【WORD格式论文底稿】基于渐变控制的 UPQC 能量最优化方法1

【WORD格式 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 底稿】基于渐变控制的 UPQC 能量最优化方法1 豆丁 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 与论文网:www.docin.com/week114 1 基于渐变控制的 UPQC 能量最优化方法 周海亮，万健如，阮庆军 天津大学电气与自动化 学院，天津 (300072) 工程 E-mail:294418191@qq.com 摘 要:统一电能质量调节器(UPQC)作为一种新型的电能质量改善装置，可对电压、电 流质量问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行综合补偿治理。为减小装置体积、降低成本，本文对典型的带相位跳变的电 压跌落和三相整流桥负载情况下的能量最优化进行了研究。通过对补偿电压相位的调整控制 和对目标电流函数幅值及相位的控制，使得负载平均有功功率完全由电网提供，且 UPQC 与电网之间的有功交换最小化。同时，为防止在补偿过程中负载电压波形出现断续而提出一 种渐变控制方法。仿真结果证实了本文所提方法的有效性和可行性。 关键词:统一电能质量调节器;电压补偿;电流补偿;能量最优化;渐变控制 中图分类号:TM714 1(引言 统一电能质量调节器(UPQC)作为一种新型的电能质量改善装置，兼顾了电力有源滤 波器和动态电压恢复器的功能，能综合进行电压跌落、陡升、三相不平衡补偿、电流谐波补 偿和无功补偿，保证负载端电压为标准等级和恒定频率的纯正弦波，保证电网侧电流为与电 网电压同相位的纯正弦波。因功能丰富已成为电能质量研究领域的一个新热点。 uu, iu, i casa sa la la u, iu, i sb sb lb lb u, iu, i sc sc lc lc i ca 图 1 UPQC 典型拓扑结构 Fig.1 The structure of UPQC UPQC典型的主电路拓扑结构如图1所示，右侧串联部分为电压补偿单元，用于改善各 种电压质量问题;左侧并联部分为电流补偿单元，用于改善电流质量问题;中间部分为直流 母线，构成连接左右两电压型PWM变流器的直流环节。为提高装置补偿效率、减小贮能单 元容量来降低装置体积及成本，本文选择典型的伴随有相位跳变的电压跌落问题和三相整流 桥带阻感负载引起的电流谐波问题作为研究对象，通过对装置内部能量流动 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，基于瞬时 无功功率理论，对电压和电流部分分别讨论，提出了实现能量最优化的方法。此外，针对补 偿过程中可能出现的电压波形断续问题，提出了一种渐变控制方法。最后，本文对所提方法 进行了仿真验证。 2(电压补偿单元能量最优化分析 在电网电压发生跌落后，补偿的主要目的是将负载端电压幅值补偿到跌落前的水平，而 采用不同的控制策略[1-5]，电压的相位会发生不同的变化，因负载功率因数恒定，故可通过 调整补偿电压的方向，使其与负载电流相作用的有功功率最小化来实现电压补偿单元的能量 1本课题得到国家自然科学基金项目(项目编号:60874077);高等学校博士学科点专项科研基金(项目编 号:20060056054)的资助。 -1 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 最优化控制。 假设U 为跌落前电网电压;U 为跌落后电网电压;U 为负载端电压;I 为负载电流; S1 S2 L L U为补偿电压;为负载功率因数角，δ 为电压跌落时伴随的相位跳变角;α 为能量最优? C rot 化前后负载电压的夹角，称旋转角。规定各矢量逆时针旋转为正，顺时针旋转为负。为分析 为半径作圆，记为C; 1 问题方便，假定U 静止，U 旋转，且U = U 。以 为圆心， U O L S2 S1 L L ′ ′ 以 O为原点，以 U 为半径作圆，记为C;定义经 O点与 I 同向的坐标轴为 P 轴，经 O 与S2 2 L I 正交的坐标轴为Q 轴;定义 P为电压补偿单元输出的有功功率;P为电网直接供给负载L V SL 的有功功率; P为负载消耗的有功功率，假设三相平衡，根据定义有: L (1) P= 3U I cos ? L L L (2) P= 3U I cos( ? + δ + α )SL S 2 L rot 根据有功能量平衡知: (3) P+ P= PSL V L 由式(1)(2)(3)得: (4) P= 3U I cos ? ?3U I cos( ? + δ + α )L L S 2 L rot V 由式(4)知， P是关于α 的余弦函数。因 I 恒定，故其大小反映在补偿电压在负载电流V rot L 上的投影。定义 U S2= U cos ? 