CN109638852B - 一种静止无功发生器抗干扰控制器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止无功发生器抗干扰控制器及其设计方法，所述的控制器包括输入单元、坐标变换单元、直流电压调节模块、扰动观测单元1、扰动观测单元2、功率因数调节模块、扰动观测单元3和SVPWM单元。本发明采用的扰动观测器将外部干扰及系统参数变化造成的实际对象与理想模型的差异，等效地视为控制输入端，观测出等效干扰，并且在控制中加入等量的补偿，实现了对干扰的抑制。本发明将除状态变量之外的参数均视为不确定项，并用扰动观测器进行估计。简化了结构模型，使得控制器的设计思路清晰，简化控制方法，易于实现。本发明采用了反步法的思路，逐步设计控制方案，将控制器的设计过程结构化。

Description

一种静止无功发生器抗干扰控制器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于静止无功发生器直接电流控制方法，尤其是一种静止无功发生器抗干扰控制器及其设计方法。

背景技术

静止无功发生器是基于自换相变流电路的新型无功补偿设备，通过电抗器将基于结合了脉冲宽度调制技术的整流器(PWM整流器)拓扑结构的静止无功发生器与电网连接，整流器直流侧加设电容用来稳定直流侧电压，并与电网进行能量交换。采用合适的控制策略，通过控制开关管的通断来控制整流器交流侧电压的幅值和相位，或者采用直接电流控制，控制整流器输出的电流，使得静止无功发生器发出或是吸收电网电流的无功分量，实现补偿电网无功功率的目的。相比于早期的无功补偿装置，静止无功发生器补偿范围广泛，由于PWM整流器四象限运行特性，静止无功发生器既可以补偿感性无功，也可以补偿容性无功。并且静止无功发生器自身不易产生谐波，使用的连接电抗器与直流侧电容容量较小，装置体积和成本低。

静止无功发生器的控制方法主要分为两大类：一类是间接电流控制，另一类是直接电流控制。间接电流控制主要以相幅控制为主，即通过控制交流侧电压的幅值与相位，间接控制交流侧的电流。间接电流控制的优点在于控制简单，减少了电流反馈控制，但是采用间接控制方法时，电流的动态响应效果不理想，控制效果受系统参数影响较大。直接电流控制是采用适当的脉冲宽度调制(PWM)技术产生PWM波控制主电路中开关元件的通断，进而直接控制静止无功发生器交流侧的无功电流。然而采用不同的PWM技术各有优缺点。如固定开关频率PWM电流控制的算法简单，易于实现，对网侧电感的设计要求低。但这种方法需要较高的开关频率，因此对开关元件的要求较高；滞环PWM控制方法可以提高电流的响应速度，动态跟踪效果好，但是对网侧电感要求较高，开关损耗也有明显增大。

综上所述，在对静止无功发生器的控制研究中，在控制器设计以及控制效果方面，现有技术存在以下不足：第一，现有静止无功发生器控制方法对系统参数依赖性较强，控制效果受参数影响明显。第二，一些现有的控制方法对静止无功发生器开关元件要求较高，大幅度提高了无功补偿成本。第三，为了达到理想的控制效果，采用两种以上控制算法复合控制，设计的控制器较复杂，加大实现难度。

发明内容

为解决上述方法存在的不足，本发明要提出一种静止无功发生器抗干扰控制器及其设计方法，在实现静止无功发生器无功补偿的同时，降低补偿成本、提高系统抗干扰能力、简化控制系统设计，实现对干扰的抑制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种静止无功发生器抗干扰控制器，包括输入单元、坐标变换单元、直流电压调节模块、扰动观测单元1、扰动观测单元2、功率因数调节模块、扰动观测单元3和SVPWM单元，所述的输入单元从电网、静止无功发生器以及负载端采集的三相静止坐标系下的电压电流信号；所述的坐标变换单元接收输入单元输出的信号变换到两相旋转坐标系的电压电流信号，输出端分别与扰动观测单元1、直流电压调节模块输入端、功率因数调节模块输入端、扰动观测单元2和扰动观测单元3相连。所述的直流电压调节模块输出端与SVPWM单元输入端相连。所述的扰动观测单元1输出端与直流电压调节模块输入端相连。所述的扰动观测单元2输出端与直流电压调节模块输入端相连。所述的功率因数调节模块输出端与SVPWM单元输入端相连。所述的扰动观测单元3输出端与功率因数调节模块输入端相连。所述的SVPWM单元产生调制信号控制静止无功发生器主电路中开关管的状态。所述的SVPWM单元为空间电压矢量调制单元，

