CN104917191B - 基于模糊控制的链式statcom直流侧电容均压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，采用包含链式STATCOM主电路及其控制电路的三相供电线路，包括以下步骤；第一步、系统级主控CPU获得电压过零点，校正后获得系统侧电压过零点；据实时数据信号，求主电路的三相基准调制信号；第二步、装置级CPU利用H桥直流侧电容电压的实时信息，与平均电压信息做比较后，送入模糊控制器；模糊控制器去模糊化之后得三相附加调制信号；第三步、将基准调制信号和附加调制信号相加得调制信号，根据调制信号和装置级CPU中的PWM模块生成相应的触发脉冲，触发脉冲通过驱动电路输出给对应的H桥，用以控制相应开关器件的通断。该直流侧电容均压方法响应速度快。

Description

基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法

技术领域

本发明属于供配电控制技术领域，涉及基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法。

背景技术

随着国家经济和工业技术的发展，电力用户对电能质量的要求越来越高，因此，实时快速的无功功率补偿变得愈发重要。与传统的以晶闸管为主的无功补偿(SVC)装置相比，采用全控型器件的无功补偿(STATCOM)装置调节速度更快，运行范围更广，且STATCOM所采用的电抗器和电容比SVC所采用的器件小很多，这将大大地缩小装置体积和成本。采用链式结构的STATCOM具有结构简单、谐波特性好、易于模块化实现等优点，在无功补偿领域得到了广泛的关注。

链式STATCOM由两个或者多个单相全桥电路(即H桥)级联而成，每个H桥直流侧接入一定容量的电容或者直流电源，总输出电压为多个级联模块单元输出电压的叠加。与飞跨电容器和二极管钳位型逆变器相比，级联型结构避免了钳位器件的限制，主电路简单，易于实现多电平；与变压器多重化结构相比，链式STATCOM省去了大量变压器，不用考虑变压器的非线性问题，且有效降低了占地面积和成本。因此，级联型拓扑的模块化结构使链式STATCOM易于实现冗余，大大提高了装置的可靠性。

直流侧电容电压的平衡控制直接影响链式STATCOM的补偿效果。理想情况下，由于每个H桥模块的结构、参数和触发方式完全相同，故不存在直流侧电容电压的不平衡问题。然而在实际工作中，触发脉冲的延时、器件损耗差异等都会致使电容电压出现某种程度的不均衡现象，如果不加以控制，会进一步加剧各H桥的直流电容电压偏差，严重影响系统控制效果。目前，调节电容电压的方法主要包括以下几种：

1)在直流侧电容两端并联可调电阻，利用控制开关来调节电阻切入的时间，控制各H桥的有功损耗，从而调节直流侧电容电压。这种方法实现简单，但会增加装置的损耗和成本。

2)调节各个链节输出电压的相角，即通过调节各个H桥的内部参数来调整三角载波的相位，进而调节各H桥自身能量的平衡。然而系统中相角的调节范围一般都很小，因此，该方法具有一定的局限性。

3)外部能量交换法，即各个H桥直流侧通过辅助逆变器和变压器等方法与交流母线连接，通过控制辅助逆变器实现各个H桥与交流母线之间的能量交换。该方法思路简单直观，但是每个H桥都需要配备变压器和辅助逆变器，增加了系统的成本和占地面积。为了在不增加系统成本的基础上，平衡链式STATCOM各H桥的直流电容电压，现有方法多在控制系统中开展相关研究。申请号：201210425347.1，公开号：102931666，公开日：2013.02.13，发明名称为《一种链式静止同步补偿器直流电容电压平衡控制方法》的专利，采用脉冲循环排序的方法，在每个工频周期，根据电容电压的大小完成不同宽度脉冲的分配。这类方法无需增加硬件投入，原理简单，但控制时间相对较长，在短时间内的控制效果较差。文献(Individual Voltage Balancing Strategy for PWM Cascaded H-bridge Converter-Based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(1)：21-29.)在d-q坐标系下完成有功功率、无功功率的解耦，对各H桥输出的电容电压单独进行闭环控制，从而达到了平衡直流侧电容电压的目的。但这种方法的运算量很大，对控制器的处理速度提出了更高的要求。

