CN105977996B - 基于dsp的静止无功发生器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的静止无功发生器控制系统及控制方法，控制系统包括信号调理电路、滑模控制器、无电感L解耦控制器、空间矢量调制器、驱动电路、三相桥式电路、电力系统。本发明采用的滑模变结构及PI调节的综合控制，能够对直流侧的电容电压的控制以及无功电流的快速跟踪补偿，不仅设计简单，便于实现，而且滑模控制及无电感参数L的前馈解耦控制，使得控制系统对于外部干扰及系统参数扰动具有较好的鲁棒性，使得系统可以较好地动态跟踪无功电流，充分发挥出静止无功发生器的快速无功补偿的性能，可以更广泛的应用到工程实际中。

Description

基于DSP的静止无功发生器控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种静止无功发生器，尤其涉及一种基于DSP的静止无功发生器控制系统及控制方法，属于电能质量技术领域。

背景技术

电能作为现代社会的支柱能源和经济命脉,其应用程度是衡量一个国家发展水平和综合国力的重要标志之一。无功功率是电气技术领域一个重要的物理量,用来在电气设备中建立和维持磁场,完成电磁能量的相互转换。要保证电力系统的安全运行,无功功率不可或缺。无功不平衡会引起系统电压波动甚至崩溃,损坏用电设备,破坏系统稳定。

在电力系统中,由于电网负载普遍含有线圈等感性负载,所以电网中含着大量的感性无功功率。虽然这些感性负载对经济发展起着巨大作用,但其引起大量的无功电流,不利于电网和用电设备的运行,造成如下影响:

(1)增加设备容量。无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增加,从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时,电力用户的起动及控制设备、测量仪表的体积和成本也要增加。

(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加,使总电流增大,因而使设备及线路的损耗增加,从而降低了电气设备的运行效率。设线路总电流为I＝I_p+I_q,线路电阻为R,则线路损耗ΔP为其中(Q²/U²)R这一部分损耗就是由无功功率所引起的。

(3)使线路及变压器的电压降增大,如果是冲击性无功功率负荷,还会使电压产生剧烈波动,严重影响供电质量。

(4)由谐波源造成的无功影响同样会带来一系列问题,如谐波损耗,影响设备正常工作,造成振动、热、噪声,自动装置误动作,对通信系统产生干扰等。

正是因为电网中存在大量的无功功率,且其对电网和用户用电设备的影响,使得无功补偿装置在电网中十分普遍,传统的无功补偿设备一般都用晶闸管投切电容器组或者是固定电容器+晶闸管控制电抗(SVC)的形式,但这两种无功补偿方式的体积偏大,动态响应速度慢,使用不太灵活。这使得SVG在提高中低压配电网电能质量中颇受关注。与以往的无功补偿装置相比,SVG有响应时间快,不会谐振短路,可以发出连续可调的感性或容性无功，又可以滤除谐波,提升电能质量,特别适用于配电系统。

传统的PID控制器设计相对比较简单，但是，不适用于复杂控制系统，而且控制系统受器件参数及外部影响较大，而且参数数值不容易确定。未来的SVG的应用与研究控制系统采用更加智能的控制算法，如模糊控制、神经网络自适应控制、滑模变结构控制等，实现无功参数检测更加快速精确。

目前，静止无功发生器的控制系统大多是存在着体积偏大,动态响应速度慢,使用不太灵活等缺点。因此为了提高补偿装置控制系统的响应速度，减小占地和谐波分量，需要设计更加先进的用于控制静止无功发生器的控制系统及控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP的静止无功发生器控制系统及控制方法，实现对直流侧电容电压和电流跟踪的综合控制，使得补偿电流能够快速地跟踪指令电流，使电网电流被补偿为稳定平衡的三相正弦电流，而且直流侧电容电压到达设定值并保持不变。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