所述的直流电压调节模块包括加法单元1、比例单元1、加法单元2、比例单元2、加法单元3、比例单元3、加法单元4和比例单元4，所述的加法单元1、加法单元2、加法单元3和加法单元4的输入端分别与输入单元、扰动观测单元1、坐标变换单元和扰动观测单元2连接，所述的加法单元1、加法单元2、加法单元3和加法单元4的输出端分别与比例单元1、比例单元2、比例单元3和比例单元4连接，所述的比例单元1、比例单元2、比例单元3和比例单元4的输出端分别与加法单元2、加法单元3、加法单元4和SVPWM单元连接。

一种静止无功发生器抗干扰控制器的设计方法，所述的静止无功发生器的数学模型为：

经等量坐标变换，将数学模型(1)线性化，得静止无功发生器在两相旋转坐标系下的数学模型：

其中：u_dc为静止无功发生器直流侧电压，e_d为电网电压的d轴分量，e_q为电网电压的q轴分量，i_d为静止无功发生器交流侧电流的d轴分量，i_q为静止无功发生器交流侧电流的q轴分量，u_d＝u_dcs_d为静止无功发生器交流侧电压的d轴分量，u_q＝u_dcs_q为静止无功发生器交流侧电压的q轴分量，L为静止无功发生器交流侧连接电抗器的电感值，C为静止无功发生器直流侧储能电容值，R为电抗器以及开关元件的等效电阻值。

所述的设计方法，包括以下步骤:

A、坐标变换单元

坐标变换单元将输入单元的输出信号转换到两相旋转坐标系下的信号，并将转换后的信号输送给扰动观测单元1、扰动观测单元2、扰动观测单元3、直流电压调节单元以及功率因数调节单元。所述的输出信号包括电网电压信号、负载电流信号以及静止无功发生器交流侧电流信号。坐标变换单元采用锁相环技术获得所需的相位信号完成坐标转换。

B、扰动观测单元

扰动观测单元估计直流电压调节模块以及功率因数调节模块中的不确定项以及外部扰动。扰动观测单元的输入为坐标变换单元输出的两相旋转坐标系下的电网电压信号、负载电流信号以及静止无功发生器交流侧的电流信号。输出为不确定项以及外部扰动造成的实际对象与理想模型的差异。

B1、扰动观测单元1

扰动观测单元1的输入为电网电压d轴分量、静止无功发生器交流侧电流d轴分量以及直流侧电压。输出为不确定项3e_qi_q/C、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

B2、扰动观测单元2

扰动观测单元2的输入为静止无功发生器交流侧电压d轴分量以及电流d轴分量。输出为不确定项-Ri_d/L+ωi_q+e_d/L、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

B3、扰动观测单元3

扰动观测单元3的输入为静止无功发生器交流侧电压q轴分量以及电流q轴分量。输出为不确定项-Ri_q/L-ωi_d+e_d/L、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

C、直流电压调节模块

直流电压调节模块的输入为静止无功发生器直流侧电压、扰动观测单元1和扰动观测单元2的输出。输出为静止无功发生器交流侧电压d轴分量的参考值。直流电压调节模块的数学模型如下：

该模型为二阶系统，采用反步法的方法设计，得出控制率如下：

C1、加法单元1

加法单元1的输入为输入单元的

和

通过加法单元1后输出误差信号

并且将误差信号送给比例单元1。

C2、比例单元1

比例单元1的输入为加法单元1的输出，通过比例单元1将加法单元1所得的误差放大，如下式：

θ₁₂＝K₁θ₁ (8)

