CN102324746A - 一种基于自抗扰控制技术的高压链式statcom功率单元模块直流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，链式STATCOM直流侧电容相互独立，运行过程中个体单元模块存在直流电容损耗差异、开关损耗差异以及驱动脉冲延迟时间差异等，链式STATCOM每个单元模块直流电容电压不平衡存在差异，影响装置输出电压和输出电流中的谐波含量，甚至危及到装置正常安全运行，本发明方法自抗扰控制器无需判别瞬时电流方向，参数设置准确后，扰动量中包含有功波动的有功分量，自抗扰控制器中因为跟踪微分器与非线性控制器的存在，可以做到响应速度快同时单元直流电容电压无过冲现象。

Description

一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，主要是指一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，属于电气自动化设备技术领域。

背景技术

链式换流器也称为H桥串联换流器，该换流器由多个单相H桥换流器(也可称为单元功率模块)的交流输出串联而成，可广泛应用于各种变流装置中，如高压变频调速器(MVD)、新型静止同步补偿器(STATCOM)、新能源发电逆变器、动态电压恢复期(DVR)、有源滤波器(APF)等。

采用链式换流器的新型静止同步补偿器(STATCOM)又称为链式静止同步补偿器，其单个H桥换流器又称为链节。当链式同步补偿器直接输出6KV以上的高电压时，由于单个功率开关器件的耐压限制，链式换流器每相需要较多的链节串联，这样控制器要求输出的脉冲数及需要监控的链节数也较多。

高压链式STATCOM通过增加链节及链节过电流能力提高无功发生装置的耐压能力及容量，采用低压小电流的开关管来实现高压大容量输出。高压链式STATCOM所有链节拓扑结构完全相同，便于模块化设计和扩展装置容量，便于系统后期维护以及可以设置冗余链节、提高系统的故障运行能力。高压链式结构STATCOM的主要缺点之一是其功率单元模块直流侧电容电压不平衡，不做控制的各个功率单元模块电压值不相等。功率单元模块直流母线电压不平衡将影响装置输出电压和输出电流中的谐波含量(THD)，严重时危及到设备的正常安全运行。由于高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压与多个参量呈高阶、非线性、强耦合关系以及参数不确定性问题，传统的线性反馈及低阶次反馈控制(如PI控制)无法取得满意的控制效果，因此需要有一种稳定可靠、实时性好、动态响应快的控制器对链式STATCOM功率单元模块直流母线电容电压进行平衡控制。

自抗扰控制技术是对一类不确定系统的控制有较好的适应性和鲁棒性的先进控制理论。它对内外扰动有较强的抗扰能力，因其可操作性强且性能优良，已成为控制领域中活跃的研究方向。自抗扰控制技术可以对系统模型中不确定因素和外部干扰进行动态观测，使系统对扰动有很好的适应性。高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制系统中，由于模块各种并联损耗及控制PWM脉冲的硬体延迟差异，容易导致各功率单元模块直流母线电压不一致，可以将各种并联损耗及控制PWM脉冲的硬体延迟差异作为功率单元模块直流母线电压控制模型作为系统的未知干扰，利用扩张状态观测器进行补偿，从而达到各模块直流母线电压一致(等于给定电压)的目的。

链式STATCOM直流侧电容相互独立，运行过程中个体单元模块存在直流电容损耗差异、开关损耗差异以及驱动脉冲延迟时间差异等，链式STATCOM每个单元模块直流电容电压不平衡存在差异。影响装置输出电压和输出电流中的谐波含量，甚至危及到装置正常安全运行。由于实际电路中开关器件、电容及分布参数等无法改变，所以只能通过改变链节吸收的有功的方法来实现直流电容电压平衡。

具体实施通过改变链节输出电压的大小和方向，即对应到链节控制器输出的调制比和移相角。直流电容电压平衡控制采用分层的控制结构，即由上层控制完成链节总的有功和无功的控制，包括解耦控制、分相控制和非线性控制。

