CN103311933A - 链式静止无功发生器的平滑过渡式分段pid控制方法 - Google Patents

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孙敬华
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杜丽
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郎帅
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Abstract

本发明公开了一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，该方法采用三相H桥级联型多电平逆变器的拓扑控制方式，链式SVG静止无功发生器等效为电压源，包括电网电压锁相TLL的步骤、负荷无功指令电流提取的步骤、平滑过渡式分段PID调节控制的步骤和SPWM调制输出的步骤。本发明具有能够降低功率单元工作电压等级并能有效减少单元的连接数量，降低了成本、稳定性好；简化了复杂的PID控制过程。

Description

链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法
技术领域
本发明属于电网无功补偿设备技术领域，具体涉及一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法。
背景技术
SVG(Static Var Generator)称为“静止无功发生器”，是一种并联型无功补偿装置，它基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件，辅之以小容量储能元件所构成。SVG不需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，大大缩小了装置的体积和成本；调节速度快，运行范围宽，通过不同的控制，能够实现负荷的连续调节；采用PWM 控制或多重化的结构，能够使其输出电流接近正弦波，从而不需附加额外的滤波器。而SVG软件控制算法中的PID控制部分作为核心控制方法最重要的部分，对装置整体的补偿性能和工作稳定性有着绝对的影响。本专利所涉及的平滑过渡式分段PID控制方法就是基于此类内容的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于公开一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，该方法以串联型H桥单元电压源逆变器硬件为基础，采用同步旋转变换法进行负荷无功指令电流提取，平滑过渡式分段PID控制方法实现装置的核心控制调节，发明链式SVG静止无功发生器核心PID控制算法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，该方法采用三相H 桥级联型多电平逆变器的拓扑控制方式，链式SVG静止无功发生器等效为电压源，包括电网电压锁相TLL的步骤、负荷无功指令电流提取的步骤、平滑过渡式分段PID调节控制的步骤和SPWM调制输出的步骤。
本发明还具有如下特征：
所述的电网电压锁相TLL的步骤中，采用三相电网电压经Clark和Park坐标变换后得到                                                
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE001
，经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率，采用PID闭环控制对误差角度θ进行跟踪调节处理，最终得到电网电压的锁相角度的正/余弦值；
所述的负荷无功指令电流提取的步骤中，采用同步旋转变换法，即同步旋转d-q坐标的电流变换，将三相负载电流进行去零序处理，然后进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，再通过低通滤波环节采用LPF算法和反Park变换，生成三相正序有功基波，用三相用户负载瞬时波形减去三相正序有功基波便得到了需要补偿的三相正负序无功和谐波指令电流；
所述的平滑过渡式分段PID调节控制的步骤中，采用分段式PID的方法来提高增量式PID的控制效果，根据SVG设备的实际电流控制效果对控制区间设置多个分段参数，增加PID调节的灵活性使系统闭环控制更加稳定可靠；
所述的SPWM调制输出的步骤中，通过平滑过渡式分段PID闭环控制后输出的多路参考波数据通过并行数据总线传送给FPGA芯片，FPGA芯片根据串联电压波形叠加原理，产生多路错开一定角度的三角波数据，然后生成SPWM调制波，通过数据光纤下发到各个功率单元，功率单元根据SPWM调制波控制IGBT功率器件通断动作，然后经过并网电抗器滤波处理后输出无功电流，从而达到无功补偿的目的。
本发明的有益效果有：
本发明具有能够降低功率单元工作电压等级并能有效减少单元的连接数量，降低了成本、稳定性好；简化了复杂的PID控制过程，使其能够方便的应用到其他闭环控制场合，并能与其他如模糊PI、逆系统控制等复杂控制算法相结合使用的优点。
附图说明
图1为链式SVG静止无功发生器系统结构图；
