CN1710773A - 基于igbt模块的dsp控制静止无功发生器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器及控制方法，它由主电路和控制电路组成，主电路由三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器组成，三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器依次串接，控制电路包括第一采集电路、第一DSP控制器、光电隔离输入输出电路，第一采集电路采集电网的三相电流，采集的数据输入到第一DSP控制器，第一DSP控制器对采集的数据进行计算处理，输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲经光电隔离输入输出电路送到逆变器功率模块的控制端。本发明采用DSP作为控制器的主芯片，整个无功装置体积小、调节速度快，运行范围宽，补偿电流中谐波的含量小。

Description

基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种无功补偿装置，特别涉及一种基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器。

背景技术

现代电力系统在不同的运行方式下可能分别出现无功不足和无功过剩的情况，各类供电系统的负荷由于其非线性和不平衡的用电特性也会给供电系统带来污染和干扰，需要进行无功补偿。目前，在无功补偿领域主要使用的是无功补偿电容器和FACTS设备中的阻抗控制型无功补偿装置SVC。尤功补偿电容器能够改善电路参数，减少线路感性无功功率，补偿系统无功，改善电压质量。缺点是只能补偿固定无功，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。使用晶闸管的静止无功补偿装置SVC，通常包括晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器以及它们之间的各种组合，能够实现无功功率的快速调节，但装置需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量较大。由自换向的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的静止无功发生器SVG在理论研究和实际应用上有一定进展，但在功率器件上目前主要使用GTO，开关频率不能很好的满足要求，为减少谐波和提高容量，必须采用变压器曲折连接方式，这样使电路设计复杂化，且保护电路难以有效工作，其控制器的设计上目前主要采用单片机进行常规PI控制，在控制的实时性和准确性上都存在一定的问题。

发明内容

为克服现有无功补偿装置体积过大、谐波含量高、运行范围小的缺点，本发明提供一种调节速度快、运行范围宽、谐波含量小的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器。

本发明的另一个目的是提供基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器的控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：由主电路和控制电路组成，主电路由三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器组成，三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器依次串接，控制电路包括第一采集电路、第一DSP控制器、光电隔离输入输出电路，第一采集电路采集电网的三相电流，采集的数据输入到第一DSP控制器，第一DSP控制器对采集的数据进行计算处理，输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲经光电隔离输入输出电路送到逆变器功率模块的控制端。

上述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器中，所述控制电路还包括单片机控制器、显示器、通讯电路、键盘、工控机、第二采集电路，第二采集电路的输出接工控机，单片机控制器分别与第一DSP控制器、工控机、显示器、通讯电路、键盘相连。

上述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器中，所述逆变器功率模块采用IGBT模块。

上述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器中，所述控制电路还包括第二DSP控制器，第二DSP控制器与第一DSP控制器并接。

一种基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器的控制方法，包括以下步骤：

利用采样电路测量静止无功发生器接入点电压u_A和直流侧电容电压u_DC；

将测量得到的电压u_A和u_DC与参考电压信号u_A-ref和u_DC-ref相比较，产生电压误差信号Δu_A和Δu_DC；

对电压误差信号Δu_A和Δu_DC进行模糊化，经模糊推理、去模糊化后输出控制变量调制比m′和相位差θ。

模糊控制器的输出量m′与母线上电磁功率偏差ΔP_e经电力系统稳定器(PSS)后的输出量叠加在一起形成调制比控制信号m，连同相位控制信号θ一起经延时环节后作为模型参考自适应内环控制器的输入V＝(m，θ)；

输入量V同时加到可调系统和参考模型的输入端。Hopfield神经网络根据当前参考模型的状态变量X_m、可调系统的状态变量X_P以及参考模型状态变量与可调系统状态变量的差值e求取可调参数矩阵F(反馈控制器)和G(前馈控制器)的自适应律，并利用自适应律对前馈控制器和反馈控制器参数进行修改，使得参考模型状态变量与可调系统状态变量的差值e为零，得到满足性能指标要求的调制度m和相位差θ；

当只考虑状态变量(u_DC)′的变化时，可调参数矩阵F和G的自适应律为：

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{S_1}(S_1^2-F^2)\×[-{\left(K_{\mathrm{dm}}^{\′}{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}\right)}^2{v}_1+{\left(K_{\mathrm{dm}}^{\′}\right)}^2{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}{\mathrm{mv}}_2+K_{\mathrm{dm}}^{\′}{K}_9^{\′}{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}-{\stackrel{\·}{u}}_{\mathrm{DC}}{K}_{\mathrm{dm}}^{\′}{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}]$

