CN104348174B - 基于线性扩张状态观测器leso的smes控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，包括含SMES超导线圈的风电场，其特征在于它包括信号调理模块、信号驱动模块、DSP控制模块、变流器监控模块和变流器模块；其控制方法包括：采集风电场信号；滤波调理；DSP控制处理；构建LADRC控制器；输出功率；控制SEMS超导线圈；其优越性在于：鲁棒性和适应性强结构简单，易于实现。

Description

基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置及方法

(一)技术领域：

本发明涉及电力系统的控制技术领域，一种基于线性扩张状态观测器LESO(LinerExtendedStateobserver)的SMES(SuperconductorMagneticEnergyStorage)控制装置及方法。

(二)背景技术：

为改善电网的电压稳定性，目前普遍的做法是通过SMES对风电场进行无功补偿。SMES在电力系统中作用的发挥，不仅仅取决与装设点的地点及容量，而且还取决于其采用的控制方式。风电系统是个强非线性不确定系统，基于DFL理论的非线性SMES控制器虽然对常规电力系统工作点的变化具有良好的鲁棒性，但对摄动性强的风电系统并不适用。基于扩张状态观测器的SMES控制器将自抗扰技术用于SMES的控制，使SMES在快速稳定安装点的电压的同时，有效的改善系统的阻尼特性，但常规自抗扰控制器参数较多，结构复杂影响了其实际应用广泛性。

本发明针对模型不确定的非线性系统，应用线性扩张状态观测器LESO参与SMES控制，预期可有效提高SMES控制器的鲁棒性和适应性，改善SMES的动态特性，为风电领域的进一步发展提供了一定的参考价值。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供了一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置及方法，它可以克服现有技术的不足，是一种运行可靠、便于实现的控制方法，可以有效提高SMES控制器的鲁棒性和适应性，改善系统的动态特性，且装置结构简单易实现。

本发明的技术方案：一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，包括含SMES超导线圈的风电场，其特征在于它包括信号调理模块、信号驱动模块、DSP控制模块、变流器监控模块和变流器模块；其中，所述信号调理模块的输入端通过电流互感器和电压互感器采集风电场母线电流和母线电压，其输出端与DSP控制模块的TMS320F2812DSP芯片的ADC引脚连接；所述信号驱动模块的输入端接收来自TMS320F2812DSP芯片的EVA和EVB引脚的信号，其输出端与变流器模块的输入端连接；所述DSP控制模块TMS320F2812DSP芯片的SCIA引脚与变流器监控模块呈双向连接；所述变流器模块的输出端输出控制信号给SMES超导线圈。

所述信号调理电路是由交流电压传感器和滤波调理电路构成；所述交流电压传感器的输入端通过互感器接收风电场母线电信号，其输出端与滤波调理电路的输入端连接；所述滤波调理电路的输出端通过锁相环电路与DSP控制模块的输入端连接。

所述电压传感器是科海公司KD250V/J2V模块。

所述DSP控制模块采用TMS320F2812DSP芯片，其内置模块包括EV事件管理器、ADC模数转换器、SCI串口通信模块；其中，所述EV事件管理器由发出PWM1-6信号的EVA模块和发出PWM7-8型号EVB模块构成；所述ADC模数转换模块接收信号调理电路的8路模拟信号并进行采样处理；所述CAPI模块通过锁相环电路对信号调理电路的信号进行锁相捕捉；所述SCI串口通信模块由用于接收监控系统命令的SCIB模块和用于接收控制命令，传输变流器状态及数据，传输变流器状态的SCIA模块构成；所述SCIA模块与变流器监控模块呈双相连接。

所述变流器模块由变流器和斩波器构成；所述信号驱动模块由IPM(IntelligentPowerModule——智能功率模块)驱动电路和IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor——绝缘栅双极型晶体管)驱动电路构成；其中，所述变流器接收IPM驱动电路发出的驱动信号；所述斩波器接收IGBT驱动电路发出的驱动信号；所述IPM驱动电路的输入端与EVA模块的输出端连接；所述IGBT驱动电路的输入端与EVB模块的输出端连接。