其中1、交流电网，2 、用户负荷，3、链式SVG静止无功发生器控制部分，4 、链式SVG静止无功发生器逆变器部分；
图2为基于同步旋转变换的负荷无功指令电流提取方法结构图；
图3为链式SVG静止无功发生器平滑过渡式分段PID控制方法框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
本发明根据SVG静止无功发生器的工作特点,提出了一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法, 该方法采用三相H 桥级联型多电平逆变器的拓扑控制方式，链式SVG静止无功发生器等效为电压源，包括电网电压锁相TLL的步骤、负荷无功指令电流提取的步骤、平滑过渡式分段PID调节控制的步骤和SPWM调制输出的步骤。其特点是：所述的电网电压锁相TLL的步骤中，采用三相电网电压经Clark和Park坐标变换后得到
Figure 932017DEST_PATH_IMAGE001
，经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率，采用PID闭环控制对误差角度θ进行跟踪调节处理，最终得到电网电压的锁相角度的正/余弦值；所述的负荷无功指令电流提取的步骤中，采用同步旋转变换法，即同步旋转d-q坐标的电流变换，将三相负载电流进行去零序处理，然后进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，再通过低通滤波环节采用LPF算法和反Park变换，生成三相正序有功基波，用三相用户负载瞬时波形减去三相正序有功基波便得到了需要补偿的三相正负序无功和谐波指令电流；所述的平滑过渡式分段PID调节控制的步骤中，采用分段式PID的方法来提高增量式PID的控制效果，根据SVG设备的实际电流控制效果对控制区间设置多个分段参数，增加PID调节的灵活性使系统闭环控制更加稳定可靠；所述的SPWM调制输出的步骤中，通过平滑过渡式分段PID闭环控制后输出的多路参考波数据通过并行数据总线传送给FPGA芯片，FPGA芯片根据串联电压波形叠加原理，产生多路错开一定角度的三角波数据，然后生成SPWM调制波，通过数据光纤下发到各个功率单元，功率单元根据SPWM调制波控制IGBT功率器件通断动作，然后经过并网电抗器滤波处理后输出无功电流，从而达到无功补偿的目的。
该发明的具体实施方式是这样的：如图1所示，首先由SVG静止无功发生器的主控制器DSP对三相电网电压（Usa、Usb、Usc），三相负载电流（ILa 、Ilb、ILc）进行AD采样，先进入PLL锁相处理算法对电网电压进行PARK变换，并通过PI控制器对误差角度θ进行跟踪调节处理，然后得到电网电压的锁相角度的正/余弦值（Sinθ和Cosθ），然后再进入无功解耦算法对用户负载电流进行无功提取运算，将三相负载电流进行去零序处理：平衡条件补偿，然后进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，然后将d轴有功通过低通滤波环节采用LPF算法得到无谐波的d轴，再将q轴无功取0与无谐波的d轴一起进行反Park变换，生成三相正序有功基波，然后用三相用户负载瞬时波形减去三相正序有功基波便得到了需要补偿的三相正负序无功和谐波指令电流（Iha、 Ihb、 IHc）；接着SVG静止无功发生器进入到系统闭环控制环节进行无功功率调节，这里采用的闭环控制是一种平滑过渡式分段PID控制方法，它是通过以上面得到的q轴无功分量为参考信息将无功发生器的无功补偿电流分成几个阶段（空载阶段、小电流阶段、中等电流阶段、额定大电流阶段等），然后根据PID控制效果和现场经验将PID的KP比例参数分成几个不同的参数（即分段处理），接着采用KP参数斜坡渐变的方法（利用加/减一个固定常数X的方法，即平滑过渡法）使得常规PID的控制响应和抑制冲击振荡的能力得到增强，从而稳定可靠的达到整个系统无功电流输出的控制目标。下面针对主要的几个控制阶段的实现和技术特点进行一下说明(见图3)。
1、电网电压锁相阶段
本发明中的电网电压锁相阶段采用的是软件PLL锁相方法，就是三相电网电压经Clark和Park坐标变换后得到
Figure 105510DEST_PATH_IMAGE001
，经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率。我们采用DSP内部定时器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器和分频器的功能，因此可通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位，调节的过程采用PID闭环控制对误差角度θ进行跟踪调节处理，最终得到电网电压的锁相角度的正/余弦值。
2、基于同步旋转变换的负荷无功指令电流提取方法