综上所述，利用链式STATCOM控制系统来平衡直流电容电压能够有效降低系统成本和体积，但是现有直流电压平衡控制方式多存在控制效果不理想或控制过程复杂等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，该直流侧电容均压方法响应速度快。

本发明所采用的技术方案是，基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，采用包含链式STATCOM主电路及其控制电路的三相供电线路，其特征在于：三相供电线路通过隔离变压器和电抗器接全控电力电子器件构成的链式STATCOM的主电路输入端，链式STATCOM主电路的三相输出端通过电抗器连接在一起；

链式STATCOM控制电路包括系统侧和装置侧，系统侧包括AD采样调理电路，AD采样调理电路将电压互感器、电流互感器和N路直流电压霍尔传感器传输过来的电压/电流信息送入系统级主控CPU，电压互感器的输出端接过零检测电路的输入端，系统级主控CPU的输入端分别接过零检测电路和AD采样调理电路的对应输出端，系统级主控CPU将生成的基准调制波信号送入装置级CPU；

装置侧包括装置级CPU，装置级CPU根据系统级主控CPU的输入信息生成PWM脉冲信号，通过驱动电路接链式STATCOM中各H桥单元中对应全控电力电子器件IGBT的受控端；

系统级主控CPU里面包括电压控制器、电流控制器；

装置级CPU包括模糊控制器；

一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法具体按以下步骤实施；

第一步、系统级主控CPU利用过零检测电路获得相应的电压过零点，校正后获得实际系统侧电压过零点；系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，求得链式STATCOM主电路的三相基准调制信号；

第二步、装置级CPU利用从系统级主控CPU获得各H桥直流侧电容电压的实时信息，与平均电压信息做比较后，送入模糊控制器；模糊控制器根据所设定的模糊控制规则，去模糊化之后得三相附加调制信号；

第三步、将基准调制信号和附加调制信号相加后得到调制信号，根据调制信号和装置级CPU中的PWM模块生成相应的触发脉冲，触发脉冲通过驱动电路输出给对应的H桥，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压。

本发明的特点还在于，

第一步具体按以下步骤实施；

1)系统级主控CPU根据电压互感器和电流互感器实时采集的三相供电线路中交流侧输出电压和电流，计算链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流分量，以无功电流分量作为链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流给定值，即链式STATCOM控制电路中系统侧需要补偿的无功电流；

2)系统级主控CPU将N路直流电压霍尔传感器采集到的N个H桥直流电容电压求平均值：之后将其与直流电容电压给定值的差值送入电压调节器，即可获得链式STATCOM控制电路中系统侧所需要的有功电流给定值，即维持直流电容电压稳定所需要的系统有功电流；并根据链式STATCOM主电路侧采集的电流信息获得链式STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流；

3)将上述有功电流给定值和无功电流给定值分别与STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流的偏差送入电流控制器，由此获得STATCOM主电路的三相基准调制信号u_ca、u_cb和u_cc。

第二步具体按以下步骤实施；

1)分别求取三相H桥直流侧电容电压的平均值 并将其作为各相的给定值，分别将该给定值和各相内第i(1≤i≤N)个H桥模块的直流电容电压U_dci作差后获得直流电容电压偏差信息ΔU_dci，并将其送入模糊控制器；

其中第i(1≤i≤N/3)个H桥模块对应的给定值为

第i(N/3+1≤i≤2N/3)个H桥模块对应的给定值为

第i(2N/3+1≤i≤N)个H桥模块对应的给定值为

2)模糊控制器根据输入信息ΔU_dci，通过量化因子k₁和限幅器之后送入模糊控制器；所得输出变量经比例系数k₂和限幅器去模糊化，获得对应H桥模块的附加调制信号Δu_cai、Δu_cbi、Δu_cci。

