CN104953596B - 一种基于自适应反馈线性化的statcom控制方法 - Google Patents
一种基于自适应反馈线性化的statcom控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应反馈线性化的链式静止无功发生器(STATCOM)的控制方法，用于解决链式STATCOM中连接电感等参数随运行工况变化导致的控制性能不佳问题。本发明采用链式STATCOM线路等效电阻与连接电抗器电感值之比、连接电抗器电感值、链节等效电阻值作为控制器的不确定参数项；构建自适应反馈线性化控制器，使控制参数不再依靠上述参数的精确值；从而克服了间接电流控制模型中对电感值及线路等效电阻值的依赖，为链式STATCOM的安全稳定运行提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种基于自适应反馈线性化的链式静止无功发生器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM，又称SVG或静止同步补偿器)的控制方法。。
背景技术
现代电力系统更加注重于减少传输电力损耗、改善供电电能质量。现代电力网中包含有大量的发电厂，传输线，负载，各种检测、保护装置。功率、频率或电压幅值会随着本地或者远端负荷的改变，线路及装置故障，开关、控制器的突然动作而产生变化。这些变化甚至会导致大电网的解列、甩负荷，造成更大面积的损失。FACTS技术能够增强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本，通过为电网提供感应或无功功率从而提高输电质量和效率。
STATCOM是FACTS设备的重要组成成员，STATCOM是Static SynchronousCompensator的简称，中文称同步补偿器，又叫做静止无功发生器(Static Var Generator，简称为SVG)。STATCOM可以用于补偿系统或者负载的无功功率，或者用来补偿PCC点的系统电压。其中采用H桥级联式拓扑结构的STATCOM，由于可以实现较高的电压等级，得到了广泛的应用。
根据有没有引入电流反馈，常用控制策略有间接电流控制与直接电流控制两种方法。间接电流控制通常应用于高压设备，直接电流控制应用于低压设备。
(1)使用间接电流控制方法的电路器件开关频率低，使用直接电流控制方法的器件开关频率高；
(2)间接电流控制方法需要知道精确的连接电抗的大小，而实际工程中，该值不仅包括连接电抗值，还包括了连接变压器的漏抗的值，在运行过程中，通常是会变化的；
现有工程应用的控制方法，通常采用间接电流的控制方法，该方法基于STATCOM的非线性模型，通过设计一个耦合的d、q轴电流解耦的PI控制器，来控制STATCOM成为一个并联在电网上的，电流和电压相角差为90°的无功元件。在该控制方法中无功电流与有功电流的解耦环节依赖于STATCOM连接电感精确值。在实际工程应用中，该电感值包括了连接电抗器的电感、变压器的漏抗及线路电感值。系统在运行过程中，随着环境温度、运行方式等内外界因素的变化，会引起电感值的变化，从而影响控制系统的控制性能。
鉴于以上缺陷，实有必要提供一种链式静止无功发生器，以解决以上技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，用以解决STATCOM连接电感值、等效电阻值不确定引起的控制性能不佳的问题。
为实现上述任务，本发明采取如下的解决方案：
一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，包括以下步骤：1)建立STATCOM的数学模型；2)给定STATCOM中线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电阻值Rc三个参数，并以此为基础设计不确定参数项θ1、θ2、θ3；3)设计反馈控制律及自适应律；4)采集STATCOM直流侧电容电压Vdc、PCC点电压Vs、STATCOM输出电流Ic进行预处理；5)根据步骤3)设计的自适应律和步骤4)预处理后的结果，计算不确定参数项θ1、θ2、θ3的估计值6)根据步骤3)设计的反馈控制律和步骤5)得到的不确定参数项的估计值和步骤4)预处理后的结果，计算STATCOM控制量u1和u2；7)根据步骤6)得到的STATCOM控制量u1和u2，输入STATCOM，重新采集STATCOM的输出；8)重复进行步骤4)至步骤7)，对STATCOM进行实时控制。
步骤2)所设计的不确定参数表达为：θ3＝Rc(ξ)，其中R0(ξ)、L(ξ)、Rc(ξ)分别为随工况变化而变化的线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电阻值Rc，其各自为系统工况状态向量ξ的函数，工况状态向量ξ由系统实时工况决定；R0、L、Rc的初值为STATCOM在恒定工况下的系统设计值。
步骤4)对STATCOM直流侧电容电压Vdc进行预处理的方法为：首先对STATCOM直流侧电容电压Vdc进行带阻滤波；然后将滤波后的各链节直流侧电容电压求取平均值；接着，将该平均值与设定的链节电压参考值比较，最后经过PI控制后得到链式STATCOM有功电流的参考值；对PCC点三相电压Vs、STATCOM输出电流Ic进行预处理的方法为：对Vs、Ic进行park变换，得到Vsd、Vsq、Icd、Icq，其中，Vsd、Vsq为PCC点三相电压Vs的d轴、q轴分量，Icd、Icq为STATCOM输出端的有功电流和无功电流。
所述带阻滤波是以特征频率为100Hz进行，以滤除由电容充放电带来的2倍频谐波。
步骤3)所设计及步骤6)所应用的反馈控制律为：
