CN101202447A - Svc特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了SVC特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置，采用基于模糊预测自适应控制算法对SVC系统的2次，5次，7次，11次，13次谐波进行预测，预测结果用以修正混合注入式有源滤波器HAPF的由负载电流前馈控制的PWM输出，控制HAPF输出与SVC特定次数谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流，达到滤波谐波，改善装置动态性能，提高系统稳定性的目的，实现了对电网无功和功率因数的优化控制，为电力系统提供了大量的动态无功储备，对于稳定母线电压，补偿输配电网的无功功率具有重要的作用，有效提高了电力系统的输电容量。

Description

SVC特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及电力系统静止无功补偿器和混合注入式有源滤波器的核心技术，特别是一种SVC特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置。

背景技术

本世纪70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，电网中的谐波污染愈加严重；同时，由于大多数电力电子装置的功率因数很低，也大大降低了电网的供电质量。因此，消除谐波污染、提高功率因数已经成为当前电力运行和生产部门的重大课题。有源滤波及无功补偿装置是属于灵活交流输电或柔性输电(Flexible AC Transmission System)的新一代电力产品，它的工作原理与传统的电力设备存在着本质上的不同。有源滤波及无功补偿装置是利用大功率电力电子器件(如IGBT、GTO)制造一个系统需要的电源，该电源可以产生与系统谐波反相的同样谐波来抵消系统中的谐波，也可以为电力系统提供需要补偿的无功电流，实现滤除谐波和无功补偿的目的。与传统的补偿方法相比，有源滤波及静止无功补偿装置可以实现感性无功到容性无功的补偿；可以实现根据系统对无功的需求，而基本做到“即时”调整，调整时间可小于0.01s。

目前，静止无功补偿器主要包括晶闸管控制电抗器TCR和晶闸管控制电容器TSC、晶闸管控制电抗器和固定电容器FC等结构形式。由于TCR发出的电流为非正弦，谐波含量较大，必须配套相应的滤波装置。传统的SVC滤波装置采用的是一组无源滤波器(PPF)组，它结构简单、成木低、技术成熟.但它最大的缺点是：滤波特性受电网阻抗的影响，可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振，不能对谐波实现动态补偿，有效材料消耗多，体积大。

有源滤波器APF具有良好的滤波特性，并且不会构成谐振。然而由于大功率可关断器件(GTR、GTO、IGBT)发展水平的限制，APF承担不了高电压、大容量的非线性负荷交流系统侧谐波抑制的要求。为了满足大容量非线性负荷的滤波要求.从上世纪90年代至今有些人提出了各种APF与PF混合的滤波结构，即混合有源电力滤波器HAPF。

而HAPF兼顾了两者的长处，初期投资小，性价比高，能满足高压大容量系统实用化的要求，是目前工程中非常具有应用前景的形式。然而对SVC和HAPF的联合运行，在研究和工程应用方面，还很少有人涉及，而且没有人提出一种方案涉及实现HAPF对SVC的发出的特定次数谐波进行抑制。其技术的难点在于解决HAPF滤波效果和系统动态性能之间存在矛盾，以及如何实现对SVC和HAPF的协调控制，避免两者控制器之间的交互影响，提高系统运行性能和稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种SVC特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置，能够实现对SVC装置快速、有效的谐波补偿，改善SVC的动态性能指标，提高SVC的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，利用HAPF采用模糊预测自适应控制算法消除SVC工作时产生的2次，5次，7次，11次，13次谐波，具体包括以下步骤：

a.将负载电流I_lh采用dq变换实现负载电流谐波与基波的分离，其中引入电源电压矢量SRF法检测同步旋转角。

b.参考基波电流分量，由SVC闭环多反馈PI调节器和非线性环节得到SVC控制输出；

b.由负载谐波电流，采用递推积分PI控制算法，得到HAPF输出量参考值；

c.将本周期负载的谐波电流与上一周期的谐波电流估计值相减得到控制输出谐波电流修正量ΔI_lh1；

d.参考本周期的SVC谐波电流输出，采用模糊预测自适应控制算法得到下一周期谐波输出修正系数ΔI_lh2；

e.把HAPF的输出量参考值与上述两个修正量ΔI_lh1和ΔI_lh2相加，得到其控制输出。

本发明中还包括实现SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置，在原有的SVC基础之上，增加了HAPF以及一套双DSP控制板，利用混合注入式有源滤波器HAPF对静止无功补偿器SVC发出2次，5次，7次，11次，13次谐波进行预测和滤波。其中混合注入式有源滤波器，由有源部分、输出滤波器、耦合变压器、基波串联谐振电路、无源滤波支路组成；所述混合注入式有源滤波器采用负载电流前馈控制策略，即I_APF(S)＝F(s)I_lh，I_lh为负载谐波电流。