$\frac{\mathrm{dG}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{S_2}(S_2^2-G^2)\×[{\left(K_{\mathrm{dm}}^{\′}\right)}^2{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}{\mathrm{mv}}_1-{\left(K_{\mathrm{dm}}^{\′}m\right)}^2{v}_2+{\stackrel{\·}{u}}_{\mathrm{DC}}{K}_{\mathrm{dm}}^{\′}m-K_9^{\′}{K}_{\mathrm{dm}}^{\′}m]$

其中：λ₁为非线性系数，S₁、S₂为常数，其取值在调试中确定。v₁＝F，v₂＝G，(u_DC)′、K′_dm和K′₉可调系统辨识状态方程的状态变量和系数，即：

${\left({\stackrel{\·}{u}}_{\mathrm{DC}}\right)}^2=K_9^{\′}{\left(u_{\mathrm{DC}}\right)}^{\′}+K_{\mathrm{dm}}^{\′}{\left(m\right)}^{\′}$

在系统其它参数和状态变量变化时，同理按矩阵运算的方法可求得其可调参数矩阵F和G自适应律；

DSP控制器内部的PWM形成电路根据调制度m和相位差θ输出逆变器的触发脉冲。

本发明的有益效果：本发明采用基于IGBT模块构成自换向变流器，通过电压源逆变技术提供超前和滞后的无功，以进行无功功率补偿；采用DSP作为控制器的主芯片，优化了的主电路参数和运用基于神经网络的STATCOM闭环控制策略。装置调节速度快，运行范围宽，采用PWM技术等措施后大大减少了补偿电流中谐波的含量，装置中使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，缩小了装置的体积和成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的电路结构图。

图2是本发明的主电路原理图。

图3是本发明的逆变器功率模块的吸收保护电路图。

图4是本发明的控制电路结构图。

图5是装置控制系统整体结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由主电路和控制电路组成，主电路由三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器组成，三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器依次串接，三相整流桥将电网的三相交流电整流，经直流滤波器滤波后送逆变器功率模块的输入端，由逆变器功率模块逆变成三相交流电，三相交流电经低通滤波器滤波，再由隔离变压器送回电网。控制电路包括第一采集电路、第一DSP控制器、第二DSP控制器、光电隔离输入输出电路、单片机控制器、显示器、通讯电路、键盘、第二采集电路、工控机，第一采集电路采集电网的三相电流，采集的数据输入到第一DSP控制器，第一DSP控制器对采集的数据进行计算处理，输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲经光电隔离输入输出电路送到逆变器功率模块的控制端，第二DSP控制器作为第一DSP控制器的冗余控制器，第二采集电路采集电网的三相电流，采集的数据输入到工控机，完成系统电压、电流及无功在线显示，给定参数输入，控制参数调节，声光报警等功能。单片机控制器专门处理与其它设备的通讯和键盘接口，它与DSP交换数据并向上位工控机发送。

如图2所示，本发明的主电路中，三相整流桥将三相交流电整流经过一个平波电抗器之后，给直流电容器充电，作为逆变器直流电容器直流电压的来源，三相整流桥采用三相可控整流电路。逆变器功率模块由一组三相桥两电平结构构成，采用日本三菱公司基于IGBT的智能功率模块IPM，对逆变电路的控制采用PWM调制技术。逆变器输出的正弦电压经过一组低通滤波器和一个三相隔离变压器叠加到电网上。

逆变器功率模块的吸收保护电路如图3所示。

本发明的控制电路组成如图4所示中，其控制过程如下：通过采样芯片MAX125进行电网数据采样，而后由在系统可编程芯片ispLSI1016对MAX125和RAM的读写进行控制，待处理数据送入CPU1。控制器结构设计时采用双CPU方案实现冗余控制。在正常工作时，CPU1作为主控计算机是整个控制系统的核心，实现诸如采样数据的计算、逻辑控制、发出六路PWM驱动信号以及和其它设备进行通讯等一系列控制功能。CPU2作为冗余计算机，接收信号并进行控制计算，但不输出控制信号。在系统工作期间，CPU1与CPU2通过自动切换电路交换相互的故障检测信号和其他相关信号。同时，CPU1监听CPU2的故障检测信号和其他相关信号，以确定冗余计算机是否处于正常工作状态，一旦监听到CPU2不正常，CPU1将发出一故障信息送到诊断显示装置；CPU2也可对CPU1进行监视，一旦发现CPU1不正常，CPU2将获得控制权，CPU2将担负起对整个系统的控制。控制CPU采用DSP芯片，首先完成对电网数据的交流实时采样，通过数字滤波器后准确、实时地检测计算出无功电流，依据控制算法计算输出控制量，采用改进的规则采样法获取PWM调制控制脉冲宽度，由DSP发出PWM调制波通过高速光电耦合器进入IGBT模块的控制信号输入端，控制逆变器输出交流电压的幅值和相位，与低通滤波器和三相隔离变压器连接后向电网提供无功，进行实时的无功调节。单片机INTEL80C196专门处理与其它设备的通讯和键盘接口，它通过双口RAM与DSP交换数据并向上位机发送，工控机作为上位监控机，主要完成系统电压，电流，无功在线显示；给定参数输入(电压，电流)；控制参数调节；声光报警等功能。