为电压跌落深浅的临界值，下面分两种情况进行讨论: L (1)当 U S2 ? U cos ? (电压跌落较深)时，Q 轴与C相交于 A 、 B 点，如图 2 所示:L 2 据 P定义，结合图 2，当U 旋转至 A 或 B 点时，电压补偿单元输出有功皆为零，但 A V S2 点所对应的补偿电压幅值低，故应控制U 旋转至 A 点。而U 落于 Q 轴左侧或右侧决定了S2 S2 电压补偿单元将输出有功的正负。令 P= 0 ，据式(4)得: C U cos ? L (5) α = arccos( ) ? δ ? ?rot U S2 (2)当 U S2 < U cos ? (电压跌落较浅)时，Q 轴与C无交点，如图 3 所示:L 2 Q Q Q O US1 OU LUS1 O U CU C U U S1 S2 U Cααoptrot U US2 S2 O′C αI1 O′ α rot L Crot I C LO′ I1 αopt P 1 L P PC C 2 2 图 4 相对旋转关系 图 2 U 图 3 U S2S2? U cos ? 时的α < U cos ? 时的α L L rotrot Fig.2 Fig.3 when α when? U cos α < U cos ? Fig.4 relative rotating relation graphU U S2S2rot L rotL ? 由于U 旋转轨迹落在Q 轴左侧，故 UPQC 必定释放一定量值的有功功率，但当U 旋S2 S2 转至 于 I 同 向 时 ， 电 压 补 偿 单元输 出有功 将最 小。 据式 ( 4 )， 令 L rot rot -2 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 ?α|= 3UIsin( ? + δ + α) |= 0 ，得?Prot α =0 S 2 L rot α =0 V -3 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 (6) α = ?δ ? ? rot 综上，可通过旋转U (改变α )来控制U ，使电压补偿单元提供最小的有功功率来S2 rot C 实现电网直接提供给负载的有功功率最大化，从而优化电压补偿单元与直流侧的能量交换。 由于实际中U 为静止量，且将U 控制为目标电压量，据的相对旋转关系得到的电压 S2 L 动态补偿的能量最优角α 为: opt (7) α = ?α opt rot 图 4 显示了U 与U 的相对变化关系。其中，实线代表实际情况下的旋转补偿状况， S2 L 虚线代表假定条件下的旋转补偿关系。 3(电压补偿量目标函数 3.1 跌落前 A 相电网电压基波分量的提取 假设跌落前三相电网电压为: ?? ? 2 U sin( nωt + φ) ?S1n n ?? n =1 ?? u??s1a ? ? ? ? ? 3 ) + φ) u= 2 U sin( n( ωt ? 2π n ?S 1n ?s1b ? (8) ?? 2 U sin( n( ωt + 2πS1n n =1 ? ?? ? u? ?s1c ? ? ? 3 ) + φ) ?n ?? ? ? n =1 根据瞬时无功功率理论，对上式作同步坐标变换，并经LPF滤波得: ? ?u??3U cos φs1 P S11 1 = (9)? ?? ? us1 q ?3U sin φ??? S11 1? 式中，U 、φ分别为跌落前 A 相电网电压基波正序分量的有效值和初相角，由式(9)得:S 11 1 32 2 (10) u U =+u s 1P s 1q S11 3 u s1q (11)φ = arctan( ) 1u s 1P 3.2 相位跳变角的计算 对跌落后的电网电压进行如 3.1 中的同步坐标变换，并经 LPF 滤波得: ? ?u??3U cos( φ+ δ ) s2 P S 21 1 = (12)? ?? ? us2 q ?3U sin( φ+ δ )? ?? S21 1 ? 据式(11)和(12)得相位跳变角为:δ uus2 q s 1q (13) δ = arctan( ) ?ar ctan( ) uus2 P s 1P -4 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 3.3 渐变式控制补偿方法 为避免在补偿开始时相位的变化可能引起敏感负载波形的断续，故采用一种渐变式的补 -5 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 偿控制方法，即在补偿过程中控制补偿角以一定斜率从零开始逐渐增大直至达到最优控制角而进入稳定补偿状态。这样负载电压相位不会发生瞬间突变，从而保证电网电压跌落前后负 载电压波形的连续性。 ?Δf 补偿控制角变化过渡过程如图 5 所示。