CN203553949U - 基于线性二次调节器的双dsp静止无功发生器 - Google Patents
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Abstract
基于线性二次调节器的双DSP静止无功发生器涉及电力设备无功补偿技术领域。主要是为解决现有的静止无功发生器鲁棒性差等问题而设计的。它包括电容器组，电容器组连接IGBT变换电路模块；IGBT变换电路模块与平波电抗器组连接；平波电抗器与软启动电路连接；软启动电路与电网连接；电流传感器和电压传感器连接信号调理电路；信号调理电路连接A/D转换电路；A/D转换电路连接DSP控制系统A；DSP控制系统A和DSP控制系统B连接；DSP控制系统B和IGBT驱动模块连接；IGBT驱动模块连接IGBT变换电路模块；负载连接端子连接负载；保护电路连接DSP控制系统A；电源模块连接到各个模块的电源端。优点是鲁棒性强。
Description
技术领域：
本实用新型涉及电力设备无功补偿技术领域，特别是涉及一种基于线性二次调节器的双DSP静止无功发生器。
背景技术：
线性二次调节器是20世纪60年代发展起来的应用最多的最优控制系统设计方法。设计对象是以状态空间形式给出的线性系统，而目标函数是为对象状态的和控制输入的二次型函数。这样控制函数问题就转换为二次型问题，就是在线性系统的约束条件下，选择适当的控制输入使得二次型目标函数最小。各种问题的二次型公式的优点是它们可以导出易于分析实现的线性控制率。假设系统在平衡点处，且系统可控，也就是说当系统工作在平衡点处受到扰动时，系统经过调节还能够恢复至平衡点处。那么，系统的控制目标就是将扰动量的影响降低到最小，对于跟踪问题，是将跟踪误差减小为零，因此，跟踪问题可以转换成二次型调节器问题。线性二次调节器是现代控制理论的一种重要的控制方法，广泛应用于跟踪或伺服控制系统。
随着电网中一些非线性的电力电子设备的广泛应用，导致电网中存在大量的谐波电流和无功电流，造成了严重的电能污染，会影响电网中其他设备的正常工作，甚至造成设备的工作存在安全隐患问题。为了降低电网的谐波电流含量，提高电网功率因数，可以采用静止无功补偿器等等，但是静止无功补偿器的动态特性不好，不能实时补偿。静止无功发生器（SVG）可以具有优异的动态特性，能实时跟踪负载的变化。
现有的静止无功发生器的控制方法包括最简单的滞环控制策略、新型的重复控制、空间矢量调制等等，但是其存在一些不可修复的缺点，如滞环控制系统工作频率不定，受滞环宽度的影响，会引入开关谐波，滤波困难；重复控制、空间矢量调制稳态时补偿效果好，但是负载切换时补偿效果差，为降低稳态误差或者提高系统的鲁棒性控制设计复杂，所需的处理时间长。现有的控制策略和装置不能在满足良好的静态特性的同时实现较好的动态特性，鲁棒性差。
发明内容：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于线性二次调节器的静止发生器。其能够很好的跟踪电网负载变化的情况，动态特性好，鲁棒性强，在稳态时也能实现优异的补偿。
上述目的是这样实现的：它包括电网输入端子、电压传感器、电流传感器、信号调理电路、A/D转换电路、DSP控制系统A、DSP控制系统B、平波电抗器组、IGBT驱动模块、IGBT变换电路模块、电容器组、负载连接端子、电源模块、保护电路、软启动电路；分类而言装置包括：主电路和控制电路两部分，主电路包括软起动电路、平波电抗器、IGBT逆变电路、储能电容组；控制电路包括电源模块、信号采集模块、驱动模块、保护电路及DSP控制板；
所述的电容器组的正负端连接所述的IGBT变换电路模块的共阳极和共阴极；所述的IGBT变换电路模块输出与所述的平波电抗器组的输入端连接；所述的平波电抗器的输出端与所述的软启动电路的输入端连接；所述的软启动电路的另一端与电网连接；所述的电压传感器测量电网电压和所述电容器组两端的电压，所述的电流传感器测量负载电流和补偿电流，所述的电流传感器和所述的电压传感器连接到所述信号调理电路的输入端；所述信号调理电路的输出端连接所述的A/D转换电路的输入端；所述的A/D转换电路的输出端连接所述的DSP控制系统A的A/D转换电路；所述的DSP控制系统A的数据交换端口和所述的DSP控制系统B的数据交换端口连接；所述的DSP控制系统B驱动信号输出端和所述的IGBT驱动模块的输入端连接；所述IGBT驱动模块的输出端连接所述IGBT变换电路模块的输入端；所述的负载连接端子用于连接负载；所述的保护电路连接所述的DSP控制系统A的保护端口；所述的电源模块的输出供电端连接到各个模块的电源端，用于所述的各个模块供电。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
（1）该基于线性二次调节器的静止无功发生器控制策略能够很好的跟踪电网负载变化的情况，动态特性好，鲁棒性强，在稳态时也能实现优异的补偿；
（2）采用线性二次调节器能有效的避免在其他控制结构中出现的交叉耦合的现象，特别适合像静止无功发生器这种多输入控制变量的系统；
