补偿电流给定值；计算串联侧d轴与q轴实际补偿电流；对串联侧d轴与q轴对应补偿电流的给定值与实际反馈值作差，输入pi控制器并叠加串联侧电网电压前馈补偿量，经过反park变换，得到串联侧调制波；处理并联侧调制波，输出控制串联侧功率开关的驱动信号；

5、计算并联侧与串联侧在实际调节后的直流母线电压稳态偏差、并联侧无功补偿偏差、负载电压幅值稳态偏差与中点电位稳态偏差，调整并联侧与串联侧对应参数的给定值，进行自适应校正。

6、进一步地，生成并联侧调制波的步骤如下：

7、获取直流母线上、下电容电压与，计算直流母线的实际总电压；

8、获取的电网电压，生成的正交电压分量与；

9、获取电网相位以及直流母线的电压给定值，计算直流电压偏差；将输入pi控制器，得到并联侧基波d轴电流的给定值；

10、计算电网电压的基波有效值，根据无功功率的给定值，计算并联侧基波q轴电流的给定值；

11、获取并处理负载电流，得到负载电流的α轴与β轴的电流分量与；

12、以相位为基准，对电流与进行park变换，得到负载电流的d轴与q轴分量与；

13、对与进行滤波处理，提取电流与在d轴与q轴的谐波分量与；

14、对与取反，得到谐波d轴、q轴电流给定值与；

15、获取并处理支路电流，得到支路电流的电流正交分量与；

16、以相位为基准，对电流与进行park变换，得到支路电流的d轴与q轴分量与。

17、进一步地，生成并联侧调制波的后续步骤如下：

18、对电流与进行滤波处理，提取基波实际电流与；

19、在电流与中，提取谐波实际电流与；

20、计算d轴与q轴的基波电流偏差与，以及谐波电流偏差与；

21、将与输入基波电流内环pi控制器，得到基波电压在d轴与q轴的电压调节量与；

22、将与输入谐波电流内环pi控制器，得到谐波电压在d轴与q轴的电压调节量与；

23、将与相加，将与相加，得到d轴与q轴的电压调节量与；

24、在与的基础上，叠加电网电压前馈，得到d轴与q轴的总调节电压与；

25、以相位为基准，对与进行反park变换，并叠加电位平衡修正量，得到并联侧的调制波；

26、处理并联侧调制波，输出控制并联侧功率开关的驱动信号。

27、进一步地，电网电压前馈与电位平衡修正量的计算步骤如下：

28、计算并联侧的电网电压前馈：

29、以相位为基准，对与进行park变换，得到d轴与q轴的电网电压分量与；

30、设置并联侧的前馈比例系数，根据并联侧的前馈比例系数对与进行缩放，得到d轴与q轴的电网电压前馈分量与；

31、计算直流母线中点的电位平衡修正量：

32、计算直流母线上、下电容电压偏差；

33、将输入pi控制器，得到直流母线中点电位平衡修正量。

34、进一步地，并联侧调制波的处理步骤如下：

35、根据并联侧调制波，生成两路载波信号，得到上载波与下载波；

36、逐点比较并联侧调制波与上、下载波的瞬时值大小，确定功率开关管q1、q2、q3、q4的开关状态：

37、当调制波≥上载波，端口a1输出正电平，q1与q2导通，q3与q4断开；

38、当下载波＜调制波＜上载波，端口a1输出零电平，q1断开，q2与q3导通，q4断开；

39、当调制波≤下载波，端口a1输出负电平，q1与q2断开，q3与q4导通；

40、在并联侧开关状态发生切换时，插入死区，生成并联侧的功率开关管驱动信号；

41、对死区处理之后的功率开关管驱动信号进行窄脉冲抑制，设置硬件互锁机制与状态跳变机制，对并联侧生成的功率开关管驱动信号进行限制，得到并联侧功率开关管的最终驱动信号。

