本發(fā)明屬于配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法。

背景技術(shù)：

配電網(wǎng)在電力網(wǎng)中起著重要分配電能的作用。目前，國內(nèi)的配電網(wǎng)絡(luò)由于規(guī)模巨大，負(fù)荷情況復(fù)雜等因素，造成各種線路故障頻出。其中電能質(zhì)量(包含電壓質(zhì)量)問題逐漸成為人們?nèi)找娼鉀Q的主要問題。

目前的調(diào)壓主要是對于敏感負(fù)荷端而言，通過在電網(wǎng)側(cè)和敏感負(fù)荷之間加可控串聯(lián)調(diào)壓電路，可控串聯(lián)調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：串聯(lián)變壓器、濾波器、逆變器以及直流電容?？煽卮?lián)調(diào)壓電路通過對逆變器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂圃谧儔浩魃袭a(chǎn)生注入補(bǔ)償電壓來保證敏感負(fù)荷的電壓質(zhì)量。因此逆變器是串聯(lián)調(diào)壓電路的一個重要環(huán)節(jié)，通過逆變將直流電變成調(diào)壓補(bǔ)償需要的交流電，維持負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定。

逆變器常用的控制方式有SPWM，電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制，滯環(huán)控制，無差拍控制等。然而上述常規(guī)的控制方式并沒有直接考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明則直接從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性出發(fā)，綜合運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性和切換系統(tǒng)理論，并仿真驗(yàn)證該控制方案可行有效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法，該方法運(yùn)用李雅普諾夫函數(shù)和二次漸近穩(wěn)定性理論，通過建立切換仿射線性模型，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)那袚Q規(guī)則，對逆變器進(jìn)行控制，在達(dá)到基本控制要求的同時又可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

一種基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法，包括以下步驟：

(1)在電網(wǎng)側(cè)和敏感負(fù)荷之間加可控串聯(lián)調(diào)壓電路，求解可控串聯(lián)調(diào)壓電路的狀態(tài)空間方程；

(2)經(jīng)過坐標(biāo)變換將逆變器的切換平衡點(diǎn)，變換到原點(diǎn)，得到坐標(biāo)變換后的狀態(tài)空間方程；

(3)根據(jù)坐標(biāo)變換后的狀態(tài)空間方程以及李雅普諾夫穩(wěn)定性分析，得到使得并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的切換律以及基本切換控制策略；

(4)在基本切換控制策略的基礎(chǔ)上，引用滯后環(huán)節(jié)來限制開關(guān)頻率，得到帶滯環(huán)的切換控制策略。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，濾波器電路選用LRC濾波電路，可控串聯(lián)調(diào)壓電路的狀態(tài)空間方程具體為：

其中，L、R、C分別為LRC濾波電路的電感、電阻、電容值，u_c為電容電壓，i_l為電感電流，i_load為負(fù)載電流，Vdc為整流后所得的直流電壓。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，坐標(biāo)變換后的狀態(tài)空間方程具體為：

其中，假設(shè)參考值為經(jīng)過坐標(biāo)變換使切換平衡點(diǎn)變換到原點(diǎn)；L、R、C分別為LRC濾波電路的電感、電阻、電容值，u_c為電容電壓，i_l為電感電流，i_load為負(fù)載電流，Vdc為整流后所得的直流電壓。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的切換律具體為：

其中，σ(x)為切換系統(tǒng)常數(shù)函數(shù)；為系統(tǒng)李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；

上式中，

其中，-εx(t)^Tx(t)是的一個邊界，即為系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡設(shè)定了一定的運(yùn)行區(qū)域；

其中，因?yàn)榭偣矁蓚€子系統(tǒng)，所以i＝1或2。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，具體切換策略如下：

1)當(dāng)t＝0時，初始控制律為：i₀為初始時刻切換系統(tǒng)所運(yùn)行的子系統(tǒng)；

2)如果當(dāng)前運(yùn)行的子系統(tǒng)為∑_i，當(dāng)x^T(A_i^TP+PA_i)x+2b_i^TPx＞-εx^Tx時切換到∑_j，子系統(tǒng)∑_i的運(yùn)行區(qū)域?yàn)椋?/p>

進(jìn)一步地，所述步驟(4)中，引用滯后環(huán)節(jié)來限制開關(guān)頻率具體為：

在平衡點(diǎn)附近，即如果||x||≤ρ_off，則停止切換；直到||x||≥ρ_on，再進(jìn)行切換；

其中，||x||為狀態(tài)點(diǎn)的范數(shù)，ρ_on，ρ_off分別為開始切換和停止切換時的限制值，且滿足：ρ_off＜ρ_on。

一種采用權(quán)利要求1所述的基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法的配電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)，包括：