功率单元模块直流母线电压平衡控制在A、B、C三相输出电压参考值的基础上，将总的输出电压具体分配到每个模块，并根据每个模块自身直流母线电压的情况分别作出微调，以保证同一相内各个模块直流电压保持一致。图1中udcxy表示任意模块直流母线电压的测量值，经过低通滤波以后(通常取半个工频周期内的平均值)得到udcxym，与该相所有模块直流母线电压的平均值做差，误差项分别经过PI调节器后，PI调节器的输出值与该相实际输出电流瞬时值的符号相乘，然后除以该模块直流母线电压的测量值，最后得到该模块输出电压(与占空比对应)的微调量。

本系统中现有技术PI调节器的控制框图如图2所示。

现有技术应用多级PI控制器分别调节各功率单元直流母线电压，存在以下两个缺点：

1、负载较小时，瞬时电流方向较难分别，对PI控制器出口补偿的占空比分量有直接的影响，直接影响空载电流大小。

2、PI调节器响应速度与直流电容电压控制过冲有直接的矛盾，很难做到快速响应与调节电压过冲问题兼顾。

由于本系统中调节对象DC电压与控制对象存在高阶强耦合(DC电压、开关延时、并联损耗、寄生参数等)，所以，PI调节器的控制存在过冲且在稳定点附近会有震荡。

发明内容

本发明的目的是为了克服PI调节器存在的上述不足，提供一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，该方法自抗扰控制器无需判别瞬时电流方向，参数设置准确后，扰动量中包含有功波动的有功分量。自抗扰控制器中因为跟踪微分器与非线性控制器的存在，可以做到响应速度快同时单元直流电容电压无过冲现象。

本发明的技术方案：

1.将链式静止无功补偿器功率单元模块直流母线电压作为被控对象进行分析，确定被控对象的输入输出量及控制量；

2.通过自抗扰控制技术中的微分跟踪器对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；

3.通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(ESO)对高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测和估计；

4.通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律(NLSEF)来构成系统的控制量Δu_pwm。

5.在控制过程中对各部分的待定参数进行调整，最终实现功率单元模块直流母线电压的平衡控制。

由上述分析，第1步所述的根据高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压这个控制对象，确定被控对象的输入输出量及控制量。即：

其中，

为功率单元模块所在相的电压电流夹角；A(t)，B(t)为系数矩阵，包含链式STATCOM功率单元模块的各个参数；v为系统状态变量(功率单元模块直流母线电压给定值)；u为控制输入；w(t)为功率单元模块直流母线电压控制模型扰动分量。

单链节功率单元模块直流母线电压控制模型如图6。

第2步所述跟踪微分器的控制算法为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{v}}_1=v_2\\ {\stackrel{\·}{v}}_2=-\mathrm{Rsat}[v_1-v_0^{*}+v_2|v_2|/2R,\mathrm{\δ}]\end{array}\right.$

$\mathrm{sat}(e,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(e\right)& \left|e\right|>\mathrm{\δ}\\ e/\mathrm{\δ}& \left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，R，δ是系统待选参数。

式中 $e=\left\{\begin{array}{c}{v}_2+\frac{y}{h_0},\left|y\right|\≤d_0\\ v_2+\frac{\mathrm{sgn}\left(y\right)(a_0-d)}{2},\left|y\right|>d_0\end{array}\right.;$ d＝rh₀；d₀＝dh₀；y＝v₁-v+h₀v₂

$a_0=\sqrt{d^2+8r\left|y\right|}$

r：速度跟踪银子，反映跟踪微分器变化规律的特征参数；

h₀：滤波因子；

v：给定信号；

v₁：v的跟踪信号；

v₂：v的微分信号；

第3步所述由扩张状态观测器(ESO)对系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计。控制模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}e\left(k\right)=v_1\left(k\right)-z_1\left(k\right)\\ z_1\left(k\right)=z_1(k-1)+h\{z_2(k-1)-{\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1\left]\right\}\\ z_2\left(k\right)=z_2(k-1)+h\{z_3(k-1)-{\mathrm{\β}}_{02}\·\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]+h{b}_{0}u(k-1)\}\\ z_3\left(k\right)=z_3(k-1)+h{\mathrm{\β}}_{03}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]\end{array}\right.$