42、进一步地，生成串联侧调制波的步骤如下：

43、获取的电网电压，生成的正交电压分量与；

44、获取电网相位；以相位为基准，对与进行park变换，得到d轴与q轴的电网电压分量与；

45、获取负载额定电压的给定值，计算串联侧d轴补偿电压的给定值；

46、将串联侧q轴补偿电压的给定值设置为零；

47、获取并处理串联滤波电容的补偿电压，得到串联侧补偿电压的正交分量与；

48、以相位为基准，对与进行park变换，得到串联侧d轴与q轴的实际反馈电压与；

49、计算串联侧的d轴电压偏差与q轴电压偏差，将与输入电压外环pi控制器，得到串联侧d轴与q轴的电流给定值与；

50、获取串联滤波电感的补偿电流，将输入sogi二阶广义积分器，生成串联侧补偿电流正交的α轴与β轴电流分量，得到电流与；

51、以相位为基准，对与进行park变换，得到串联侧d轴与q轴的实际反馈电流与。

52、进一步地，生成串联侧调制波的步骤还包括：

53、计算串联侧的电压前馈：

54、以相位为基准，对与进行park变换，得到d轴与q轴的电网电压分量与；

55、设置串联侧的前馈比例系数，根据串联侧的前馈比例系数对与进行缩放，得到串联侧对应d轴与q轴的电网电压前馈分量与；

56、计算串联侧有功电流偏差与无功电流的偏差与，将与输入电流内环pi控制器，得到串联侧对应d轴与q轴的串联侧调节电压与；

57、在与的基础上叠加串联侧电压前馈，得到串联侧对应d轴与q轴的总调节电压与；

58、对与进行反park变换，得到串联侧的调制波；

59、处理并联侧调制波，输出控制串联侧功率开关的驱动信号。

60、进一步地，并联侧调制波的处理步骤如下：

61、根据串联侧的串联侧调制波，生成三角载波信号；

62、逐点比较串联侧调制波与载波的瞬时值大小，确定功率开关管q5与q6的开关状态：

63、当调制波≥载波，端口a2输出正电平，q5导通，q6断开；

64、当调制波＜载波，端口a2输出负电平，q5断开，q6导通；

65、在串联侧开关状态发生切换时，插入死区，防止q5与q6同时导通；

66、设置防止q5与q6同时导通的硬件约束与软件约束，对串联侧生成的功率开关管驱动信号进行窄脉冲抑制，得到串联侧功率开关管的最终驱动信号。

67、进一步地，自适应校正的步骤如下：

68、计算直流母线电压稳态偏差、并联侧无功补偿偏差、负载电压幅值稳态偏差与中点电位稳态偏差；

69、调整并联侧对应参数的给定值：

70、设置校正系数，校正下一基波周期中的直流电压给定：

71、计算直流电压给定值的临时值；

72、获取直流母线的最大电压与最小电压，计算；

73、校正下一基波周期中的无功功率给定：

74、计算无功功率给定值的临时值；

75、获取装置的额定无功功率，计算；

76、不修改直流母线中点电位的给定值，将输入计算直流母线中点的电位平衡修正量的pi控制器中；

77、调整串联侧对应参数的给定值：

78、校正下一基波周期中的负载额定电压给定：

79、计算负载额定电压给定值的临时值；

80、获取负载额定电压的最大值与最小值，计算。

81、一种两桥臂电能质量调节器包括：

82、并联侧桥臂与串联侧桥臂；

83、并联侧桥臂包括：功率开关q1、q2、q3、q4，钳位管da1与da2，并联滤波电感lf1，并联侧桥臂输出端口a1，共用直流母线电容cbus1与cbus2；

84、电容cbus1上端接直流正母线，电容cbus2下端接直流负母线；电容cbus1下端与电容cbus2上端相接，引出直流中点o；

85、功率开关q1、q2、q3、q4自上而下依次串联，q1的集电极接电容cbus1上端，q2的发射极引出并联侧桥臂的输出端口a1，q4的发射极接电容cbus2下端；

86、钳位管da1的阳极接端口a1，da1的阴极接直流中点o；

87、钳位管da2的阴极接端口a1，da2的阳极接直流中点o；

88、电感lf1一端接端口a1，另一端接电网零线；

89、串联侧桥臂包括：功率开关q5、q6，串联滤波电感lf2，串联补偿电容cf1，串联侧桥臂输出端口a2，共用直流母线电容cbus1与cbus2，负载rl；

90、功率开关q5与q6串联，q5的集电极接电容cbus1上端，q6的集电极引出串联侧桥臂的输出端口a2，q6的发射极接电容cbus2下端；

91、串联滤波电感lf2、串联补偿电容cf1串联构成lc低通滤波电路，并与串联侧桥臂输出端口a2连接；

92、串联补偿电容cf1远离串联滤波电感lf2的一端接入电网与负载rl之间的电网相线，负载rl并联在电网相线与电网零线之间。

93、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

94、拓扑器件数量少，降低硬件成本与装置体积：

95、本发明提供的控制策略可适配两桥臂无工频变压器的upqc拓扑，仅采用一侧npc三电平并联桥臂、一侧两电平串联半桥桥臂，摒弃传统upqc串联侧必须配置的工频耦合变压器，控制算法与硬件拓扑深度匹配，无需针对变压器磁饱和、励磁涌流做额外补偿逻辑，不需要增加变压器的电压换算模块，装置整体的体积与重量显著减小，既适合工厂批量生产降低制造成本，也适配配电台区狭小柜体的现场安装条件，拥有更好工程推广价值。

96、并联侧与串联侧的独立开关控制，兼顾谐波治理与电压补偿性能：

97、本发明支持并联侧与串联侧采用互不相同的开关频率，通过步骤s1与步骤s2提供的两套相互独立的调制流程，根据两侧功能需求差异分别生成两侧调制波：并联侧主要负责直流母线稳压、负载谐波治理、无功补偿任务，串联侧主要负责负载电压暂降、暂升、畸变抑制，侧重基波电压幅值与相位控制；两套调制流程共享同一套sogi-pll锁相相位基准，保证两侧补偿矢量相位协同，不会因为开关频率不同出现相位失配。

98、增设装置自检设计，提升复杂电网-负载的工况自适应能力：

99、在传统的内环调界上，本发明增加步骤s3调制效果的在线检测与给定值自适应校正功能，以电网基波周期作为执行周期，步骤s3复用步骤s1与步骤s2内部已经完成的sogi正交分解与park变换结果，不需要重复进行大量坐标运算，不会干扰电流、电压内环的动态响应，在保留原有双闭环调节功能的基础上，通过实时检测直流母线、无功功率、负载电压的稳态偏差，修正下一周期步骤s1与步骤s2的输入给定，实现调制效果的闭环校验。