Fuzzy Logic Controller Implementation of Power Quality Improvement Using UPQC

This paper presents a gross examination about Unified Power Quality Conditioner (UPQC) to invigorate the power issues at the distribution level of the electrical system. Nowadays power electronics research has added the importance of power quality studies, for concrete illustration, Custom Power Devices (CPD) and Flexible AC Transmission position (FACTS) devices. The approach offered in this paper utilizes the series and shunt compensator of Unified Power Quality Conditioner (UPQC) to inject a compensation voltage in-phase with the source current over voltage fluctuations. The execution of two structures of UPQC, left-shunt (L-UPQC) and right-shunt (R-UPQC) are investigated under diverse operating conditions based on the fuzzy logic controller to raise the value of power quality of a single feeder distribution system by MATLAB/Simulink programming. Various power quality issues have been analyzed in this study. Finally, the right shunt UPQC is outperformed in this proposed power system.

非隔离单相半桥UPQC直流纹波分析及其影响抑制

非隔离单相半桥统一电能质量调节器(UPQC)两侧变换器的脉动功率差将在直流电容及分电容上产生复杂的多倍频电压纹波,各次电压纹波会对串联侧变换器的补偿电压有不同的影响,降低串联侧变换器的补偿效果。为了抑制直流电压纹波影响,利用等效电容电流模型计算直流电容电压表达式,分析直流纹波及非线性负载对补偿电压的影响路径,并仿真验证其正确性。针对分电容电压纹波和非线性负载对电压补偿效果的影响,提出一种抑制多倍频纹波影响的补偿电压特定次谐波控制策略。最后,基于SiC器件建立了非隔离单相半桥UPQC实验平台进行实验验证,实验结果表明在非线性工况下,所提控制策略将补偿电压THD从12.2%降低至2.4%,相比于传统控制可以减少约70%的直流电容需求。

Intelligent Controller for UPQC Using Combined Neural Network

The Unified Power Quality Conditioner (UPQC) plays an important role in the constrained delivery of electrical power from the source to an isolated pool of load or from a source to the grid. The proposed system can compensate voltage sag/swell, reactive power compensation and harmonics in the linear and nonlinear loads. In this work, the off line drained data from conventional fuzzy logic controller. A novel control system with a Combined Neural Network (CNN) is used instead of the traditionally four fuzzy logic controllers. The performance of combined neural network controller compared with Proportional Integral (PI) controller and Fuzzy Logic Controller (FLC). The system performance is also verified experimentally.

基于五桥臂MMC-UPQC的复合模型预测控制研究

针对模块化多电平统一电能质量调节器(modular multilevel unified power quality conditioner, MMC-UPQC)六桥臂结构下的单相桥臂故障问题,提出了一种五桥臂拓扑,这种新型拓扑可实现故障情况下的电能质量补偿。首先,对MMC-UPQC串并联侧的数学模型进行分析,提出了一种复合模型预测控制(hybrid model predictive control,H-MPC),所提控制方法结合了有限集模型预测控制(finite-control-set model predictive control, FCS-MPC)以及快速模型预测控制(fast model predictive control, F-MPC)。然后,通过构建两侧独立的价值函数减少了控制方法的计算量,同时也实现了五桥臂解耦控制。最后,相比传统线性(例如PI)和非线性(例如无源控制passivity-based control,PBC)的控制策略,所提复合模型预测控制在电压补偿、负序电压抑制以及谐波电流补偿等方面具有一定优势,并在一定程度上避免了复杂的参数整定及坐标变化环节。仿真实验结果证明了所提控制方法的可行性和优越性。

面向脉冲负载的基于超级电容储能UPQC设计及控制策略研究

针对带有脉冲负载电网的电压畸变和电流畸变问题,设计了带有超级电容储能的三电平统一电能质量调节器,提出了基于人工神经网络的方法对串联和并联补偿单元进行控制,基于双闭环PI控制的方法对超级电容储能单元进行控制。其中,串联补偿单元进行电压补偿,以维持负载电压的稳定,保证负载的用电需求;并联补偿单元进行电流补偿,以维持电源电流的稳定,避免电网受到持续大幅冲击;超级电容储能单元对直流侧进行充放电,以维持直流侧电压的恒定,保证串、并联侧的正常工作。所提方法省去了繁琐的坐标变换过程,避免了多个滤波器造成相位滞后的问题。仿真实验结果表明,所提拓扑和控制策略有助于改善带有脉冲负载电网的电能质量。