一种基于DSP的静止无功发生器控制系统，包括信号调理电路1、滑模控制器2、无电感L解耦控制器3、空间矢量调制器4、驱动电路5、三相桥式电路6、电力系统7；静止无功发生器主电路的电压互感器和电流互感器采集来的电压和电流输入信号调理电路1，经过调理之后送入位于DSP内部的滑模控制器2和无电感L解耦控制器3，滑模控制器2产生有功电流参考量送入无电感L解耦控制器3，无电感L控制器3运算输出空间矢量调制的控制量送入空间矢量调制器4，空间矢量调制器4输出六脉冲PWM信号，PWM信号经过驱动电路5驱动静止无功发生器主电路的三相桥式电路6，三相桥式电路6在PWM的驱动下产生相应的无功补偿电流注入电力系统7，同时电力系统7中的有功电流也将通过三相桥式电路6逆变成直流，为直流侧电容进行充电，维持直流侧电容电压的稳定。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

一种基于DSP的静止无功发生器控制系统的控制方法，其中滑模控制器2根据检测调理好的三相桥式电路6的直流侧电容电压u_dc、直流侧电容参考电压u_dcref构建滑模面：

首先将作为输入，构造控制三相桥式电路直流侧电容电压的滑模面S(e₁e₂t)＝e₁+k₁e₂，其中是u_dc的微分，是u_dcref的微分，k₁为滑模常数，t为系统时间，使得直流侧电压维持稳定在参考值电压u_dcref；

将dq坐标系下的数学模型代入到滑模面S(e₁ e₂ t)＝e₁+k₁e₂中得到：

其中，e_d、e_q是网侧电压e_a、e_b、e_c的dq分量，i_d、i_q为三相桥式电路输出的补偿电流ica、icb、icc经dq坐标变换得到,C为三相桥式电路直流侧电容；

简化上述滑模面，得到同步旋转dq坐标下，系统中d轴电流指令i_dref；

其中,U_s为交流三相输入电源的相电压的有效值；

则电压外环滑模控制器2的滑模面为：

S＝(i_dref-i_d)

前述基于DSP的静止无功发生器控制系统的控制方法，其中无电感L解耦控制器3的设计方法如下：

其中，u_dcs_d＝u_d u_dcs_q＝u_q，K_P是比例系数，K_I是积分系数，i_dref、i_qref分别为i_d、i_q的参考量。

可选的，前述基于DSP的静止无功发生器控制系统，其中滑模控制器基于DSP。

可选的，前述基于DSP的静止无功发生器控制系统，其中无电感L解耦控制器基于DSP。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用了数字信号处理器DSP，并基于内部的瞬时无功算法、电压外环滑模变结构的控制算法以及基于非线性PI无电感参数L电流内环前馈解耦控制算法，快速获得触发开关器件的PWM信号的控制量。本发明采用的滑模变结构及PI调节的综合控制，能够对直流侧的电容电压的控制以及无功电流的快速跟踪补偿，不仅设计简单，便于实现，而且滑模控制及无电感参数L的前馈解耦控制，使得控制系统对于外部干扰及系统参数扰动具有较好的鲁棒性，使得系统可以较好地动态跟踪无功电流，充分发挥出静止无功发生器的快速无功补偿的性能，可以更广泛的应用到工程实际中。

附图说明

图1是本发明静止无功发生器的工作原理图；

图2是本发明基于DSP的静止无功发生器控制系统的结构图；

图3是本发明滑模无电感L解耦控制器设计流程图；

图4是本发明直流侧电容电压滑模控制器结构图；

图5是本发明无电感L解耦控制器结构图；

图6是本发明滑模无电感L解耦控制器流程框图。

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说明。

如图1所示，为本发明涉及的静止无功发生器的工作原理图。静止无功发生器应用在电力系统的无功补偿方面，基于DSP的静止无功发生器控制系统并联在电力系统中，用于平衡电力系统中由于负载变化产生的无功功率。当SVG用于补偿输电系统的无功功率时，在桥式电路直流侧装设较大的稳压储能元件，SVG能够连续、动态的给电网补偿所需的无功功率。这是早期的无功补偿装置SVC所不具备的，对于电力系统而言是非常重要的。此外SVG可以将低次谐波去除，同时将存在的高次谐波电流降到系统安全范围之内。