其中K₁为放大增益。

C3、加法单元2

加法单元2的输入为比例单元1的输出以及扰动观测单元1的输出，通过加法单元2后初步得到有功电流的给定值，并将该值输送到比例单元2，如下式：

C4、比例单元2

比例单元2的输入为加法单元2的输出，通过比例单元2的修正，进一步得到有功电流的给定值，如下式：

C5、加法单元3

加法单元3的输入为通过坐标变换得到的i_d以及比例单元2的输出，通过加法单元3后得到有功电流与其给定值的误差，如下式：

θ₂₁＝τ₁-i_d (11)

C6、比例单元3

比例单元3的输入为加法单元3的输出，通过比例单元3实现误差放大，如下式：

θ₂₂＝K₂θ₂₁ (12)

其中K₂为放大增益。

C7、加法单元4

加法单元4的输入为比例单元3的输出以及扰动观测单元2的输出，通过加法单元4后初步得到u_d的跟踪值。如下式：

C8、比例单元4

比例单元4的输入为加法单元4的输出，通过比例单元4的修正得到u_d跟踪值。并将结果输给SVPWM单元，如下式：

u_d＝-Lθ₂₃ (14)

D、功率因数调节模块

功率因数调节模块输入为静止无功发生器交流侧电流q轴分量以及扰动观测单元3的输出。输出为静止无功发生器交流侧电压q轴分量的参考值。设计控制率如下：

D1、加法单元5

加法单元5的输入为坐标变换输出的i_q以及i_qref，通过加法单元5后得到无功电流与其给定值的误差，如下式：

θ₂＝i_qref-i_q (16)

D2、比例单元5

比例单元5的输入为加法单元5的输出，比例单元5的作用是实现误差放大，如下式：

θ₂₄＝K₃θ₂ (17)

其中，K₃为放大增益。

D3、加法单元6

加法单元6的输入为比例单元5的输出以及扰动观测单元3的输出，通过加法单元6初步得到u_q的跟踪值。如下式：

D4、比例单元6

比例单元能的输入为加法单元的输出，通过比例单元6的修正进一步得到u_q的跟踪值。如下式：

u_q＝-Lθ₂₅ (19)

E、SVPWM单元

SVPWM单元输入为直流电压调节模块以及功率因数调节模块的输出。SVPWM单元是采用空间矢量调制技术将静止无功发生器交流侧电压的参考值调制为驱动开关元件通断的信号，并将该信号送到三相桥式电路中控制开关元件通断。

本发明的有益效果是：

第一，本发明采用的扰动观测器将外部干扰及系统参数变化造成的实际对象与理想模型的差异，等效地视为控制器输入端，观测出等效干扰，并且在控制中加入等量的补偿，实现了对干扰的抑制。

第二，本发明在设计控制器时，将除状态变量之外的参数均视为不确定项，并用扰动观测器进行估计。简化了控制器模型，使得控制器的设计思路清晰，简化控制方法，易于实现。

第三，直流电压调节模块的系统方程为二阶系统，对其设计控制方案时，本发明采用了反步法的思路，逐步设计控制方案，将控制器的设计过程结构化。同时在证明系统稳定性时，易于构建Lyapunov函数，简化证明过程。

附图说明

本发明共有附图7张，其中：

图1是静止无功发生器抗干扰直接电流控制的结构示意图。

图2是静止无功发生器直流侧电压波形仿真图。

图3是静止无功发生器功率因数仿真图。

图4是静止无功发生器电网电压电流波形仿真图。

图5是扰动观测单元1估计系统不确定项的结果仿真图。

图6是扰动观测单元2估计系统不确定项的结果仿真图。

图7是扰动观测单元3估计系统不确定项的结果仿真图。

具体实施方式

下面针对一个具体的静止无功发生器在无功补偿中的应用为例进一步说明本发明。图1是本发明的结构示意图，其中静止无功发生器在两相旋转坐标系下的模型为：

具体的参数选择为，直流侧储能电容为1100μF，交流侧连接电抗器电感为5mH，连接电抗器以及开关元件的等效电阻为0.1Ω。首先负载为有功功率1000W，无功功率1000Var的感性负载，并且为了观察静止无功发生器在不同负载下补偿能力及其动态补偿性能，在1s时将负载切换为有功功率为1000W，无功功率为1000Var的容性负载。控制系统中采用的扰动观测器满足式(3)～(5)，其中扰动观测器的参数为：β₁＝10，β₂＝150，β₃＝18。