所述IPM驱动电路是PM150CLA120模块；所述IGBT驱动电路是三菱公司的CM150DY-24A模块。

一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由电流互感器和电压互感器采集风电场母线的电压电流信号；

②将步骤①采集的风电场的母线电压作为给定值Uref，经过信号调理电路中的交流电压传感器得到测量值Umes，经信号调理电路的滤波调理电路后作为DSP控制模块的ADC模数转换器的输入信号；

③对于步骤②的信号在DSP控制模块进行处理，根据LADRC(LinerActiveDisturbanceRejectionControl)控制理论，构建LADRC控制器，由线性扩张状态观测器LESO和比例控制器构成；

④假设比例控制器参数为k_p，线性扩张状态观测器LESO的参数为b₀，且通过线性扩张状态观测器LESO的输入输出关系为：

$Z_1=\frac{Z_2+{\mathrm{\β}}_{1}y+b_{0}u}{s+{\mathrm{\β}}_1},Z_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2(\mathrm{sy}-b_{0}u)}{s^2+{\mathrm{\β}}_{1}s+{\mathrm{\β}}_2}$

其中Z₁和Z₂分别为LESO的输出变量，y为电压变量，在这里取交流电压传感器测量值U_mes，u为LADRC控制器的中间变量，其中s为拉氏变换算子，β₁，β₂为LESO中的参数，其中LADRC和LESO中具体的信号处理过程；

⑤LADRC控制器输出的控制量为U_VSC，U_VSC经过DSP控制模块，发出PWM信号，再经过信号驱动电路控制驱动控制模块的开关动作，从而控制变流器模块的输出功率，最终达到控制SEMS超导线圈的目的。

所述步骤④中根据LADRC应用的经验，比例控制器参数选择为k_p＝500；LADRC参数根据应用经验选择为b₀＝30；线性扩张状态观测器LESO的参数选择为β₁＝200；β₂＝10000。

所述步骤⑤发出的PWM信号为6路0-3.3V信号。

本发明的工作原理：本发明应用线性自抗扰控制技术实现对SMES的电压外环控制。线性自抗扰控制器由比例控制器和线性扩张状态观测器(LESO)组成。其核心部分LESO可以估计出风电场母线电压的总扰动并加以补偿，实现了对SMES的有效控制，如图4所示。

本发明的优越性在于：本发明提高了SMES控制器的鲁棒性和适应性，使SMES可快速稳定安装点的电压，改善系统的动态特性，以TI公司的TMS320LF2812A型DSP为控制核心，其结构简单，易于实现，工业上具有广阔的应用前景。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法中的含SMES风电场电压补偿的结构框图；

图2为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法中用于风电场SMES的LADRC控制器结构框图；

图3为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法中线性扩张状态观测器LESO的信号处理示意图；

图4为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法中使用LADRC控制器的SMES补偿风电场母线电压的结构框图；

图5为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法中基于DSP的控制器硬件结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置(见图1)，包括含SMES超导线圈的风电场，其特征在于它包括信号调理模块、信号驱动模块、DSP控制模块、变流器监控模块和变流器模块；其中，所述信号调理模块的输入端通过电流互感器和电压互感器采集风电场母线电流和母线电压，其输出端与DSP控制模块的TMS320F2812DSP芯片的ADC引脚连接；所述信号驱动模块的输入端接收来自TMS320F2812DSP芯片的EVA和EVB引脚的信号，其输出端与变流器模块的输入端连接；所述DSP控制模块TMS320F2812DSP芯片的SCIA引脚与变流器监控模块呈双向连接；所述变流器模块的输出端输出控制信号给SMES超导线圈。