其中，N是单相链节数，ω＝2πf，f为电网频率，C是链节直流侧电容值，Vdc为STATCOM直流侧电容电压，Vdcr为STATCOM直流侧电容电压的参考值，Icdr为STATCOM有功电流的参考值，Icqr为STATCOM无功电流的参考值，ui(i＝1,2)为STATCOM控制器输出量。
步骤3)所设计及步骤5)所应用的自适应律为：
其中，
B11＝-Icd
B21＝-Icq
其中，自适应律为利用矩阵表示的一阶常微分方程组，其计算结果为对不确定参数θi(i＝1,2,3)的估计；k1、k2、k3为控制参数且均大于零；
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明控制方法构建一个自适应反馈线性化控制器，以线路等效电阻与连接电抗器电感值之比、连接电抗器电感值，以及链节等效电阻作为控制器的不确定参数项，从而保证控制参数不再依靠上述参数的精确值，克服了间接电流控制模型中对电感值及线路等效电阻值的依赖，为链式STATCOM的安全稳定运行提供了保障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明提供的一种基于自适应反馈线性化的链式STATCOM系统的连接原理图；
图2为本发明提供的一种基于自适应反馈线性化的链式STATCO0M的控制方法的原理图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，被控对象为一台链式STATCOM。本发明STATCOM采用12链节星形拓扑结构，通过连接电抗器并联在电网系统PCC点，通过连接断路器与电网连接。
本发明控制方法构建一个自适应反馈线性化控制器，以线路等效电阻与连接电抗器电感值之比、连接电抗器电感值，以及链节等效电阻作为控制器的不确定参数项，从而保证控制参数不再依靠上述参数的精确值，克服了间接电流控制模型中对电感值及线路等效电阻值的依赖，为链式STATCOM的安全稳定运行提供了保障。
本发明控制方法包括以下步骤：
一、构建链式STATCOM的数学模型
链式STATCOM数学模型包含了链式STATCOM输出端有功电流Icd、无功电流Icq与每一链节直流侧电容电压Vdc之间的关系，如下式(1)：
其中，x＝[x1,x2,x3]T＝[Icd,Icq,Vdc]T
其中，N是单相链节数，ω为电网角频率，C是链节直流侧电容值；R0(ξ)、L(ξ)、Rc(ξ)分别为随工况变化而变化的线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电阻值Rc，其各自为系统工况状态向量ξ的函数，工况状态向量ξ由系统实时工况，如系统工作状态、环境温度等因素决定；Icd、Icq分别由链式STATCOM输出端三相电流Ic经park变换后得到的STATCOM输出有功电流和无功电流；、Vsd、Vsq分别是PCC点三相电压Vs经过park变换得到的d轴和q轴的分量；ui(i＝1,2)为STATCOM控制器输出。二、设计反馈控制及自适应律
1)STATCOM系统可以表示为：
其中，为误差项；Icdr、Icqr、Vdcr分别为有功电流、无功电流、直流侧电容电压的参考值；
2)设计反馈控制
其中，K1、K2、K3为控制参数(K1>0,K2>0,K3>0)；为对参数θi(i＝1,2,3)的估计；
3)求取误差参数矩阵
通过将2)中u1、u2表达式代入1)中的方程组中，得到状态变量误差的微分值表达式。将该表达式通过矩阵表示为状态变量、可变参数误差的函数
其中，为参数估计误差。
表示为矩阵形式，
进而表述为，
其中，矩阵C为
4)设计自适应律
其中，
B11＝-Icd
B21＝-Icq
三、控制方法
下面结合一个实施例陈述控制方法
STATCOM每一个链节模块的电路拓扑为单相全桥，开关元件采用全控型器件IGBT。其链节的直流侧并联一个电容C，该电容起电压支撑的作用。链式STATCOM系统采用PS-PWM的调制方式。
所设计的STATCOM参数为：容量10MVar，额定电压10kV，额定相电流：
单个连节可以看做是一个直流侧无负载的全控型单相全桥整流电路。根据全控型单相全桥整流电路的电流性质，在某状态下，一个IGBT会承受整个链节的电压。
故单个链节的交流侧电压可以近似计算为：
考虑裕量，选取1700V的IGBT。集电极电流直接决定了IGBT的耐固性，其选择过程也比较复杂，必须根据实际温升测试来决定，也与IGBT本身特性、实际工作频率、风道设计等因素有关，但通常，集电极电流应小于等于额定工作时的电流值。对照IGBT产品规格，简单根据额定相电流的大小选择，选取450A的IGBT产品。本链节IGBT的选取富士电机2MBI450VN-170-50。
考虑：(1).电网电压波动范围为±5％；(2).电容电压稳态误差3％，电容电压允许最大波动值为10％；(3).电感误差为±5％；(4).考虑死区时间和开关特性，调制系数λ取为0.98。逆变器最大输出电压为：
Vc＝VN×1.05×(1+0.1×1.05)＝11.6025(kV)
假设级联链节均分电压：
从而直流电容电压参考值计算得：
其中，每一个链节均由链节主控制板控制。链节主控制板接收来自主控制器的调制波信号，生成PWM控制信号控制IGBT开通关断。
如图2所示，通过电流、电压互感器得到系统PCC点、STATCOM输出端的电压、电流值，送入主控制系统中。同时，利用分压的方式检测到各链节直流侧电容电压，送入主控制系统，经过100Hz的带阻滤波后，滤除由电容充放电引起的二倍频，然后进行PI控制，得到系统有功电流参考值。将采集得到的三相量Vs、Il、Vc、Ic通过park变换，变换为Vsd、Vsq、Ild、Ilq、Vcd、Vcq、Icd、Icq；通过所获得的PCC点处的电流值与STATCOM端口处电流值，经过计算即可得到所需补偿的无功电流值。
Ild＝Isd-Icd