模糊控制器利用仿真工具MATLAB软件设计。

模糊控制器设定的模糊控制规则为；

1)当ΔU_dci>0，H桥模块的直流电容电压U_dci小于给定值，需要增加附加调制信号来增加电容充电时间；

2)当ΔU_dci<0，H桥模块的直流电容电压U_dci大于给定值，需要减少附加调制信号来增加电容放电时间；

3)在上述两种情况下，ΔU_dci越大，附加调制信号增加/减少的值越大，以提高直流电容电压达到稳态的速度；ΔU_dci越小，附加调制信号增加/减少的值越小，直至系统完全到达稳态，即Δu_cai＝0、Δu_cbi＝0、Δu_cci＝0。

本发明的有益效果是：

1)模糊控制器根据系统的运行状态直接调节各模块的调制信息，有利于各H桥模块直流电容电压快速达到给定状态；

2)借助于仿真工具MATLAB完成不同电压偏差条件下的附加调制信号设计，并将结果预先存储于微处理器中，大大简化了模糊控制的实现过程，提高了直流电容电压的调节速度；

3)系统级与装置级的两级均压方案，不仅保证了系统级电压的平衡控制，也进一步保证了装置级各H桥直流电容电压的平衡控制，大大提高了系统控制精度；

4)由于直接将实时检测的直流侧电容电压值作为更新附加调制信号的依据，因此，不论是何种因素造成的直流侧电容电压不平衡，都行之有效。

附图说明

图1为本发明基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法实施例的电路原理图；

图2为本发明基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法系统侧和装置侧控制示意图；

图3为图2中模糊控制器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，采用如图1所示的链式STATCOM主电路及其控制电路的三相供电线路，三相供电线路通过隔离变压器和电抗器接全控电力电子器件构成的链式STATCOM的主电路输入端，链式STATCOM主电路的三相输出端通过电抗器连接在一起；

链式STATCOM控制电路包括系统侧和装置侧，系统侧包括AD采样调理电路，AD采样调理电路将电压互感器、电流互感器和N路直流电压霍尔传感器传输过来的电压/电流信息送入系统级主控CPU，电压互感器的输出端接过零检测电路的输入端，所述系统级主控CPU的输入端分别接过零检测电路和AD采样调理电路的对应输出端，系统级主控CPU将生成的基准调制波信号送入装置级CPU；

装置侧包括装置级CPU，装置级CPU根据系统级主控CPU的输入信息生成PWM脉冲信号，通过驱动电路接所述链式STATCOM中各H桥单元中对应全控电力电子器件IGBT的受控端；

系统级主控CPU里面包括电压调节器、电流控制器；

装置级CPU包括模糊控制器；

AD采样调理电路由比例电路、反相电路和抗混叠滤波电路、偏置电路、限幅保护电路组成，具体参见《测量电子电路设计：滤波器篇(从滤波器设计到锁相放大器的应用)》(远坂俊昭著，彭军译，科学出版社，2006)，用AD采样调理电路将经电压互感器、电流互感器和N路直流电压霍尔传感器传送过来的信号调理成系统级主控CPU可以接受的信号；

过零检测电路由鉴相器、环路滤波器、电压控制振荡器和分频器组成，具体参见《锁相环(PLL)电路设计与应用》(远坂俊昭著，何希才译，科学出版社，2006)，用以获取电源电压的过零点信息。

系统级主控CPU，采用芯片TMS320F28335，根据AD采样电路送过来的电压电流信息和相电压过零信息获得基准调制波信息；

装置级CPU采用芯片TMS320F28335，装置级CPU根据从系统级主控CPU中所获得的基准调制波信息和单H桥模块的电压信息对调制波进行调整，利用TMS320F28335所特有的脉冲调制模块生成PWM脉冲，该脉冲经驱动电路(具体见《电力电子技术》，王兆安，刘进军，机械工业出版社，2009.5)驱动之后转变为可以直接触发电力电子全控器件IGBT的PWM信号。控制电路实现直流侧均压控制包括系统侧控制和装置侧控制(如图2所示)，

一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法具体按以下步骤实施；

第一步、系统级主控CPU利用过零检测电路获得相应的电压过零点，校正后获得实际系统侧电压过零点；系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，求得链式STATCOM主电路的三相基准调制信号；