其中，v₁(k)为系统当前周期检测量，是已知参量；e(k)为系统控制偏差；z₁(k)、z₂(k)为功率单元模块直流母线电压输出PWM占空比调整信号的估计状态变化；z₃(k)是被控对象的内扰及外扰作用的估计信号，即总干扰量的估计信号；β₀₁，β₀₂，β₀₃为可调参数。

第4步所述，通过自抗扰控制器的非线性状态误差反馈律来构成控制量，由跟踪微分器产生的跟踪信号v₁和微分信号v₂与状态观测器给出的状态估计信号z₁和z₂来构造两个误差量，

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=v_1-z_1\\ e_2=v_2-z_2\end{array}\right.$

构成系统的控制分量，根据功率单元模块直流母线电压控制器特性，选择非线性函数g(x)＝x^1/3，可以得到输出电压占空比调整量：

Δu_pwm＝Δu_pwm0-d(z₂+f₀(z₁+z₂))+z₃

其中，Δu_pwm0＝β₁□g₁(e₁)+β₂□g₂(e₂)；f₀(z₁，v^*)＝k_fv^*/z₁；β₁，β₂为误差非线性反馈律增益。

通过对控制器参数进行在线反复调试，可以达到理想的控制效果。在微分跟踪器中，选择合适的过渡过程曲线，使得微分跟踪器可以给出连续、无超调的跟踪信号。在确保系统未定的前提下，调整扩张状态观测器中的参数β₀₁，β₀₂，β₀₃和非线性误差反馈律中的增益参数β₁和β₂(根据大误差小增益、小误差大增益的调整原则)，最终使系统得到满意的控制效果。

通过上述步骤处理高压链式STATCOM所有功率单元模块直流母线电压控制器后，可构成由3*n个自抗扰控制器构成的单元模块直流电压控制网络。图3是高压链式STATCOM系统设备硬件拓扑结构图，系统输入输出为同一电缆，分为A、B、C三相，每相由n个单元串联，所有单元结构完全一样。。

图1所示，是高压链式STATCOM其中一相中功率单元模块直流母线电压控制图，该相由n个链节串联构成，每个链节单元模块直流母线电压控制都采用PI控制器，其中给定电压值u_dcxm由分相控制器计算得出，u_dcxmk(k＝1...n)是第k级功率单元模块直流母线电压反馈值。本发明根据现有技术PI控制器缺点，利用自抗扰控制器原理，针对控制模型改善。图4是某一个单元自抗扰控制器直流母线电压控制框图，本发明中用图4中的控制器模型替代图1中的控制模型。高压链式STATCOM系统中所有功率单元模块直流母线电压控制器全部采用图4中的控制器模型进行替代。

图4是某一个功率单元模块直流母线电压控制器框图，控制策略采用自抗扰控制器。如图所示，

1)该控制器接收到DC电压给定指令后，采用微分跟踪器快速跟踪DC电压给定指令并进行滤波V_dcf。

2)滤波后的给定值V_dcf与状态观测器输出的单元模块直流母线电压反馈值V_dcbs做减法运算得到电压偏差指令e_dc，将电压偏差指令e_dc作为非线性反馈控制器的入口数据。

3)将非线性控制器输出的结果与状态观测器提出的扰动分量做减法得出当前某个单元的占空比调节分量。

4)状态观测器输入有两个数据：占空比调整量d_mxk(k＝1...n)和直流母线电压反馈值V_dcb

5)状态观测器的出口有两个数据：DC电压反馈分量和波动值。扰动分量的得出是由DC电压反馈分量乘以一个增益参数1后，和波动分量相加，结果再乘以一个增益参数2。详细的系统某相控制框图如图5所示。

图5SVG系统某相DC电压控制框图。

其中u_dcxm为给定DC电压值，d_mxk(k＝1...n)为某相第k级占空比调整量，u_dcxmk(k＝1...n)为某相第k级DC电压反馈值。

图5中，某相每级单元模块直流母线电压控制器拓扑及控制器参数完全一致，控制器流程执行描述如上所述。

本发明的优点和有益效果：1、自抗扰控制器无需判别瞬时电流方向，参数设置准确后，扰动量中包含有功波动的有功分量。2、自抗扰控制器中因为跟踪微分器与非线性控制器的存在，可以做到响应速度快同时单元直流电容电压无过冲现象。