基于有限集模型预测控制的UPQC预测直接控制策略

针对统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)线性控制算法中存在的控制结构复杂、控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的UPQC预测直接控制策略。在分析UPQC直接控制系统构成基础上,基于FCS-MPC基本原理,实现了同步旋转坐标系下UPQC的有限集模型预测直接控制系统建模,有效简化了控制器结构,降低了控制算法的复杂度;基于UPQC系统有功功率平衡以及负载基波电压幅值恒定原控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有则,建立了适用于UPQC串联侧与并联侧预测直接控制策略的给定值产生机制;最后,采用Matlab/Simulink仿真软件将所提控制策略与传统线性控制算法进行了对比仿真,并基于DSP (digital signal processor)(10)FPGA (field programmable gate array)(10)TYPHOON HIL402实验平台进行了实验验证,仿真与实验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

不平衡电网电压下MMC-UPQC的Lyapunov函数控制方法

统一电能质量控制器(UPQC)结合模块化多电平换流器(MMC)而成的MMC-UPQC系统能够解决高压下电能质量问题,但目前MMC-UPQC常用PID等线性控制来补偿电流和电压,但因MMC-UPQC为非线性、多变量对象,因此,PID等线性控制难以得到满意的补偿效果。为此,提出将非线性Lyapunov函数控制用于MMC-UPQC电流和电压的补偿控制。首先,对不平衡电网下MMC-UPQC进行数学建模;接着,对不平衡电网下MMC-UPQC的电气量进行正负序分离;然后,将提出的Lyapunov函数控制用于不平衡电网下MMC-UPQC的电能质量补偿,并证明了Lyapunov函数控制系统的稳定性,推出了Lyapunov函数控制增益的稳定范围;最后,在仿真系统平台上对Lyapunov函数控制和传统PID控制两种方法进行仿真实验比较,仿真结果验证了Lyapunov函数控制方法能够更好地补偿MMC-UPQC电流和电压的电能质量。

非理想电网电压下MMC-UPQC的PBC-SMC控制策略研究

针对非理想电网电压时模块化多电平换流器(MMC)和统一电能质量控制器(UPQC)组合而成的MMC-UPQC,采用单一的PID控制、无源性控制(PBC)、滑模控制(SMC)的电能质量不够理想问题,提出了PBC与SMC组合的无源性滑模控制(PBC-SMC)策略来提高电能质量。首先,推导出电网电压不平衡时MMC-UPQC的总体数学模型,并对电压与电流进行正序与负序分离;然后,针对当前单一的控制方法的补偿效果存在的问题,提出了MMC-UPQC的PBC-SMC控制策略来提高电压电流电能质量;最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制策略的正确性和可行性,基于PBC-SMC控制的MMC-UPQC系统能够很好地补偿电压电流,提升电能质量,且相比于PID和PBC控制,还有抗扰性更强、精确度更高、响应更快特点。

UPQC的非线性PI-模型预测控制策略

由于统一电能质量调节器(unified power quality conditioner, UPQC)系统复杂性高,使得其控制难度大并且动静态性能不理想。为了进一步提高UPQC的控制性能,提出了基于非线性比例积分(proportional-integral, PI)与模型预测控制(model predictive control, MPC)的混合控制策略。UPQC的混合控制策略中电压外环采用非线性PI控制器来获取更加准确的期望电流,有效地抑制了静态误差;采用模型预测控制来设计电流内环控制器,使得内环电流能更好地跟踪期望值,UPQC系统的鲁棒性更强。计算机仿真结果表明,该控制策略有效提升了UPQC动静态性能,与PI-MPC及PI-PI控制策略相比,当电网电压发生谐波污染、电压突增、电压突降时可获得更接近正弦的负载电压,当负载电流发生突变时可获得更接近正弦的电网电流。