仿真结果如图2-4所示。图2为静止无功发生器直流侧电压的波形图，直流侧电压给定值为600V，考虑到实际实验时，首先做不控整流实验，在不控整流实验时，直流侧电压值为500V左右。所以在仿真初始时将直流侧电压值赋为500V。并且在1s时，负载由感性负载换为容性负载，直流电压发生波动。图3为静止无功发生器功率因数波形图，从图中可以看出，本发明基本可以将功率因数提高在1附近。达到补偿无功的效果。在1s更换负载后，功率因数经过短时间波动后恢复到1附近。图4为电网电压电流的波形图，图中电压与电流基本为同相位，静止无功发生器可以补偿由负载产生的无功功率。

由仿真结果可知，所设计的扰动观测器能够准确的估计出系统中的不确定项，如图5-7所示，并将估计值送到控制器，完成静止无功发生器的控制任务。提高系统抗干扰能力，并简化控制器设计，满足设计目标。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种静止无功发生器抗干扰控制器，其特征在于：包括输入单元、坐标变换单元、直流电压调节模块、扰动观测单元1、扰动观测单元2、功率因数调节模块、扰动观测单元3和SVPWM单元，所述的输入单元从电网、静止无功发生器以及负载端采集的三相静止坐标系下的电压电流信号；所述的坐标变换单元接收输入单元输出的信号变换到两相旋转坐标系的电压电流信号，输出端分别与扰动观测单元1、直流电压调节模块输入端、功率因数调节模块输入端、扰动观测单元2和扰动观测单元3相连；所述的直流电压调节模块输出端与SVPWM单元输入端相连；所述的扰动观测单元1输出端与直流电压调节模块输入端相连；所述的扰动观测单元2输出端与直流电压调节模块输入端相连；所述的功率因数调节模块输出端与SVPWM单元输入端相连；所述的扰动观测单元3输出端与功率因数调节模块输入端相连；所述的SVPWM单元产生调制信号控制静止无功发生器主电路中开关管的状态；所述的SVPWM单元为空间电压矢量调制单元，

所述的直流电压调节模块包括加法单元1、比例单元1、加法单元2、比例单元2、加法单元3、比例单元3、加法单元4和比例单元4，所述的加法单元1、加法单元2、加法单元3和加法单元4的输入端分别与输入单元、扰动观测单元1、坐标变换单元和扰动观测单元2连接，所述的加法单元1、加法单元2、加法单元3和加法单元4的输出端分别与比例单元1、比例单元2、比例单元3和比例单元4连接，所述的比例单元1、比例单元2、比例单元3和比例单元4的输出端分别与加法单元2、加法单元3、加法单元4和SVPWM单元连接。

2.一种静止无功发生器抗干扰控制器的设计方法，其特征在于：所述的静止无功发生器的数学模型为：

经等量坐标变换，将数学模型(1)线性化，得静止无功发生器在两相旋转坐标系下的数学模型：

其中：u_dc为静止无功发生器直流侧电压，e_d为电网电压的d轴分量，e_q为电网电压的q轴分量，i_d为静止无功发生器交流侧电流的d轴分量，i_q为静止无功发生器交流侧电流的q轴分量，u_d＝u_dcs_d为静止无功发生器交流侧电压的d轴分量，u_q＝u_dcs_q为静止无功发生器交流侧电压的q轴分量，L为静止无功发生器交流侧连接电抗器的电感值，C为静止无功发生器直流侧储能电容值，R为电抗器以及开关元件的等效电阻值；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、坐标变换单元

坐标变换单元将输入单元的输出信号转换到两相旋转坐标系下的信号，并将转换后的信号输送给扰动观测单元1、扰动观测单元2、扰动观测单元3、直流电压调节单元以及功率因数调节单元；所述的输出信号包括电网电压信号、负载电流信号以及静止无功发生器交流侧电流信号；坐标变换单元采用锁相环技术获得所需的相位信号完成坐标转换；