将上述控制输入量输入自适应律进行参数更新。其中，矩阵：
B11＝-Icd
B21＝-Icq
参数更新后获得的估计量
将更新后的估计参量代入反馈控制中：
从而得到被控系统的控制量。系统在运行过程中，随着系统各参数的小范围波动，自适应参数随着自适应律做以调整，调整后的参数输入到控制中，从而实现对STATCOM的实时控制。
采用本发明提出的控制方法，解决了STATCOM实际运行过程中参数变化而导致的控制性能不佳的问题。从而实现STATCOM更稳定的控制，为系统的安全、稳定运行提供了保障。
Claims (5)
1.一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立STATCOM的数学模型；
2)给定STATCOM中线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电阻值Rc三个参数，并以此为基础设计不确定参数项θ1、θ2、θ3；
3)设计反馈控制律及自适应律；
4)采集STATCOM直流侧电容电压Vdc、PCC点电压Vs、STATCOM输出电流Ic进行预处理；
5)根据步骤3)设计的自适应律和步骤4)预处理后的结果，计算不确定参数项θ1、θ2、θ3的估计值
6)根据步骤3)设计的反馈控制律和步骤5)得到的不确定参数项的估计值 和步骤4)预处理后的结果，计算STATCOM控制量u1和u2；
7)根据步骤6)得到的STATCOM控制量u1和u2，输入STATCOM，重新采集STATCOM的输出；
8)重复进行步骤4)至步骤7)，对STATCOM进行实时控制；
步骤2)所设计的不确定参数表达为：θ3＝Rc(ξ)，其中R0(ξ)、L(ξ)、Rc(ξ)分别为随工况变化而变化的线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电阻值Rc，其各自为系统工况状态向量ξ的函数，工况状态向量ξ由系统实时工况决定；R0、L、Rc的初值为STATCOM在恒定工况下的系统设计值。
2.如权利要求1所述的基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，其特征在于：步骤4)对STATCOM直流侧电容电压Vdc进行预处理的方法为：首先对STATCOM直流侧电容电压Vdc进行带阻滤波；然后将滤波后的各链节直流侧电容电压求取平均值；接着，将该平均值与设定的链节电压参考值比较，最后经过PI控制后得到链式STATCOM有功电流的参考值；对PCC点三相电压Vs、STATCOM输出电流Ic进行预处理的方法为：对Vs、Ic进行park变换，得到Vsd、Vsq、Icd、Icq，其中，Vsd、Vsq为PCC点三相电压Vs的d轴、q轴分量，Icd、Icq为STATCOM输出端的有功电流和无功电流。
3.如权利要求2所述的基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，其特征在于：所述带阻滤波是以特征频率为100Hz进行，以滤除由电容充放电带来的2倍频谐波。
4.如权利要求1或2或3所述的基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，其特征在于：
STATCOM系统表示为：
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1
其中，为误差项；Icdr、Icqr、Vdcr分别为有功电流、无功电流、直流侧电容电压的参考值；
步骤3)所设计及步骤6)所应用的反馈控制律为：
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其中，N是单相链节数，ω＝2πf，f为电网频率，C是链节直流侧电容值，Vdc为STATCOM直流侧电容电压，ui为STATCOM控制器输出量，其中i＝1,2；
Icd、Icq分别由链式STATCOM输出端三相电流Ic经park变换后得到的STATCOM输出有功电流和无功电流，Vsd、Vsq分别是PCC点三相电压Vs经过park变换得到的d轴和q轴的分量，k1、k2、k3为控制参数,
5.如权利要求4所述的基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法，其特征在于：步骤3)所设计及步骤5)所应用的自适应律为：
其中，
<mrow>
<mi>B</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
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<mtd>
<msub>
<mi>B</mi>
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<msub>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
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<mi>B</mi>
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<mtd>
<msub>
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<mtd>
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<mtr>
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<mtd>
<mn>0</mn>