第一步具体按以下步骤实施；

1)系统级主控CPU根据电压互感器和电流互感器实时采集的三相供电线路中交流侧输出电压和电流，计算链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流分量，以无功电流分量作为链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流给定值，即链式STATCOM控制电路中系统侧需要补偿的无功电流；

2)系统级主控CPU将N路直流电压霍尔传感器采集到的N个H桥直流电容电压求平均值：之后将其与直流电容电压给定值的差值送入电压调节器，电压调节器选择比例积分调节器，即可获得链式STATCOM控制电路中系统侧所需要的有功电流给定值，即维持直流电容电压稳定所需要的系统有功电流；并根据链式STATCOM主电路侧采集的电流信息获得链式STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流；

3)将上述有功电流给定值和无功电流给定值分别与STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流的偏差送入电流控制器，由此获得STATCOM主电路的三相基准调制信号u_ca、u_cb和u_cc。

第二步、装置级CPU利用从系统级主控CPU获得各H桥直流侧电容电压的实时信息，与平均电压信息做比较后，送入模糊控制器；模糊控制器根据所设定的模糊控制规则，去模糊化之后得三相附加调制信号；

第二步具体按以下步骤实施；

1)分别求取三相H桥直流侧电容电压的平均值 并将其作为各相的给定值，分别将该给定值和各相内第i(1≤i≤N)个H桥模块的直流电容电压U_dci作差后获得直流电容电压偏差信息ΔU_dci，并将其送入模糊控制器；

其中第i(1≤i≤N/3)个H桥模块对应的给定值为

第i(N/3+1≤i≤2N/3)个H桥模块对应的给定值为

第i(2N/3+1≤i≤N)个H桥模块对应的给定值为

2)模糊控制器根据输入信息ΔU_dci，通过量化因子k₁和限幅器之后送入模糊控制器；所得输出变量经比例系数k₂和限幅器去模糊化，获得对应H桥模块的附加调制信号Δu_cai、Δu_cbi、Δu_cci。

模糊控制器的实现方式：

1)利用仿真工具MATLAB完成模糊控制器设计，利用大量的数据测试完成不同ΔUdci取值范围内对应的最佳Δucki(k＝a，b，c)；

2)将上述最佳Δucki(k＝a，b，c)以表格形式存储于装置级微处理器中，以最大限度提高响应速度，简化控制程序；

模糊控制器设定的模糊控制规则为；

1)当ΔU_dci>0，H桥模块的直流电容电压U_dci小于给定值，需要增加附加调制信号来增加电容充电时间；

2)当ΔU_dci<0，H桥模块的直流电容电压U_dci大于给定值，需要减少附加调制信号来增加电容放电时间；

3)在上述两种情况下，ΔU_dci越大，附加调制信号增加/减少的值越大，以提高直流电容电压达到稳态的速度；ΔU_dci越小，附加调制信号增加/减少的值越小，直至系统完全到达稳态，即Δu_cai＝0、Δu_cbi＝0、Δu_cci＝0。

第三步、将基准调制信号和附加调制信号相加后得到调制信号，根据调制信号和装置级CPU中的PWM模块生成相应的触发脉冲，触发脉冲通过驱动电路输出给对应的H桥，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压。

由于本发明将模糊控制方法引入到链式STATCOM的直流侧均压控制中，当H桥模块直流电容电压测量值低于系统平均电压值时增加附加调制信号，增加直流侧电容的充电时间，其中，增加附加调制信号的大小由模糊控制器的输出决定；同理，当H桥模块直流电容电压测量值高于系统平均电压值时减小附加调制信号，增加直流侧电容的放电时间；这样，各H桥模块的直流电容电压在到达稳态后都将无限逼近于系统平均电压值，达到平衡直流电容电压的目的。

Claims (4)

1.一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，采用包含链式STATCOM主电路及其控制电路的三相供电线路，其特征在于：所述三相供电线路通过隔离变压器和电抗器接全控电力电子器件构成的链式STATCOM的主电路输入端，链式STATCOM主电路的三相输出端通过电抗器连接在一起；