基于DSP的静止无功发生器控制系统连接于SVG低压的一侧，主要用于采集电力系统的实时数据，包括：网侧的电压、电流，直流侧电容电压、直流侧电流。经信号调理电路以及数字信号处理器DSP内部的滑模控制算法以及非线性PI控制产生控制信号，进一步经空间矢量调制产生驱动脉冲，触发开关器件的开关，实现无功功率的动态跟踪补偿。

如图2所示，静止无功发生器控制系统包括两部分主回路和控制回路，其中主回路由三相桥式电路6、电力系统7组成。主回路的部分流程如下：三相桥式电路6进行整流逆变之后将需要补偿的无功电流注入电力系统7中，同时电力系统7中的有功电流也将通过三相桥式电路6逆变成直流，为直流侧电容进行充电，维持直流侧电容电压的稳定。控制回路由信号调理电路1、滑模控制器2、无电感L解耦控制器3、空间矢量调制器4、驱动电路5组成。控制回路流程如下：静止无功发生器主电路的电压互感器和电流互感器采集来的电压和电流输入信号调理电路1，经过调理之后送入位于DSP内部的滑模控制器2和无电感L解耦控制器3，滑模控制器2产生有功电流参考量送入无电感L解耦控制器3，无电感L控制器3运算输出空间矢量调制的控制量送入空间矢量调制器4，空间矢量调制器4输出六脉冲PWM信号，PWM信号经过驱动电路5驱动静止无功发生器主电路的三相桥式电路6。

根据如图3所示的设计流程设计滑模无电感L解耦控制器：

S1：建立系统的状态空间模型，首先建立静止无功发生器在三相静止abc坐标系下的状态空间数学模型：

其中，ea、eb、ec分别表示三相电源电压；ica、icb、icc为输出的三相桥式电路输出的补偿电流；R和L分别为并网时静止无功发生器连接电网线路的电阻电抗器，C为三相桥式电路直流侧电容，udc为直流侧电容电压。

Sa、Sb、Sc分别表示三相桥臂开关管的开关函数，具体含义：

S2:该数学模型通过Clark坐标变换，将abc坐标系下的状态空间数学模型转换为两相静止αβ坐标系下的数学模型模型。

S3:经过步骤S2的转换后，再进行PARK坐标变换，得到在两相同步旋转dq坐标下以无功电流的分量i_d、i_q，以及直流侧电容电压u_dc为状态变量的静止无功发生器在同步旋转dq坐标系下的数学模型:

式中，e_d、e_q是网侧电压e_a、e_b、e_c的dq分量，id、iq为静止无功发生器输出的补偿电流ica、icb、icc经dq坐标变换得到，s_d、s_q是开关函数s_k(k＝a、b、c)经dq坐标变换得到。

S4：选择合适的滑模面，设计出滑模面首先计算出三相桥式电路直流侧电容电压在同步旋转dq坐标系统下，d轴电流指令i_dref，如图4所示。

首先将作为输入，构造控制三相桥式电路直流侧电容电压的滑模面S(e₁ e₂ t)＝e₁+k₁e₂，其中是u_dc的微分，是u_dcref的微分，k₁为滑模常数，t为系统时间，使得直流侧电压维持稳定在参考值电压u_dcref。

将dq坐标系下的数学模型代入到滑模面S(e₁ e₂ t)＝e₁+k₁e₂中可以得到：

上述公式可以进一步改写为：

对于三相平衡电网，存在着e_q＝0。静止同步补偿发生器控制系统中，一般直流侧电压设定值恒定，故

这样进一步简化上述滑模面，可以得到同步旋转dq坐标下，系统中d轴电流指令i_dref；

其中,U_s为交流三相输入电源的相电压的有效值。

因此电压外环滑模控制器的滑模面为：

S＝(i_dref-i_d)

S5：设计无电感L解耦控制器，由S4步骤所设计的滑模面可以得出控制三相桥式电路直流侧电容电压的指令电流，同时将e_d、e_q、id、iq作为输入进行无电感L的解耦控制器设计，如图5所示。