本发明的DSP控制器在控制方法上采用了一种双闭环智能集成控制，采用模糊神经网络算法设计装置的外环控制器，它为模型参考自适应内环控制器提供无功控制指令信号。STATCOM模糊神经网络控制器以接入点电压偏差和直流电压偏差以及接入点电压偏差和直流电压偏差变化趋势作为输入。在设计STATCOM模糊控制器过程中，为了解决模糊逻辑控制中模糊规则固定、不适应被控过程变化问题，采用变结构模糊神经网络控制来增加控制器的自学习、自适应能力。另外，由于模糊规则知识库较庞大，导致推理计算量过大，并可能增大模糊推理过程中的噪声影响。因此，在模糊推理的过程中，采取了一种优化的方法大大减少了模糊推理的计算量，提高了运算速度。采用模糊神经网络算法的外环控制器为模型参考自适应内环控制器提供无功控制指令信号。采用基于Hopfield神经网络结构的模型参考自适应算法设计内环控制器，利用Hopfield神经网络的自适应收敛特性进行系统前馈控制器和反馈控制器参数的自适应调整，能量函数的选取同时符合Hopfield神经网络标准能量函数的要求及状态收敛性的要求，当被控系统参考模型的状态变量和输入信息准确进入神经网络控制器时，其输出将趋于一个正确的稳定值，使得可调系统在其控制下符合参考模型的动态要求，使设计的内环控制器具有较强的鲁棒自适应控制特性。

Claims (5)

1、一种基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器，由主电路和控制电路组成，主电路由三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器组成，三相整流桥、直流滤波器、逆变器功率模块、低通滤波器、隔离变压器依次串接，其特征在于：控制电路包括第一采集电路、第一DSP控制器、光电隔离输入输出电路，第一采集电路采集电网的三相电流，采集的数据输入到第一DSP控制器，第一DSP控制器对采集的数据进行计算处理，输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲经光电隔离输入输出电路送到逆变器功率模块的控制端。

2、根据权利要求1所述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器，其特征在于：所述控制电路还包括单片机控制器、显示器、通讯电路、键盘、工控机、第二采集电路，第二采集电路的输出接工控机，单片机控制器分别与第一DSP控制器、工控机、显示器、通讯电路、键盘相连。

3、根据权利要求1所述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器，其特征在于：所述逆变器功率模块采用IGBT模块。

4、根据权利要求1所述的基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器，其特征在于：所述控制电路还包括第二DSP控制器，第二DSP控制器与第一DSP控制器并接。

5、一种基于IGBT模块的DSP控制静止无功发生器的控制方法，包括以下步骤：

利用采样电路测量静止无功发生器接入点电压uA和直流侧电容电压uDC。

将测量得到的电压u_A和u_DC与参考电压信号u_A-ref和u_DC-ref相比较，产生电压误差信号Δu_A和Δu_DC；

对电压误差信号Δu_A和Δu_DC进行模糊化，经模糊推理、去模糊化后输出控制变量调制比m′和相位差θ。

模糊控制器的输出量m′与母线上电磁功率偏差ΔP_e经电力系统稳定器(PSS)后的输出量叠加在一起形成调制比控制信号m，连同相位控制信号θ一起经延时环节后作为模型参考自适应内环控制器的输入V＝(m，θ)；

输入量V同时加到可调系统和参考模型的输入端。Hopfield神经网络根据当前参考模型的状态变量X_m、可调系统的状态变量X_p以及参考模型状态变量与可调系统状态变量的差值e求取可调参数矩阵F和G的自适应律，并利用自适应律对前馈控制器和反馈控制器参数进行修改，使得参考模型状态变量与可调系统状态变量的差值e为零，得到满足性能指标要求的调制度m和相位差θ；

DSP控制器内部的PWM形成电路根据调制度m和相位差θ输出逆变器的触发脉冲。

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