所述信号调理电路是由交流电压传感器和滤波调理电路构成；所述交流电压传感器的输入端通过互感器接收风电场母线电信号，其输出端与滤波调理电路的输入端连接；所述滤波调理电路的输出端通过锁相环电路与DSP控制模块的输入端连接。

所述电压传感器是科海公司KD250V/J2V模块。

所述DSP控制模块(见图5)采用TMS320F2812DSP芯片，其内置模块包括EV事件管理器、ADC模数转换器、SCI串口通信模块；其中，所述EV事件管理器由发出PWM1-6信号的EVA模块和发出PWM7-8型号EVB模块构成；所述ADC模数转换模块接收信号调理电路的8路模拟信号并进行采样处理；所述CAPI模块通过锁相环电路对信号调理电路的信号进行锁相捕捉；所述SCI串口通信模块由用于接收监控系统命令的SCIB模块和用于接收控制命令，传输变流器状态及数据，传输变流器状态的SCIA模块构成；所述SCIA模块与变流器监控模块呈双相连接。

所述变流器模块由变流器和斩波器构成；所述信号驱动模块由IPM(IntelligentPowerModule——智能功率模块)驱动电路和IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor——绝缘栅双极型晶体管)驱动电路构成；其中，所述变流器接收IPM驱动电路发出的驱动信号；所述斩波器接收IGBT驱动电路发出的驱动信号；所述IPM驱动电路的输入端与EVA模块的输出端连接；所述IGBT驱动电路的输入端与EVB模块的输出端连接。

所述IPM驱动电路是PM150CLA120模块；所述IGBT驱动电路是三菱公司的CM150DY-24A模块。

一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由电流互感器和电压互感器采集风电场母线的电压电流信号；

②将步骤①采集的风电场的母线电压作为给定值Uref，经过信号调理电路中的交流电压传感器得到测量值Umes，经信号调理电路的滤波调理电路后作为DSP控制模块的ADC模数转换器的输入信号；

③对于步骤②的信号在DSP控制模块进行处理，根据LADRC(LinerActiveDisturbanceRejectionControl)控制理论，构建LADRC控制器，由线性扩张状态观测器LESO和比例控制器构成；

④假设比例控制器参数为k_p，线性扩张状态观测器LESO的参数为b₀，且通过线性扩张状态观测器LESO的输入输出关系为：

$Z_1=\frac{Z_2+{\mathrm{\β}}_{1}y+b_{0}u}{s+{\mathrm{\β}}_1},Z_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2(\mathrm{sy}-b_{0}u)}{s^2+{\mathrm{\β}}_{1}s+{\mathrm{\β}}_2}$

其中Z₁和Z₂分别为LESO的输出变量，y为电压变量，在这里取交流电压传感器测量值U_mes，u为LADRC控制器的中间变量，其中s为拉氏变换算子，β₁，β₂为LESO中的参数，其中LADRC和LESO中具体的信号处理过程(见图2、图3)；

⑤LADRC控制器输出的控制量为U_VSC，U_VSC经过DSP控制模块，发出PWM信号，再经过信号驱动电路控制驱动控制模块的开关动作，从而控制变流器模块的输出功率，最终达到控制SEMS超导线圈的目的。

所述步骤④中根据LADRC应用的经验，比例控制器参数选择为k_p＝500；LADRC参数根据应用经验选择为b₀＝30；线性扩张状态观测器LESO的参数选择为β₁＝200；β₂＝10000。

所述步骤⑤发出的PWM信号为6路0-3.3V信号。

Claims (7)