在静止无功发生器控制系统中，传统的结构控制器设计采用PI电流解耦控制器，控制方程组如下：

其中，u_dcs_d＝u_d u_dcs_q＝u_q，K_P是比例系数，K_I是积分系数，i_dref、i_qref分别为i_d、i_q的参考量。

静止无功发生器的电流内环id、iq实现了内环解耦控制。但是系统引入了变量ωLi_q与ωLi_d，使得系统解除耦合，而其中包含有电感L，所以进行d-q解耦的时候需要准确的知道L的电感值。在实际中，电感因为系统短路或者过流而出现饱和现象，存在设计误差等，工程上不能够忽略解耦项，尤其是频率增加时，d-q轴间的耦合加强，将会导致控制性能变差。

本发明设计的无电感L解耦控制器，采用非线性PI无电感参数L电流内环前馈解耦控制，消除了电感L对内环结构系统的影响。

交流电流传感器采样得到的三相交流电流在经过park和clark变换后得到i_d、i_q，分别与指令值i_dref、i_qref做差，经非线性PI无电感参数L电流内环前馈解耦控制器后得到控制信号u_d、u_q，

从中可以看出，实现了电流内环无电感L值的电流解耦控制，减少了器件参数对系统的影响。上述控制信号经坐标变换得到空间矢量调制的控制信号u_α、u_β,通过空间矢量调制SVPWM算法，输出控制开关器件的脉冲信号。

如图6所示为滑模无电感L解耦控制器流程框图，将实时采集电力系统的电力信号作为控制系统的输入信号；将上述所采集的输入信号送入信号调理电路进行信号调理经AD转换后，分别输入到滑模控制器和无电感L解耦控制器，最终产生当前时刻所需要无功功率补偿的控制信号，送入空间矢量调制调制器输出的PWM脉冲信号；产生的PWM脉冲信号经驱动单元后，控制三相桥式电路的开关器件的开通与关断，进而产生无功电流，对电力系统进行实时的动态无功补偿。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于DSP的静止无功发生器控制系统的控制方法，其特征在于，基于DSP的静止无功发生器控制系统包括信号调理电路、滑模控制器、无电感L解耦控制器、空间矢量调制器、驱动电路、三相桥式电路、电力系统；静止无功发生器主电路的电压互感器和电流互感器采集来的电压和电流输入信号调理电路，经过调理之后送入位于DSP内部的滑模控制器和无电感L解耦控制器，滑模控制器产生有功电流参考量送入无电感L解耦控制器，无电感L控制器运算输出空间矢量调制的控制量送入空间矢量调制器，空间矢量调制器输出六脉冲PWM信号，PWM信号经过驱动电路驱动静止无功发生器主电路的三相桥式电路，三相桥式电路在PWM的驱动下产生相应的无功补偿电流注入电力系统，同时电力系统中的有功电流也将通过三相桥式电路逆变成直流，为直流侧电容进行充电，维持直流侧电容电压的稳定；

其特征在于，所述滑模控制器根据检测调理好的三相桥式电路的直流侧电容电压u_dc、直流侧电容参考电压u_dcref构建滑模面：

首先将作为输入，构造控制三相桥式电路直流侧电容电压的滑模面S(e₁ e₂ t)＝e₁+k₁e₂，其中是u_dc的微分，是u_dcref的微分，k₁为滑模常数，t为系统时间，使得直流侧电压维持稳定在参考值电压u_dcref；

将dq坐标系下的数学模型代入到滑模面S(e₁ e₂ t)＝e₁+k₁e₂中得到：

其中，e_d、e_q是网侧电压e_a、e_b、e_c的dq分量，i_d、i_q为三相桥式电路输出的补偿电流ica、icb、icc经dq坐标变换得到,C为三相桥式电路直流侧电容；

简化上述滑模面，得到同步旋转dq坐标下，系统中d轴电流指令i_dref；

其中,U_s为交流三相输入电源的相电压的有效值；

则电压外环滑模控制器2的滑模面为：

S＝(i_dref-i_d)。

2.如权利要求1所述的基于DSP的静止无功发生器控制系统的控制方法，其特征在于，所述无电感L解耦控制器的设计方法如下：

其中，u_d是直流侧电容电压u_dc在dq坐标下的d分量，u_q是直流侧电容电压u_dc在dq坐标下的q分量，K_P是比例系数，K_I是积分系数，i_dref、i_qref分别为i_d、i_q的参考量。