如图2所示，负荷无功指令电流提取是SVG设备中重要的工作内容之一，通常的负荷无功指令电流提取方法有瞬时无功功率法、FBD（Fryze Buchholz Depenbrock）法、SRF同步旋转变换法、神经网络控制算法等。同步旋转变换法是基于同步旋转d -q坐标的电流变换，先将三相负载电流进行去零序处理（平衡条件补偿），然后进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，然后将d轴有功通过低通滤波环节采用LPF算法得到无谐波的d轴，再将q轴无功取0与无谐波的d轴一起进行反Park变换，生成三相正序有功基波，然后用三相用户负载瞬时波形减去三相正序有功基波便得到了需要补偿的三相正负序无功和谐波指令电流（IHa 、Ihb、IHc），再进行相应的补偿调节处理，在这里我们将Park变换得到的q轴无功也送入低通滤波环节采用LPF算法，然后把滤波后的q轴分量作为平滑过渡式分段PID的判断因子进行后续的控制处理。
3、平滑过渡式分段PID控制方法
由于增量型算法不需做累加，也可以减少计算误差后产生的计算精度问题，并且在软件编程上比较容易实现，适合常规的工业系统控制。常规增量式PID可由以下位置算法求得：
Figure 53874DEST_PATH_IMAGE002
             (2-1)
式中
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE003
——积分时间；
Figure 959513DEST_PATH_IMAGE004
——微分时间；
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE005
——采样周期；
Figure 491864DEST_PATH_IMAGE006
——控制量的基值，即
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE007
 =0时的控制；
Figure 141151DEST_PATH_IMAGE008
——第
Figure 944022DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的控制；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
——比例放大系数；
由(2-1)可以得到控制器的第
Figure 20562DEST_PATH_IMAGE007
-1个采样时刻的输出值为：
Figure 603990DEST_PATH_IMAGE010
      (2-2)
将(2-1)与(2-2)相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(2-3)
其中：
Figure 304573DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure 227529DEST_PATH_IMAGE014
由(2-3)可以看出，当 计算机控制系统采用恒定的采样周期T时，一旦确定、
Figure 474971DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE017
，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由(2-3)求出控制量。在SVG这种控制误差变化率较大且控制响应速度要求较高的场合，采用常规的增量式PID其控制效果并不太理想，由于考虑SVG算法程序的简洁高效，采用一些模糊PID、神经网络控制并不具备实用优势，因此可以采用分段式PID的方法来提高增量式PID的控制效果，分段式PID就是采用不同控制条件下（即补偿电流的大小不同）采用不同的
Figure 483378DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 973003DEST_PATH_IMAGE018
参数使得PID具备更好的控制效果，根据SVG装置的实际控制需求，我们只需要对
Figure 812783DEST_PATH_IMAGE009
参数进行分段处理就可以达到效果，但是即使采用了分段的方法使得PID在不同控制区间的控制效果得到了提高，由于不同控制区间
Figure 231126DEST_PATH_IMAGE009
参数取值差异较大，这样往往会在控制区间的分段结合部产生较大的误差断代，严重的还会导致控制环路冲击震荡影响整个控制系统的稳定，因此我们在
Figure 523567DEST_PATH_IMAGE009
参数分段处理的基础上采用
Figure 318348DEST_PATH_IMAGE009
参数斜坡平滑过渡的方法来对其进行处理。具体方法如下：系统进行数据初始化后，进行AD数据采样：三相电网电压、电网电流、负载电流、装置输出电流等，然后进行电网电压锁相处理（PLL），将得到的相角和三相负载电流一起进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，q轴无功送入低通滤波环节采用LPF算法，然后将它作为平滑过渡式分段PID的判断因子对装置的无功补偿区域进行分段处理。比如当SVG运行在小电流区间的时候，控制环路的调节误差很小，只需要提高控制精度降低冲击即可，我们将此控制段的
Figure 12634DEST_PATH_IMAGE009
参数设置的小一些，当SVG运行在大电流区间时，控制环路的调节误差较大，需要快速响应并控制输出电流，这时就需要把参数设置的大一些；
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE019