B、扰动观测单元

扰动观测单元估计直流电压调节模块以及功率因数调节模块中的不确定项以及外部扰动；扰动观测单元的输入为坐标变换单元输出的两相旋转坐标系下的电网电压信号、负载电流信号以及静止无功发生器交流侧的电流信号；输出为不确定项以及外部扰动造成的实际对象与理想模型的差异；

B1、扰动观测单元1

扰动观测单元1的输入为电网电压d轴分量、静止无功发生器交流侧电流d轴分量以及直流侧电压；输出为不确定项3e_qi_q/C、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

B2、扰动观测单元2

扰动观测单元2的输入为静止无功发生器交流侧电压d轴分量以及电流d轴分量；输出为不确定项-Ri_d/L+ωi_q+e_d/L、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

B3、扰动观测单元3

扰动观测单元3的输入为静止无功发生器交流侧电压q轴分量以及电流q轴分量；输出为不确定项-Ri_q/L-ωi_d+e_d/L、外部干扰的估计值

以及误差信号

如下式：

并且

C、直流电压调节模块

直流电压调节模块的输入为静止无功发生器直流侧电压、扰动观测单元1和扰动观测单元2的输出；输出为静止无功发生器交流侧电压d轴分量的参考值；直流电压调节模块的数学模型如下：

该模型为二阶系统，采用反步法的方法设计，得出控制率如下：

C1、加法单元1

加法单元1的输入为输入单元的

和

通过加法单元1后输出误差信号

并且将误差信号送给比例单元1；

C2、比例单元1

比例单元1的输入为加法单元1的输出，通过比例单元1将加法单元1所得的误差放大，如下式：

θ₁₂＝K₁θ₁ (8)

其中K₁为放大增益；

C3、加法单元2

加法单元2的输入为比例单元1的输出以及扰动观测单元1的输出，通过加法单元2后初步得到有功电流的给定值，并将该值输送到比例单元2，如下式：

C4、比例单元2

比例单元2的输入为加法单元2的输出，通过比例单元2的修正，进一步得到有功电流的给定值，如下式：

C5、加法单元3

加法单元3的输入为通过坐标变换得到的i_d以及比例单元2的输出，通过加法单元3后得到有功电流与其给定值的误差，如下式：

θ₂₁＝τ₁-i_d (11)

C6、比例单元3

比例单元3的输入为加法单元3的输出，通过比例单元3实现误差放大，如下式：

θ₂₂＝K₂θ₂₁ (12)

其中K₂为放大增益；

C7、加法单元4

加法单元4的输入为比例单元3的输出以及扰动观测单元2的输出，通过加法单元4后初步得到u_d的跟踪值；如下式：

C8、比例单元4

比例单元4的输入为加法单元4的输出，通过比例单元4的修正得到u_d跟踪值；并将结果输给SVPWM单元，如下式：

u_d＝-Lθ₂₃ (14)

D、功率因数调节模块

功率因数调节模块输入为静止无功发生器交流侧电流q轴分量以及扰动观测单元3的输出；输出为静止无功发生器交流侧电压q轴分量的参考值；设计控制率如下：

D1、加法单元5

加法单元5的输入为坐标变换输出的i_q以及i_qref，通过加法单元5后得到无功电流与其给定值的误差，如下式：

θ₂＝i_qref-i_q (16)

D2、比例单元5

比例单元5的输入为加法单元5的输出，比例单元5的作用是实现误差放大，如下式：

θ₂₄＝K₃θ₂ (17)

其中，K₃为放大增益；

D3、加法单元6

加法单元6的输入为比例单元5的输出以及扰动观测单元3的输出，通过加法单元6初步得到u_q的跟踪值；如下式：

D4、比例单元6

比例单元能的输入为加法单元的输出，通过比例单元6的修正进一步得到u_q的跟踪值；如下式：

u_q＝-Lθ₂₅ (19)

E、SVPWM单元

SVPWM单元输入为直流电压调节模块以及功率因数调节模块的输出；SVPWM单元是采用空间矢量调制技术将静止无功发生器交流侧电压的参考值调制为驱动开关元件通断的信号，并将该信号送到三相桥式电路中控制开关元件通断。

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