一种新型无差拍UPQC预测直接控制策略

针对统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)传统线性控制算法中存在多个PI控制器及PWM调制环节,导致系统参数整定困难、结构复杂的问题,提出一种新型无差拍UPQC预测直接控制策略。推导并建立同步旋转坐标系下UPQC串、并联侧预测直接控制模型;基于无差拍控制原理与有功功率平衡原则构建了串联侧给定电流产生机制,实现了直流侧电压的无差拍控制和网侧电流的预测直接控制;基于无差拍控制原理与负载侧电压恒定原则构建了并联侧给定电流产生机制,实现了负载侧电压的无差拍预测直接控制。仿真与实验分析结果表明,所提算法无PI和PWM调制环节,有效简化了控制系统结构,并提高了系统的动态性能及补偿效果。

Unified power quality conditioner based on a three-level NPC inverter using fuzzy control techniques for all voltage disturbances compensation

This paper presents a novel and efficient control scheme for unified power quality conditioner （UPQC） based on three-level neutral point clamped （NPC） inverter using fuzzy logic techniques. The proposed UPQC is capable of mitigating source current harmonics and compensate all voltage disturbances such as voltage sags, swells, unbalances and harmonics. It is designed by the integration of series and shunt active filters （AFs） sharing a common DC bus capacitor. The DC voltage is maintained constant using proportional integral voltage controller. The synchronous reference frame （SRF） theory is used to get the reference signals for shunt active power filters （APFs） and the power reactive theory （p-q theory） for series APFs. The shunt and series APF reference signals derived from the control algorithm and sensed signals are injected in two controllers to generate switching signals. To improve the UPQC capability, fuzzy logic techniques are introduced to control the series APF. The performances of the proposed UPQC system are evaluated in terms of power factor correction, mitigation of voltage or current harmonics and all other voltage disturbances compensation using Matlab-Simulink software and SimPowerSystem toolbox. The simulation results illustrate the performance of the proposed UPQC at the common connection point of the nonlinear load to improve the power energy quality.

Comprehensive control for unified power quality conditioners

This paper presents a comprehensive control strategy for unified power quality conditioners(UPQCs) to compensate for both voltage and current quality problems.The controllers for the series and shunt components of the UPQC are, equally, divided into three blocks: à main controller, which deals with the fundamental-frequency issues such as active and reactive power flow;` harmonic controller, which ensures zero-error tracking while compensating voltage and current harmonics;′ the set-point generation block, which handles the different control objectives of the UPQC. The controller design procedure has been simplified to the selection of three parameters for each converter. Furthermore, the proposed strategy can be implemented measuring only four variables, which represents a reasonable number of sensors. In addition, a pulse width modulation(PWM)-based modulation with fixed switching frequency is used for both converters. The proposed control strategy has been validated experimentally under different conditions, including grid-frequency variations.

UPQC直流储能单元的APFC控制技术

统一电能质量控制器(UPQC)是用户电力技术中的新兴装置,它能统一实现多重电能质量调节功能。系统地介绍了UPQC的综合补偿功能,并给出了一种典型的UPQC拓扑结构。为了进一步提高UPQC的性能,将有源功率因数校正(APFC)技术引入UPQC直流储能单元的直流电容电压控制,详细阐述了其工作原理,并给出了仿真实验结果。APFC技术用于UPQC的直流储能单元中是完全可行的,它使UPQC的性能更完善。

基于超级电容器储能的UPQC工作条件及控制策略

为处理常规统一电能质量调节器(UPQC)难以解决的电源瞬时中断或电压暂降较深的问题,提出利用超级电容器储能系统(SESS)构成UPQC的直流储能单元。针对基于SESS的UPQC拓扑结构,研究UPQC单元优化配置的影响因素和目标函数,得出UPQC系统级功率流协调控制的最佳工作条件;分析SESS的主电路结构特点和性能,确定储能单元的容量和SESS控制策略;根据UPQC串、并联变流器的工作要求,提出基于PI控制和重复控制的UPQC单元级控制策略。仿真与实验分析结果表明,所提出的拓扑结构和控制策略在达到电能质量治理目标的同时,实现了UPQC串、并联变流器以及SESS协调控制。

UPQC切换运行模式的小信号分析及协调控制策略

针对统一电能质量调节器(UPQC)切换运行模式时引起的小扰动稳定性及动态交互影响问题,建立了包括串、并联变流器控制在内的小信号模型,对比分析了串、并联变流器独立运行以及联合运行时的稳定性及动态性能,并以特征根灵敏度的方法研究了控制参数、负荷等因素与UPQC运行模式切换时的小扰动稳定性的关联机理。该结论可为UPQC的参数设计提供部分参考依据,其后提出了可减少串并联变流器与电网之间能量交换、提高串联变流器利用率的新型功率流协调控制策略。时域仿真证实了相关结论的有效性及协调控制策略的可行性。