其中静止无功补偿器SVC由机械投切电容器MSC和晶闸管控制电抗器TCR两个部分组成；通过对TCR触发角的控制，实现感性无功的连续调节；通过对MSC的投切控制，实现容性无功的间隔调节。

双DSP控制板由基于McBSP端口的双DSP互连构成。所述双DSP控制板由两块控制芯片(TMS320F2812)实现SVC和HAPF的协调控制，该控制板的功能包括对负载电压、电流六路信号进行高速、同步数据采集，滤波处理，基波、谐波计算，得到控制输出的参数，然后输出PWM控制信号，实现全双工的数据通讯，与SVC与HAPF实现数据交互，实现谐波电流的快速检测和计算，提高系统响应速度和数据处理能力。

综上所述，本发明所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法及实现所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置能够实现对SVC装置快速、有效的谐波补偿，改善SVC的动态性能指标，提高SVC的稳定性，实现了对电网无功和功率因数的优化控制，为电力系统提供了大量的动态无功储备，对于稳定母线电压，补偿输电网的无功功率具有重要的作用，有效提高了电力系统的输电容量。

附图说明

图1为本发明中实现所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置结构示意图；

图2为本发明中dq变换实现负载电流谐波与基波的分离原理示意图；

图3为本发明所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的流程图；

图4为本发明中模糊预测自适应控制算法结构框图；

图5为本发明中双DSP控制板的结构示意图。

具体实施方式

本发明实现所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置结构如图1所示。

SVC的电气接线为1组机械投切电容器MSC和1个晶闸管控制电抗器TCR支路。所有SVC支路都挂接于10kV母线上，10kV母线为两台主变压器的三次绕组，主变压器一次绕组为220kV输电线路的进线，主变压器的二次绕组为121kV输电线路的出线。这种接线方式使得SVC可以在相对较低的电压等级(10kV)下对更高等级(220kV)的整个输电线路进行动态无功补偿。

HAPF的电气接线为2次谐波谐振的无源滤波支路和基波串联谐振电路挂接在10kV母线上。以电压型逆变器作为主要的有源部分，采用基于智能IGBT模块的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。有源部分通过耦合变压器，再经过与电网2次谐波谐振的无源滤波支路接入电网。由于LC电路在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器只承受很小的基波电压，因此装置有效地克服了有源滤波器的容量限制，而对于高于基波频率的谐波分量，LC电路阻抗较大，有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，不会对有源部分的谐波输出产生严重影响。

参见图2为dq变换实现负载电流谐波与基波的分离原理，电源电压矢量SRF法检测同步旋转角原理如下：

对三相电源电压，负载电流进行abc-αβ变换，即

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

在αβ坐标系中，电流矢量i在电压矢量u上的投影为

$i_u=\left[\begin{array}{c}\frac{i_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}\·u_{\mathrm{\α}}\\ \frac{i_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}\·u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

在αβ坐标系变换的dq坐标系：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{u_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}& \frac{u_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ -\frac{u_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}& \frac{u_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\frac{i_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}\·u_{\mathrm{\α}}\\ \frac{i_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}\·u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

参见图3为本发明SVC特定次数谐波预测消除控制方法的实现流程图。

本发明所述的模糊预测自适应控制算法不需要辨识过程参数，只需在线检测过程实际输出及期望输出。若在k采样时刻，设y(k)为过程实际输出，ω(k)为过程的期望输出，z^-1为滞后算子。定义e(k)、Δe(k)、Δ₂e(k)为过程实际输出与期望输出的偏差、偏差变化率，偏差加速度，它们可以描述为

e(k)＝ω(k)-y(k)，

Δe(k)＝e(k)-e(k-1)＝(1-z^-1)e(k)

Δ₂e(k)＝Δe(k)-Δe(k-1)＝(1-2z^-1+z^-2)e(k)

自适应算法控制为：

u_a(k)＝g(k)[e(k)+2K(k)Δe(k)+2K²Δ₂e(k)]

其中g(k)为控制器增益；K(k)控制器参数。

图4为模糊预测自适应控制算法结构，K_e和K_Δe分别为e(k)和Δe(k)的量化因子；K_u为比例因子；e(k)和Δe(k)相应的语言变量E(k)和ΔE(k)为控制器输入；控制量ΔU(k)为输出变量。它们的模糊集和论域分别定义如下：