1.一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，包括含SMES超导线圈的风电场，其特征在于它包括信号调理模块、信号驱动模块、DSP控制模块、变流器监控模块和变流器模块；其中，所述信号调理模块的输入端通过电流互感器和电压互感器采集风电场母线电流和母线电压，其输出端与DSP控制模块的TMS320F2812DSP芯片的ADC引脚连接；所述信号驱动模块的输入端接收来自TMS320F2812DSP芯片的EVA和EVB引脚的信号，其输出端与变流器模块的输入端连接；所述DSP控制模块TMS320F2812DSP芯片的SCIA引脚与变流器监控模块呈双向连接；所述变流器模块的输出端输出控制信号给SMES超导线圈；所述信号调理模块是由交流电压传感器和滤波调理电路构成；所述交流电压传感器的输入端分别通过电流互感器和电压互感器采集风电场母线电流和母线电压，其输出端与滤波调理电路的输入端连接；所述滤波调理电路的输出端通过锁相环电路与DSP控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所示一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，其特征在于所述电压传感器是科海公司KD250V/J2V模块。

3.根据权利要求1所示一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，其特征在于所述DSP控制模块采用TMS320F2812DSP芯片，其内置模块包括EV事件管理器、ADC模数转换器、SCI串口通信模块；其中，所述EV事件管理器由发出PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5及PWM6信号的EVA模块和发出PWM7及PWM8信号EVB模块构成；所述ADC模数转换器接收信号调理模块的8路模拟信号并进行采样处理；所述信号调理模块的输入端信号由CAPI模块通过锁相环电路进行锁相捕捉；所述SCI串口通信模块由用于接收监控系统命令的SCIB模块和用于接收控制命令，传输变流器状态及数据，传输变流器状态的SCIA模块构成；所述SCIA模块与变流器监控模块呈双向连接。

4.根据权利要求1所示一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，其特征在于所述变流器模块由变流器和斩波器构成；所述信号驱动模块由IPM驱动电路和IGBT驱动电路构成；其中，所述变流器接收IPM驱动电路发出的驱动信号；所述斩波器接收IGBT驱动电路发出的驱动信号；所述IPM驱动电路的输入端与EVA模块的输出端连接；所述IGBT驱动电路的输入端与EVB模块的输出端连接。

5.根据权利要求4所示一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制装置，其特征在于所述IPM驱动电路是PM150CLA120模块；所述IGBT驱动电路是三菱公司的CM150DY-24A模块。

6.一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由信号调理模块通过电流互感器和电压互感器采集风电场母线的电压电流信号；

②将步骤①采集的风电场的母线电压作为给定值Uref，经过信号调理模块中的交流电压传感器得到测量值Umes，经信号调理模块的滤波调理电路后作为DSP控制模块的ADC模数转换器的输入信号；

③对于步骤②的信号在DSP控制模块进行处理，根据LADRC控制理论，构建LADRC控制器，由线性扩张状态观测器LESO和比例控制器构成；

④假设比例控制器参数为k_p，线性扩张状态观测器LESO的参数为b₀，且通过线性扩张状态观测器LESO的输入输出关系为：

$Z_1=\frac{Z_2+{\mathrm{\β}}_{1}y+b_{0}u}{s+{\mathrm{\β}}_1},Z_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2(sy-b_{0}u)}{s^2+{\mathrm{\β}}_{1}s+{\mathrm{\β}}_2}$

其中Z₁和Z₂分别为LESO的输出变量，y为电压变量，在这里取交流电压传感器测量值U_mes，u为LADRC控制器的中间变量，其中s为拉氏变换算子，β₁，β₂为LESO中的参数，其中LADRC和LESO中具体的信号处理过程；

⑤LADRC控制器输出的控制量为U_VSC，U_VSC经过DSP控制模块，发出PWM信号，再经过信号驱动电路控制驱动控制模块的开关动作，从而控制变流器模块的输出功率，最终达到控制SEMS超导线圈的目的；

所述步骤④中根据LADRC应用的经验，比例控制器参数选择为k_p＝500；LADRC参数根据应用经验选择为b₀＝30；线性扩张状态观测器LESO的参数选择为β₁＝200；β₂＝10000。

7.根据权利要求6所示一种基于线性扩张状态观测器LESO的SMES控制方法，其特征在于所述步骤⑤发出的PWM信号为8路0-3.3V信号。