附图说明

图1、现有PI技术单相框图。

图2、PI调节器控制框图。

图3、系统拓扑图。

图4、某一个单元自抗扰控制器控制框图。

图5、SVG系统某相DC电压控制框图。

图6、单链节功率单元模块直流母线电压控制模型。

具体实施方式

实施例

一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，其特征在于该方法包括：将高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压作为被控对象进行分析，建立功率单元模块直流母线电压消耗模型，确定被控对象的输入输出量及控制量；通过自抗扰控制技术中的微分跟踪器(TD)对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(ESO)对高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压消耗模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律(NLSEF)来构成功率单元模块直流母线电压的有功调整控制量Δu_pwm；在控制过程中对各控制器的参数进行调整，最终实现高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压的实时控制。

所述的确定被控对象的输入输出量及控制量。即：

其中，

为功率单元模块所在相的电压电流夹角；A(t)，B(t)为系数矩阵，包含链式STATCOM功率单元模块的各个参数；v为系统状态变量(功率单元模块直流母线电压给定值)；u为控制输入；w(t)为功率单元模块直流母线电压控制模型扰动分量。

所述跟踪微分器的控制算法为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{v}}_1=v_2\\ {\stackrel{\·}{v}}_2=-\mathrm{Rsat}[v_1-v_0^{*}+v_2|v_2|/2R,\mathrm{\δ}]\end{array}\right.$

$\mathrm{sat}(e,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(e\right)& \left|e\right|>\mathrm{\δ}\\ e/\mathrm{\δ}& \left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，R，δ是系统待选参数。

式中 $e=\left\{\begin{array}{c}{v}_2+\frac{y}{h_0},\left|y\right|\≤d_0\\ v_2+\frac{\mathrm{sgn}\left(y\right)(a_0-d)}{2},\left|y\right|>d_0\end{array}\right.;$ d＝rh₀；d₀＝dh₀；y＝v₁-v+h₀v₂

$a_0=\sqrt{d^2+8r\left|y\right|}$

r：速度跟踪银子，反映跟踪微分器变化规律的特征参数；

h₀：滤波因子；

v：给定信号；

v₁：v的跟踪信号；

v₂：v的微分信号。

所述的扩张状态观测器对高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制模型中不确定因素和内外部干扰进行动态观测与估计。

扩张状态观测器的离散控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}e\left(k\right)=v_1\left(k\right)-z_1\left(k\right)\\ z_1\left(k\right)=z_1(k-1)+h\{z_2(k-1)-{\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1\left]\right\}\\ z_2\left(k\right)=z_2(k-1)+h\{z_3(k-1)-{\mathrm{\β}}_{02}\·\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]+h{b}_{0}u(k-1)\}\\ z_3\left(k\right)=z_3(k-1)+h{\mathrm{\β}}_{03}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]\end{array}\right.$

其中，v₁(k)为系统当前周期检测量，是已知参量；e(k)为系统控制偏差；z₁(k)、z₂(k)为功率单元模块直流母线电压输出PWM占空比调整信号的估计状态变化；z₃(k)是被控对象的内扰及外扰作用的估计信号，即总干扰量的估计信号；β₀₁，β₀₂，β₀₃为可调参数。

通过自抗扰控制器的非线性状态误差反馈律来构成控制量，由跟踪微分器产生的跟踪信号v₁和微分信号v₂与状态观测器给出的状态估计信号z₁和z₂来构造两个误差量，

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=v_1-z_1\\ e_2=v_2-z_2\end{array}\right.$

构成系统的控制分量，根据功率单元模块直流母线电压控制器特性，选择非线性函数g(x)＝x^1/3，可以得到输出电压占空比调整量：

Δu_pwm＝Δu_pwm0-d(z₂+f₀(z₁+z₂))+z₃

其中，Δu_pwm0＝β₁□g₁(e₁)+β₂□g₂(e₂)；f₀(z₁，v^*)＝k_fv^*/z₁；β₁，β₂为误差非线性反馈律增益。

通过对控制器参数进行在线反复调试，可以达到理想的控制效果。在微分跟踪器中，选择合适的过渡过程曲线，使得微分跟踪器可以给出连续、无超调的跟踪信号。在确保系统未定的前提下，调整扩张状态观测器中的参数β₀₁，β₀₂，β₀₃和非线性误差反馈律中的增益参数β₁和β₂(根据大误差小增益、小误差大增益的调整原则)，最终使系统得到满意的控制效果。