在電網(wǎng)交流側(cè)依次串聯(lián)整流電路、逆變電路、LRC濾波電路以及變壓器，將整流電路接到電網(wǎng)側(cè)；

對所述逆變電路采用權(quán)利要求1所述的基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法，在變壓器上產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻同相的補(bǔ)償電壓，使得負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓同相但幅值始終比電網(wǎng)電壓高設(shè)定比例。

一種采用權(quán)利要求1所述的基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法的配電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)，包括：

在電網(wǎng)交流側(cè)依次串聯(lián)變壓器、LRC濾波電路、逆變電路和整流電路，所述整流電路連接負(fù)載側(cè)；

對所述逆變電路采用權(quán)利要求1所述的基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法，因?yàn)檎魉@得的直流電保持恒定，進(jìn)而保證負(fù)載電壓穩(wěn)定。

本發(fā)明的有益效果：

仿真結(jié)果表明，本發(fā)明的切換控制方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的調(diào)壓和穩(wěn)壓功能，控制結(jié)果完全符合控制系統(tǒng)的要求。

附圖說明

圖1(a)是本發(fā)明可控串聯(lián)調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)是可控串聯(lián)調(diào)壓電路的矢量原理圖；

圖2是本發(fā)明可控串聯(lián)調(diào)壓電路中的濾波器結(jié)構(gòu)圖；

圖3(a)為沒加滯后環(huán)節(jié)的切換示意圖；

圖3(b)為加了滯后環(huán)節(jié)的切換示意圖；

圖4為本發(fā)明的電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時的電網(wǎng)電壓仿真波形圖；

圖5(b)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時的變壓器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓波形圖；

圖5(c)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時的電網(wǎng)電壓與負(fù)載電壓波形圖；

圖5(d)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時的整流得到的電容兩端的電壓圖；

圖6(a)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時的電網(wǎng)電壓仿真波形圖；

圖6(b)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時的變壓器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓波形圖；

圖6(c)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時的電網(wǎng)電壓與負(fù)載電壓波形圖；

圖6(d)為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時的整流得到的電容兩端的電壓圖；

圖7為電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)負(fù)載電壓的FFT圖；

圖8為本發(fā)明的電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9(a)為電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓仿真波形圖；

圖9(b)為電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)的變壓器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓波形圖；

圖9(c)為電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓與負(fù)載電壓波形圖；

圖9(d)為電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)的整流得到的電容兩端的電壓圖；

圖10為電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)負(fù)載電壓的FFT圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

一種基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法，包括以下步驟：

(1)在電網(wǎng)側(cè)和敏感負(fù)荷之間加可控串聯(lián)調(diào)壓電路，求解可控串聯(lián)調(diào)壓電路的狀態(tài)空間方程；

(2)經(jīng)過坐標(biāo)變換將逆變器的切換平衡點(diǎn)變換到原點(diǎn)即x_d＝0，得到坐標(biāo)變換后的狀態(tài)空間方程；(所謂的切換“平衡點(diǎn)”，不是任何一個子系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，而是各個子系統(tǒng)共用的平衡點(diǎn)，它使對于一個切換系統(tǒng)的狀態(tài)量最終趨于一個給定的切換點(diǎn)x_d)。

(3)根據(jù)坐標(biāo)變換后的狀態(tài)空間方程以及李雅普諾夫穩(wěn)定性分析，得到使得并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的基本切換控制策略；

(4)在基本切換控制策略的基礎(chǔ)上，引用滯后環(huán)節(jié)來限制開關(guān)頻率，得到帶滯環(huán)的切換控制策略。

下面對具體控制方法介紹如下：

由圖1(a)和圖1(b)可知，V_s+V_c＝V_l；其中，V_s為電網(wǎng)側(cè)電壓，V_l為負(fù)載側(cè)電壓，V_c為變壓器補(bǔ)償電壓。

在實(shí)際配電網(wǎng)中當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生變化，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域通過一定的控制策略，在變壓器上會產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，使負(fù)載電壓達(dá)到一定的控制要求。

下面對本發(fā)明所采用的新型切換控制策略介紹如下：

1.切換方案的選取

1.1逆變后電壓所采用的濾波結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程的求解如下:

由KCL,KVL方程可得

所以由以上式整理可得：

系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：

其中，s為開關(guān)函數(shù)為(1或-1)。

假設(shè)參考值為經(jīng)過坐標(biāo)變換使切換平衡點(diǎn)變換到原點(diǎn)，對應(yīng)的狀態(tài)空間方程如下：

定義一個狀態(tài)矢量將上述狀態(tài)方程化成一般形式：

式中：x∈Rⁿ；σ(t):[0,∞)→{1,...m}是時間的分段常數(shù)函數(shù)，稱為切換信號。σ(t)＝i時系統(tǒng)處于第i個子系統(tǒng)Σ_i；

其中，因?yàn)閟＝±1，所以

切換系統(tǒng)能二次穩(wěn)定的充分條件為存在穩(wěn)定的凸組合：即

式中，

因?yàn)榇颂幹簧婕?個子系統(tǒng)為此尋找一組凸組合使得：

因?yàn)?/p>

可以求得：

i_load＝i_l^*；因此，仿真中電感電流的參考值即為負(fù)載電流的實(shí)際值。

因?yàn)?，A_eq為Hurwitz穩(wěn)定，所以根據(jù)切換穩(wěn)定的條件，坐標(biāo)原點(diǎn)是二次切換的平衡點(diǎn)。

因?yàn)橥菇M合A_eq是穩(wěn)定的，則存在正定對稱矩陣P和Q，使得

A_eq^TP+PA_eq＝-Q；

其中Q為單位矩陣。

其中P為正定對稱矩陣，可求得

1.2切換策略

因?yàn)樵谇袚Q控制策略中為防止頻繁切換引入了滯后環(huán)節(jié)，所以本發(fā)明用的濾波方式為LRC濾波,可以認(rèn)為在一個周期內(nèi)電阻R上的電壓波動很很大，而電容上的電壓波動很小，所以可以近似等效認(rèn)為疊加到變壓器上的電壓與電容兩端的電壓相等。

根據(jù)切換系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析，要使該并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定則應(yīng)采取的切換律為：

其中，

在該切換控制下，系統(tǒng)總是運(yùn)行在的最小子系統(tǒng)。具體切換策略如下：

1)當(dāng)t＝0時，初始控制律為：

2)如果當(dāng)前運(yùn)行的子系統(tǒng)為∑_i，當(dāng)x^T(A_i^TP+PA_i)x+2b_i^TPx＞-εx^Tx時切換到∑_j，子系統(tǒng)∑_i的運(yùn)行區(qū)域?yàn)?/p>

但是，由于時滯及慣性等因素的影響，系統(tǒng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面以后，不是保持在滑模面上做滑動運(yùn)動，而是在滑模面附近做來回穿越運(yùn)動，導(dǎo)致頻繁切換，本發(fā)明引用滯后環(huán)節(jié)來限制開關(guān)頻率,達(dá)到接近理想滑動模態(tài)的控制效果。即在平衡點(diǎn)附近，即如果||x||≤ρ_off，則停止切換，直到||x||≥ρ_on(通常選取ρ_off＜ρ_on)。其中，||x||為狀態(tài)點(diǎn)的范數(shù)，ρ_on，ρ_off分別為開始切換和停止切換時的限制值。

1.3不同切換策略的仿真研究

采用沒加滯后環(huán)節(jié)和加了滯后環(huán)節(jié)切換得到的切換信號分別如圖3(a)和圖3(b)所示，其中選取ρ_ff＝0.6,ρ_on＝0.7；從圖中可以看出加了滯后環(huán)節(jié)后切換信號的頻率明顯降低，因?yàn)榍罢吆艽蟪潭鹊谋苊饬祟l繁切換，低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，延長開關(guān)的使用壽命。

應(yīng)用本發(fā)明的控制策略能夠分別實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)載的調(diào)壓和穩(wěn)壓控制。下面分別對這兩種系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2.電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)

在許多場合為滿足負(fù)載電壓運(yùn)行的條件，負(fù)載電壓通常要比與其串聯(lián)的前端電網(wǎng)電壓一定程度的高，為此我們可以采用圖1中所說的調(diào)壓裝置將其串聯(lián)在電壓與負(fù)載之間，運(yùn)用本發(fā)明的切換控制方案對逆變器進(jìn)行控制。

電網(wǎng)負(fù)載調(diào)壓系統(tǒng)如圖4所示，在電網(wǎng)交流側(cè)依次串聯(lián)整流電路、逆變電路、LRC濾波電路以及變壓器，變壓器連接電網(wǎng)負(fù)載；整流裝置采取二極管不可控整流并將其接在電網(wǎng)側(cè)，整流后的直流電壓經(jīng)逆變后獲得所需的交流電，經(jīng)變壓器疊加到負(fù)載上，使負(fù)載側(cè)電壓達(dá)到預(yù)定的要求。