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<mtd>
<msub>
<mi>B</mi>
<mn>33</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
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</mfenced>
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B11＝-Icd
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<msub>
<mi>B</mi>
<mn>12</mn>
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<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
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</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&omega;I</mi>
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<mi>c</mi>
<mi>q</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>k</mi>
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</msub>
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<mi>I</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>dI</mi>
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<mi>c</mi>
<mi>d</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
B21＝-Icq
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mn>22</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mover>
<mi>&theta;</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mn>1</mn>
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<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
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</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
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<mo>+</mo>
<msub>
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<mi>I</mi>
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<mo>+</mo>
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</mrow>
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<mi>B</mi>
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<mfrac>
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</mrow>
</mfrac>
<msub>
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<mrow>
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</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，自适应律为利用矩阵表示的一阶常微分方程组，其计算结果为对不确定参数θi的估计，i＝1,2,3；k1、k2、k3为控制参数且均大于零；
Priority Applications (1)
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| CN201510158638.2A CN104953596B (zh) | 2015-04-03 | 2015-04-03 | 一种基于自适应反馈线性化的statcom控制方法 |
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|---|
| 基于间接电流控制方法下系统稳定性的静止无功发生器参数设计;赵国鹏等;《电工技术学报》;20120930;第27卷(第9期);第17～24页 * |
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