E(k)的模糊集为{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，ΔE(k)，ΔU(k)的模糊集均为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，E(k)，ΔE(k)，ΔU(k)的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，O，1，2，3，4，5，6}；模糊规则为：if E(k)＝A_iandΔE(k)＝B_j，thenΔU(k)＝Cl.其中A_i，B_j，C_l为E(k)，ΔE(k)，ΔU(k)相应的模糊集。

如果k时刻过程输出比期望输出小，并且过程输出有比期望输出值更小的趋势。那么，可以推断k-1时刻过程的输入太小，应增大k-1时刻控制器的输出。相反，如果k时刻过程输出值比期望输出值有更大的趋势，那么，可以推断k-1时刻过程的输入太大，应减小k-1时刻控制器的输出。用同样的分析方法可以得到其它逼近模式下控制量的模糊校正规则，如表1

ΔU(k)		E
									NB	NM	NS	O	PS	PM	PB
		ΔE	NB	PB	PB	PB	PB	PM								O	O
NM	PB								PB	PB	PB	PM	O	O
			NS	PM	PM	PM	PM	O							NS	NS
NO	PM								PM	PS	O	NS	NM	NM
			PO	PM	PM	PS	O	NS							NM	NM
PS	PS								PS	O	NM	NM	NM	NM
			PM	O	O	NM	NB	NB							NB	NB
PB	O								O	NM	NB	NB	NB	NB

表1模糊预测控制规则

用附表的模糊控制规则进行推理可以得出模糊控制器语言规则的输入、输出关系：

$u_a\left(k\right)=g\left(k\right)[e\left(k\right)+2K\left(k\right)\mathrm{\Δe}\left(k\right)+2K^2{\mathrm{\Δ}}_{2}e\left(k\right)]+K_u\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)C_l\left(\mathrm{\Δ}{U}_f\left(k\right)\right)/\underset{i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)$

由双DSP控制板实现SVC与HAPF控制器的并行计算和数据共享，实现两者的协调控制和系统优化工作。双DSP控制板采用独立的供电系统，通过光纤传输PWM控制信号，实现高低压电气隔离，由专用的脉冲触发装置控制晶闸管和绝缘栅双极晶体管IGBT，具体结构参见图5。

Claims (4)

1.一种SVC特定次数谐波预测消除控制方法，其特征在于，采用基于模糊预测自适应控制算法对SVC系统的2次，5次，7次，11次，13次谐波进行预测，预测结果用以修正混合注入式有源滤波器HAPF的由负载电流前馈控制的PWM输出，控制HAPF输出与SVC特定次数谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流，包括以下步骤：

a.将负载电流I_lh采用dq变换实现负载电流谐波与基波的分离，其中引入电源电压矢量SRF法检测同步旋转角。

b.参考基波电流分量，由SVC闭环多反馈PI调节器和非线性环节得到SVC控制输出；

b.由负载谐波电流，采用递推积分PI控制算法，得到HAPF输出量参考值；

c.将本周期负载的谐波电流与上一周期的谐波电流估计值相减得到控制输出谐波电流修正量ΔI_lh1；

d.参考本周期的SVC谐波电流输出，采用模糊预测自适应控制算法得到下一周期谐波输出修正系数ΔI_lh2；

e.把HAPF输出量参考值与上述两个修正量ΔI_lh1和ΔI_lh2相加，得到其控制输出。

2.实现如权利要求1所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置，包括静止无功补偿器SVC，其特征在于，还包括混合注入式有源滤波器HAPF以及一套双DSP控制板，其中静止无功补偿器由机械投切电容器MSC和晶闸管控制电抗器TCR两个部分组成；混合注入式有源滤波器由有源部分、输出滤波器、耦合变压器、基波串联谐振电路和无源滤波支路组成，双DSP控制板由基于McBSP端口的双DSP芯片互连构成。

3.根据权利要求2所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置，其特征在于，所述HAPF的电气接线为2次谐波谐振的无源滤波支路和基波串联谐振电路挂接在10kV母线上，以电压型逆变器作为有源部分，直流端为一个大容量电容，输出端接有输出滤波器，有源部分通过耦合变压器接入无源滤波支路；所述静止无功补偿器SVC的电气接线为MSC与TCR直接挂接在10kV母线。

4.根据权利要求2所述SVC特定次数谐波预测消除控制方法的装置，其特征在于，双DSP芯片均为芯片TMS320F2812。

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