参数作为控制区间分段的参考依据来决定控制环路工作在哪一个分段区间，事先我们在程序初始化的时候先设置一个合适的
Figure 86343DEST_PATH_IMAGE020
比例系数，当控制环路由第1段工作区间要进入到第2段工作区间时，根据经验需要调整
Figure 419235DEST_PATH_IMAGE020
参数的大小为
Figure 2013102384302100002DEST_PATH_IMAGE021
，在这里我们通过一个平滑过渡的方法对
Figure 905712DEST_PATH_IMAGE020
参数进行处理，如果第1段
Figure 993753DEST_PATH_IMAGE020
>第2段
Figure 198470DEST_PATH_IMAGE021
设置时，=
Figure 236888DEST_PATH_IMAGE020
-X (X是单位平滑值，可根据需要进行调节)，如果第1段
Figure 495831DEST_PATH_IMAGE020
<第2段设置时，
Figure 924855DEST_PATH_IMAGE021
=
Figure 385923DEST_PATH_IMAGE020
+X。我们可以根据SVG设备的实际电流控制效果对控制区间设置多个分段参数，并且可以根据斜坡平滑的效果设置单位平滑值X的大小。通过平滑分段方法处理后可以使常规增量式PID在动态冲击调节响应上得到很大的改善，也可以减小普通分段PID在段间过渡偏差较大引起的系统震荡，也可以增加PID调节的灵活性使系统闭环控制更加稳定可靠。
图2中，
ILabc:表示三相负载电流输入量；
IHabc:表示三相补偿指令电流输出；
Add:表示变量相加运算；
Gain:表示乘以增益量运算；
Sinθ Cosθ:锁相得到的正弦量，余弦量；
abc_to_dq0:通过派克变换将三相交流瞬时量转换为两个直流分量和一个零序分量；
abc_to_Ndq0:通过派克变换将三相交流瞬时量转换为负序的两个直流分量和一个零序分量；
dq0_to_abc: 通过反派克变换将两个直流分量和一个零序分量转换为三相交流瞬时量；
LPF:表示低通滤波处理；
Constant:表示输入的常数。
4、SPWM调制输出阶段
通过平滑过渡式分段PID闭环控制后输出的多路参考波数据通过并行数据总线传送给FPGA芯片，FPGA芯片内部根据串联电压波形可以叠加的原理，产生多路错开一定角度（根据每相控制的功率单元数量来决定错开的角度）的三角波数据，然后与多路参考波数据进行比较生成SPWM调制波，在通过数据光纤下发到各个功率单元，功率单元根据SPWM调制波控制IGBT功率器件通断动作，然后经过并网电抗器滤波处理后输出无功电流，从而达到无功补偿的目的。

Claims (5)

1. 一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，该方法采用三相H 桥级联型多电平逆变器的拓扑控制方式，链式SVG静止无功发生器等效为电压源，其特征在于，包括电网电压锁相TLL步骤、负荷无功指令电流提取步骤、平滑过渡式分段PID调节控制步骤和SPWM调制输出步骤。
2.如权利要求1所述的一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，其特征是：所述的电网电压锁相TLL步骤中，采用三相电网电压经Clark和Park坐标变换后得到                                               
Figure 2013102384302100001DEST_PATH_IMAGE002
，经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率，采用PID闭环控制对误差角度θ进行跟踪调节处理，最终得到电网电压的锁相角度的正/余弦值。
3.如权利要求1所述的一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，其特征是：所述的负荷无功指令电流提取步骤中，采用同步旋转变换法，即同步旋转d-q坐标的电流变换，将三相负载电流进行去零序处理，然后进行Park变换得到正序的d轴有功和q轴无功，再通过低通滤波环节采用LPF算法和反Park变换，生成三相正序有功基波，用三相用户负载瞬时波形减去三相正序有功基波便得到了需要补偿的三相正负序无功和谐波指令电流。
4.如权利要求1所述的一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，其特征是：所述的平滑过渡式分段PID调节控制步骤中，采用分段式PID的方法来提高增量式PID的控制效果，根据SVG设备的实际电流控制效果对控制区间设置多个分段参数。
5.如权利要求1所述的一种链式静止无功发生器的平滑过渡式分段PID控制方法，其特征是：所述的SPWM调制输出步骤中，通过平滑过渡式分段PID闭环控制后输出的多路参考波数据通过并行数据总线传送给FPGA芯片，FPGA芯片根据串联电压波形叠加原理，产生多路错开一定角度的三角波数据，然后生成SPWM调制波，通过数据光纤下发到各个功率单元，功率单元根据SPWM调制波控制IGBT功率器件通断动作，然后经过并网电抗器滤波处理后输出无功电流，从而达到无功补偿的目的。
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