假设敏感负载对频率要求的容许范围为 ，则 应满足:斜率 K K < 2 π Δ f (14) α αopt K o tt t01 图 5 α (t ) 变化曲线 Fig.5 curve α (t ) 假设t时刻跌落发生，则补偿控制角确定为: 0 ? 0 t ? t 0 ?α ( t ) = K ( t ? t)< t ? t(15) ? 0 0 t? 1 α t > t op t 1? 综上，在确定电压幅值和相位信息后，三相电压确立为: * ? ?2U s i n [ ω t + φ+ α ( t ) ] ? ?u S1 1 1 la ??? ? * (16) 2U s i n [ ω t + φ ? 2 π3 + α ( t ) ] ?u = ? ? ? lb S 1 1 1 ?? ? ? * u + 2π2U s i n [ ω t + φ 3 + α ( t )] lc ? ?S1 1 1 由三相电压补偿量目标函数与跌落后的电压做差即可得到 UPQC 需提供的补偿电压指令。 4(电流补偿单元能量最优化分析 电流补偿单元能量最优化的目标就是控制补偿过程中负载的平均有功功率完全由电网 电源提供，而 UPQC 不提供或者消耗任何平均有功功率。 假设三相电流补偿目标函数形式为: * ??sin( ωt + ?)2 Ι?? i S 1 ?? ? ? (17)* i = ? 2 Ι sin( ωt ?2 π 3 + ? )? sa ? ? sb S 1 ??* ??i 2 Ι sin( ωt + 2π 3 + ? ) sc S 1? ? 其中，要求电源电流相位始终与电网电压同相位。 定义 P 为电网提供的总有功功率;P 为电流补偿单元吸收的有功功率;P 为维持直流S A dc -6 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 侧电容电压稳定而交换的有功功率。据有功功率平衡原理，有: (18) P= P+ P+ PS SL A dc -7 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 可见，在控制电流补偿单元平均有功功率为零后，电网电源提供的有功一部分直接用于 负载消耗，设对应为 P ;另一部分用于维持直流侧电容电压恒定，设对应为 P 。采用渐变S1 S2 控制后有: (19) P= 3UI = P= 3U Icos[? + δ ? S1 S 2 S1 SL S 2 L α( t )] 由式(19)求得: (20) I = Icos[? + δ ? α( t )]S1 L 对直流侧电容电压的控制采用 PI 调节，即将其指令值和实测值的差经 PI 调节器后得到 叠加到瞬时有功电流的直流分量上，根据瞬时无功功率相关理论，有: 的调节信号 ΔI P (21) I =33Δ I S2 P 据式(20)和(21)得目标函数的幅值信息为: cos[ I = I ? + δ ?α ( t )] (22) 3 ΔI 3S L P + 在得到相位和幅值的综合信息后，将式(22)代入式(17)便确立了电流补偿的目标函数。 其与负载电流做差便得到补偿电流的指令值。 5 仿真结果及分析 采用 Matlab 中的 Simulink 仿真软件对以上所述 UPQC 的能量最优化进行仿真验证，模 型 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 如下: 电网电源采用三相可编程电源，其内阻和线路电阻值设为1 Ω ，线路电感设为0.1mH; 非线性负载采用三相整流模块桥接大小为30 Ω 的电阻，功率因数设为0.6;补偿变压器变比 K 为1:1; 取为3;补偿电抗为3mH，滤波电容为0.68uF;直流侧电容稳定值为952V;电网电压初始有效值为220V,频率50Hz，0.04s时跌落发生，伴随30?相位跳变，0.24s时跌落结 束。仿真时间为0~0.28s。 -8 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 图6 U S2? U cos ? 时仿真结果 图7< U cos ? 时仿真结果 U L L S2 Fig.6 Simulation results when U Fig.7 Simulation results when ? U cos < U cos ?U S2S2L L ? 图6为电网电压有效值跌至180V时( U ? U cos ? )的仿真结果。从图中的各仿真波 S2L 形可以看出，在补偿开始阶段，三相旋转补偿角α (t ) 顺时针由零逐渐增大，最后达到稳定， 此时进入到稳定补偿阶段;同时，随着α (t ) 的变化，补偿电压和负载电流的幅值都缓慢变 化直至稳定;P的变化过程说明在补偿过程中，UPQC发出的有功功率逐渐减小直至达到零 V 有功输出。 