基于H_∞控制理论的UPQC串并联单元协调控制的实现

统一电能质量控制器(UPQC)集电压型补偿装置、电流型补偿装置和储能装置于一体,统一实现多重电能质量调节功能。为了提高UPQC的综合控制性能,该文采用先进的H∞控制理论对UPQC的广义被控系统进行了深入研究,并给出了其H∞控制器的Riccati求解方法。剖析了UPQC的串联单元、并联单元之间耦合影响的根本原因,进而提出一种基于H∞控制的UPQC协调控制器的设计方法。实验结果表明所提方法可使UPQC同时实现串联单元的电压跟踪补偿和并联单元的电流跟踪补偿,并且均无稳态相位偏移和幅值衰减。从根本上消除了串联、并联单元之间的耦合影响,实现了UPQC的多重电能质量统一协调控制功能。

UPQC的双向多功能补偿特性及其实验研究

随着电网中越来越多非线性负载的投入使用,电能质量问题日益严重。本文研究了基于双变流器结构的通用电能质量控制器,它具有能对来自电网侧和来自负载侧两个方向上的多种电能质量问题进行补偿的特性。文章对其系统结构、工作原理及实现双向多种补偿功能的控制方法进行了探讨和分析,并通过充分的实验分析,验证了该电能质量控制器双向多种补偿功能的单独运行和同时实现。

基于定有功电流限值控制的MMC型UPQC协调控制方法

对电压暂降期间MMC型UPQC串联侧补偿能力进行深入的理论分析。首先给出MMC型UPQC的工作原理,推导出暂降补偿幅值、补偿持续时间、主回路电气量及MMC参数之间关系的时域表达式;进而提出一种针对容量确定情况下UPQC串联侧过电流问题的协调控制设计方法,在传统定直流电压控制的基础上提出定有功电流限值控制;定义了划分MMC型UPQC处于上述两种控制状态的电压暂降临界值并给出数值计算表达式;最后PSCAD/EMTDC下的系统仿真结果验证了理论分析的正确性。仿真结果也表明,与传统协调控制方法相比,该文提出的协调控制方法可明显提高电压暂降的补偿幅值和持续时间。

基于EL模型的NPC-UPQC混合无源控制方法

在传统两电平统一电能质量调节器的基础上,采用三电平二极管箝位型逆变器代替三相桥式逆变器,构成二极管箝位型统一电能质量调节器的主电路。针对基于瞬时无功功率理论的二极管箝位型统一电能质量调节器补偿量检测方法中使用锁相环所带来的误差,提出无锁相环的基于电网工频时钟的dq0检测法,对电压和电流畸变分量分别进行实时检测。为提高二极管箝位型统一电能质量调节器的控制性能,建立并分析了二极管箝位型统一电能质量调节器的欧拉-拉格朗日模型,基于该模型与二极管箝位型统一电能质量调节器的无源性,设计了混合无源控制器。利用提出的补偿量检测方法和混合无源控制器,可有效补偿电压或电流,使负载电压或电源电流为近似正弦波。利用Matlab/Simulink软件搭建二极管箝位型统一电能质量调节器的仿真模型,对二极管箝位型统一电能质量调节器的补偿性能进行了仿真研究,并对实验结果进行了分析。仿真结果验证了本文提出的检测方法及混合无源控制策略的有效性。

基于无功功率流的UPQC协调控制策略

针对统一电能质量调节器UPQC常规控制中,其串并联变流器功能相对独立、利用率低的问题,提出基于无功功率流的UPQC协调控制策略。应用所设计的UPQC系统结构,协调分配UP-QC串并联变流器的无功功率输出,控制串联变流器输出电压向量垂直相应的电流向量,控制并联变流器输出电流向量垂直相应的电压向量,有效消除了有功环流的影响。特别针对电网侧没有电能质量问题时,控制串联变流器继续输出无功功率,充分发挥两变流器的无功补偿功能。理论推导UPQC系统功率流的关系,并仿真实验分析提出的控制策略,结果表明该控制策略解决电能质量问题的同时,实现了UPQC串并联变流器功率的合理分配。