Claims (5)

1.一种基于自抗扰控制技术的高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制方法，其特征在于该方法包括：

第1、将高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压作为被控对象进行分析，建立功率单元模块直流母线电压消耗模型，确定被控对象的输入输出量及控制量；

第2、通过自抗扰控制技术中的微分跟踪器(TD)对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；

第3、通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(ESO)对高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压消耗模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；

第4、通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律(NLSEF)来构成功率单元模块直流母线电压的有功调整控制量Δu_pwm；

第5、在控制过程中对各控制器的参数进行调整，最终实现高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压的实时控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第1步所述的确定被控对象的输入输出量及控制量。即：

其中，

为功率单元模块所在相的电压电流夹角；A(t)，B(t)为系数矩阵，包含链式STATCOM功率单元模块的各个参数；v为系统状态变量(功率单元模块直流母线电压给定值)；u为控制输入；w(t)为功率单元模块直流母线电压控制模型扰动分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第2步所述跟踪微分器的控制算法为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{v}}_1=v_2\\ {\stackrel{\·}{v}}_2=-\mathrm{Rsat}[v_1-v_0^{*}+v_2|v_2|/2R,\mathrm{\δ}]\end{array}\right.$

$\mathrm{sat}(e,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(e\right)& \left|e\right|>\mathrm{\δ}\\ e/\mathrm{\δ}& \left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，R，δ是系统待选参数。

式中 $e=\left\{\begin{array}{c}{v}_2+\frac{y}{h_0},\left|y\right|\≤d_0\\ v_2+\frac{\mathrm{sgn}\left(y\right)(a_0-d)}{2},\left|y\right|>d_0\end{array}\right.;$ d＝rh₀；d₀＝dh₀；y＝v₁-v+h₀v₂

$a_0=\sqrt{d^2+8r\left|y\right|}$

r：速度跟踪银子，反映跟踪微分器变化规律的特征参数；

h₀：滤波因子；

v：给定信号；

v₁：v的跟踪信号；

v₂：v的微分信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第3步所述的扩张状态观测器对高压链式STATCOM功率单元模块直流母线电压控制模型中不确定因素和内外部干扰进行动态观测与估计；

扩张状态观测器的离散控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}e\left(k\right)=v_1\left(k\right)-z_1\left(k\right)\\ z_1\left(k\right)=z_1(k-1)+h\{z_2(k-1)-{\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1\left]\right\}\\ z_2\left(k\right)=z_2(k-1)+h\{z_3(k-1)-{\mathrm{\β}}_{02}\·\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]+h{b}_{0}u(k-1)\}\\ z_3\left(k\right)=z_3(k-1)+h{\mathrm{\β}}_{03}\mathrm{fal}[e\left(k\right),\∂,{\mathrm{\δ}}_1]\end{array}\right.$

其中，v₁(k)为系统当前周期检测量，是已知参量；e(k)为系统控制偏差；z₁(k)、z₂(k)为功率单元模块直流母线电压输出PWM占空比调整信号的估计状态变化；z₃(k)是被控对象的内扰及外扰作用的估计信号，即总干扰量的估计信号；β₀₁，β₀₂，β₀₃为可调参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第4步所述的通过自抗扰控制器的非线性状态误差反馈律来构成控制量，由跟踪微分器产生的跟踪信号v₁和微分信号v₂与状态观测器给出的状态估计信号z₁和z₂来构造两个误差量，

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=v_1-z_1\\ e_2=v_2-z_2\end{array}\right.$

构成系统的控制分量，根据功率单元模块直流母线电压控制器特性，选择非线性函数g(x)＝x^1/3，可以得到输出电压占空比调整量：

Δu_pwm＝Δu_pwm0-d(z₂+f₀(z₁+z₂))+z₃

其中，Δu_pwm0＝β₁□g₁(e₁)+β₂□g₂(e₂)；f₀(z₁，v^*)＝k_fv^*/z₁；β₁，β₂为误差非线性反馈律增益。

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