這樣Vc疊加上電網(wǎng)Vs便等于負(fù)載電壓Vl,使負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓同相但幅值始終比電網(wǎng)電壓高。

2.1該串聯(lián)裝置補(bǔ)償能力的計(jì)算。

因?yàn)椴豢煽卣餮b置接到電網(wǎng)側(cè)，在空載時輸出電壓最大，即Vdc＝|u_s|因?yàn)榇颂幷鞒龅闹绷麟姙楹筮叺哪孀冸娐饭┠?，所以Vdc＜|u_s|，

因?yàn)樗约磡u_c^*|＜Vdc；

從而可得逆變器的輸出電壓值|u_c^*|＜|u_s|，補(bǔ)償?shù)碾妷旱姆挡荒艽笥陔娋W(wǎng)電壓的幅值。其次因在實(shí)際應(yīng)用中涉及到晶閘管的開關(guān)損耗，變壓器鐵損耗,銅損耗等因素，所以該串聯(lián)補(bǔ)償裝置補(bǔ)償能力應(yīng)留有一定的裕量。

2.2負(fù)載電壓仿真波形的分析

電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時的仿真波形如圖5(a)-圖5(d)所示，電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時的仿真波形如圖6(a)-圖6(d)所示；在這里取u_c*＝30％u_s(假設(shè)負(fù)載電壓比電網(wǎng)電壓高30％)。

在圖6(a)中，0-0.1s是電網(wǎng)電壓正常幅值為311V，在0.1s時電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降，幅值降為255V，在0.2s時電網(wǎng)電壓有開始上升，幅值升為355V，從圖中可以看出，無論電網(wǎng)電壓發(fā)生下降還是上升，負(fù)載側(cè)電壓始終都比電網(wǎng)側(cè)電壓高30％，可見該切換控制方案可以實(shí)現(xiàn)快速良好的跟蹤特性。

負(fù)載電壓的FFT分析如圖7所示，從圖中可以看出負(fù)載電壓的諧波畸變率僅為0.22％，完全符合控制系統(tǒng)的要求。

3.電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)

電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生升、降在配電網(wǎng)中是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，如果不及時采取措施會直接導(dǎo)致負(fù)載電壓的不穩(wěn)定，電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)可以維持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，在電網(wǎng)交流側(cè)依次串聯(lián)變壓器、LRC濾波電路、逆變電路和整流電路，整流電路連接到負(fù)載側(cè)；對逆變電路采用本發(fā)明的基于切換仿射線性模型的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制方法。

因?yàn)榇藭r負(fù)載側(cè)電壓Vl穩(wěn)定，電網(wǎng)電壓Vs變化，所以可以將整流裝置接在負(fù)載側(cè)，這樣整流所獲得的直流電基本可保持恒定，進(jìn)而保證負(fù)載電壓穩(wěn)定。

3.1穩(wěn)壓范圍的選取

因?yàn)樗裕杭磡u_c^*|＜Vdc；

由電容濾波的不可控整流電路，在空載時輸出電壓最大，即Vdc＝|u_l|；因?yàn)榇颂幷鞒龅闹绷麟姙楹筮叺哪孀冸娐饭┠?，所以Vdc＜|u_l|，由u_s+u_c^*＝u_l，從而可得負(fù)載要穩(wěn)的電壓值|u_c^*|＜|u_l|，補(bǔ)償?shù)碾妷旱姆挡荒艽笥谝€(wěn)定的電壓幅值。

3.2穩(wěn)壓的仿真波形圖

假設(shè)負(fù)載要穩(wěn)定的電壓值為440V(幅值)仿真圖形如圖9(a)-圖9(d)所示，在圖9(a)中，0-0.1s是電網(wǎng)電壓正常幅值為440V，在0.1s時電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降，幅值降為354V，在0.2s時電網(wǎng)電壓有開始上升，幅值升為566V，從圖中可以看出，無論電網(wǎng)電壓發(fā)生下降還是上升，負(fù)載側(cè)的電壓始終保持恒定值，從而可證實(shí)該切換控制的有效性。

負(fù)載電壓的FFT分析如圖10所示，從圖中可以看出穩(wěn)壓時負(fù)載電壓的諧波畸變率為1.70％，完全符合控制系統(tǒng)的要求。

綜上，本發(fā)明直接從系統(tǒng)的穩(wěn)定性角度出法，提出了一種基于切換系統(tǒng)的控制方案，通過建立狀態(tài)空間方程，在李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)上，尋找適當(dāng)?shù)那袚Q規(guī)則，以期輸出電壓達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。仿真結(jié)果證實(shí)了切換控制策略的有效性。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。