链式STATCOM控制电路包括系统侧和装置侧，系统侧包括AD采样调理电路，AD采样调理电路将电压互感器、电流互感器和N路直流电压霍尔传感器传输过来的电压/电流信息送入系统级主控CPU，电压互感器的输出端接过零检测电路的输入端，所述系统级主控CPU的输入端分别接过零检测电路和AD采样调理电路的对应输出端，系统级主控CPU将生成的基准调制波信号送入装置级CPU；

装置侧包括装置级CPU，装置级CPU根据系统级主控CPU的输入信息生成PWM脉冲信号，通过驱动电路接所述链式STATCOM中各H桥单元中对应全控电力电子器件IGBT的受控端；

系统级主控CPU里面包括电压调节器、电流控制器；

装置级CPU包括模糊控制器；

一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法具体按以下步骤实施；

第一步、系统级主控CPU利用过零检测电路获得相应的电压过零点，校正后获得实际系统侧电压过零点；系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，求得链式STATCOM主电路的三相基准调制信号；

第一步具体按以下步骤实施；

1)系统级主控CPU根据电压互感器和电流互感器实时采集的三相供电线路中交流侧输出电压和电流，计算链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流分量，以无功电流分量作为链式STATCOM控制电路中系统侧的无功电流给定值，即链式STATCOM控制电路中系统侧需要补偿的无功电流；

2)系统级主控CPU将N路直流电压霍尔传感器采集到的N个H桥直流电容电压求平均值：之后将其与直流电容电压给定值的差值送入电压调节器，即可获得链式STATCOM控制电路中系统侧所需要的有功电流给定值，即维持直流电容电压稳定所需要的系统有功电流；并根据链式STATCOM主电路侧采集的电流信息获得链式STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流；

3)将上述有功电流给定值和无功电流给定值分别与STATCOM主电路实际吸收的无功电流和有功电流的偏差送入电流控制器，由此获得STATCOM主电路的三相基准调制信号u_ca、u_cb和u_cc；

第二步、装置级CPU利用从系统级主控CPU获得各H桥直流侧电容电压的实时信息，与平均电压信息做比较后，送入模糊控制器；模糊控制器根据所设定的模糊控制规则，去模糊化之后得三相附加调制信号；

第三步、将基准调制信号和附加调制信号相加后得到调制信号，根据调制信号和装置级CPU中的PWM模块生成相应的触发脉冲，触发脉冲通过驱动电路输出给对应的H桥，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，其特征在于：所述第二步具体按以下步骤实施；

1)分别求取三相H桥直流侧电容电压的平均值 并将其作为各相的给定值，分别将该给定值和各相内第i个H桥模块的直流电容电压U_dci作差后获得直流电容电压偏差信息ΔU_dci，i的范围为1≤i≤N，并将其送入模糊控制器；

其中第i个H桥模块对应的给定值为i的范围为1≤i≤N/3；

第i个H桥模块对应的给定值为i的范围为N/3+1≤i≤2N/3；

第i个H桥模块对应的给定值为i的范围为2N/3+1≤i≤N；

2)模糊控制器根据输入信息ΔU_dci，通过量化因子k₁和限幅器之后送入模糊控制器；所得输出变量经比例系数k₂和限幅器去模糊化，获得对应H桥模块的附加调制信号Δu_cai、Δu_cbi、Δu_cci。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，其特征在于：所述模糊控制器利用仿真工具MATLAB软件设计。

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的链式STATCOM直流侧电容均压方法，其特征在于：所述模糊控制器设定的模糊控制规则为；

1)当ΔU_dci>0，H桥模块的直流电容电压U_dci小于给定值，需要增加附加调制信号来增加电容充电时间；

2)当ΔU_dci<0，H桥模块的直流电容电压U_dci大于给定值，需要减少附加调制信号来增加电容放电时间；

3)在上述两种情况下，ΔU_dci越大，附加调制信号增加/减少的值越大，以提高直流电容电压达到稳态的速度；ΔU_dci越小，附加调制信号增加/减少的值越小，直至系统完全到达稳态，即Δu_cai＝0、Δu_cbi＝0、Δu_cci＝0。