图7为电网电压有效值跌至140V 时( U < U cos ? )的仿真结果，图中各仿真波形显S2L 示了随着补偿的进行，三相旋转补偿角α (t ) 逆时针由零逐渐增大，最后达到稳定;补偿电 压和负载电流的幅值亦随着 α (t ) 的逐渐变化而变化直至稳定; P的变化过程说明UPQC发 V 出的有功功率在逐渐减小，但是没有达到零有功输出，这也验证了在电网电压跌落程度不同时UPQC有功功率输出之间的区别。 总之，图6和图7显示了各量随α (t ) 逐渐变化直至稳定的过渡过程;电网电压和补偿后 负载电压之间的相位的缓慢变化过程缓和了负载对频率变化的敏感性，进而体现了维持负载 电压波形连续性;电源电流对电源电压相位进行了准确的跟踪，且其幅值亦随着能量流动的 大小而变化;图中各单元有功功率的变化情况充分说明了能量最优化的显著效果。 6 结语 本文针对 UPQC 用于解决典型的伴随有相位跳变的电网电压跌落和非线性负载引起的 电网电流畸变等电能质量问题时的能量优化问题展开讨论，提出一种渐变式的能量最优化方 法，通过对 UPQC、电网和负载之间能量流动情况的分析，分别对电压和电流补偿单元采用 不同的控制策略，确立补偿量目标函数，使得在补偿过程中电流补偿单元吸收的有功始终保 -9 - 豆丁标准与论文网:www.docin.com/week114 持为零，电压补偿单元输出的有功逐步减小直至最优程度，从而实现整个 UPQC 的能量最 优。仿真结果表明了本文提出的渐变式能量最优化方法的有效性和可行性。但是，本文仅仅 考虑了三相电压对称平衡情况下 UPQC 能量的最优化，今后可进一步由三相对称情况向三 相非对称情况展开拓展研究。 参考文献 [1] Ramachandaramurthy V K, Arulampalam A, Fitzer C, et al. 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IEEE TRANS ACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 23, NO. 4, OCTOBER 2008:2513-2520 Research on UPQC energy optimization method based on gradient control Zhou Hailiang, Wan Jianru, Ruan Qingjun School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin (300072) Abstract As a new type of power quality improvement devices, UPQC can deal with voltage and current quality problems synchronously. In order to minimize unit volume and lower costs, this paper has researched on a typical voltage drop with phase jump and three-phase rectifier load conditions to optimize the energy. Through the adjustment to phase voltage compensated control and current function on the target amplitude and phase control, the load average active power is provided entirely by the power grid and the active power of UPQC is minimized exchange between it and the grid. At the same time, in order to prevent the voltage waveform interruption of load, a gradient control method is proposed. Simulation results confirm the validity and feasibility of the method. Keywords: UPQC, voltage compensation, current compensation, energy optimization, gradient control 作者简介: 周海亮 男，1985 年生，博士研究生，主要研究方向为电能质量。 万健如 男，1950 年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子与电力传动，电能 质量和电磁兼容。 阮庆军 男，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向是电能质量。 -10 -