（3）系统采用软起动电路，降低起动时电容器组的过冲，增加了保护电路，当系统出现过流过压等故障时，能及时切断，避免故障时给后级负载带来危害，增加了系统的可靠性；
（4）静止无功发生器所用的储能电容组和平波电抗器的容量较小，节约装置的生产成本。
附图说明：
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型中三相三线制并联型静止无功发生器的拓扑结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型进一步说明：
它包括电网输入端子1、电压传感器2、电流传感器3、信号调理电路4、A/D转换电路5、DSP控制系统A6、DSP控制系统B7、平波电抗器组8、IGBT驱动模块9、IGBT变换电路模块10、电容器组11、负载连接端子12、电源模块13、保护电路14、软启动电路15；分类而言装置包括：主电路和控制电路两部分，主电路包括软起动电路、平波电抗器、IGBT逆变电路、储能电容组；控制电路包括电源模块、信号采集模块、驱动模块、保护电路及DSP控制板；
所述的电容器组11的正负端连接所述的IGBT变换电路模块10的共阳极和共阴极；所述的IGBT变换电路模块10输出与所述的平波电抗器组8的输入端连接；所述的平波电抗器8的输出端与所述的软启动电路15的输入端连接；所述的软启动电路15的另一端与电网连接；所述的电压传感器2测量电网电压和所述电容器组两端的电压，所述的电流传感器3测量负载电流和补偿电流，所述的电流传感器和所述的电压传感器连接到所述信号调理电路4的输入端；所述信号调理电路4的输出端连接所述的A/D转换电路5的输入端；所述的A/D转换电路5的输出端连接所述的DSP控制系统A6的A/D转换电路；所述的DSP控制系统A6的数据交换端口和所述的DSP控制系统B7的数据交换端口连接；所述的DSP控制系统B驱动信号输出端和所述的IGBT驱动模块9的输入端连接；所述IGBT驱动模块9的输出端连接所述IGBT变换电路模块10的输入端；所述的负载连接端子12用于连接负载；所述的保护电路14连接所述的DSP控制系统A的保护端口；所述的电源模块13的输出供电端连接到各个模块的电源端，用于所述的各个模块供电。
基于线性二次调节器的双DSP静止无功发生器控制系统主要包括以下步骤：
步骤一：检测三相三线制系统公共耦合点处的电网电压ua、ub、uc，通过锁相环得到与电网的a相电压频率和相位相同的控制信号，以用于步骤二中状态变量的坐标转换；
步骤二：检测负载的三相电流iLa、iLb、iLc，检测补偿器输出的三相补偿电流iCa、iCa、iCa，配合步骤一中得到的相位和频率信号，将三相负载电流信号和补偿电流信号转换到dq0旋转坐标系下，作为状态变量传给控制系统；
步骤三：检测静止无功发生器的直流侧电压，通过低通滤波器将电压，滤除电压信号中的高频纹波，将得到的稳定电压值和设定值的差值，将差值作为系统的状态信号输入控制系统；
步骤四：根据系统的结构框图如图1所示，建立系统控制状态空间方程，并通过坐标转换将三相状态空间方程转换到旋转坐标系下；
步骤五：将和时间相关的变量消除，得到系统的稳态工作点，由此得到系统的小信号模型，并根据系统实际参数得到控制变量、状态变量及扰动量的系数矩阵，此时只实现系统比例控制；
步骤六：为消除控制系统的稳态误差，在控制系统中增加积分部分，得到比例积分控制下系统的小信号模型，修改系统的参数矩阵；
步骤七：建立系统的状态空间方程之后，验证系统的能控性、可观测性，由经验或直觉可知道静止无功发生器是可以控制的，但此处需要验证；
步骤八：系统能控则可以进行最优参数的设计，首先根据经验选择各状态变量的权值系数，然后采用MATLAB中的lqrd或lqr函数得到系统控制的最优参数矩阵；
步骤九：将得到的控制系统最优参数矩阵应用于控制结构图中，得到系统在dq0坐标系下的开关函数，将开关函数转换到abc坐标系下，用于控制三相IGBT上下桥臂的开断，至此整个静止无功发生器控制系统设计完成。
一，SVG控制装置设计：
主电路设计
主电路采用逆变器整流电路选择采用IGBT模块，逆变器输出的直流电压经过电抗器再经过软启动控制电路连接到电网，逆变器的直流电源为电容器组，电容器理论上越大越好，但是考虑设计成本后选择使用8个容量为2200uf，耐压450V的电容，每4个一组作两并两串，并将两组并联，在两组电容上串联电阻做均压和放电回路，最后得到的耐压值为900V，电容量为4400uf。
软起动电路由软起动电阻和继电器KM1、KM2组成，经过仿真和实验选择电阻值为150欧。
控制电路设计：
DSP控制系统A和DSP控制系统B均选择使用TMS320F28335，其为TI公司推出的较为功能强大的32位浮点数字信号处理器，主频可达150MHz，大大提高了控制系统精度。DSP控制系统A主要实现对采集到的信号的处理功能，并通过信号决定保护电路和软启动电路的工作状态，DSP控制系统B获得DSP控制系统A的信号后，通过采用线性二次调节器控制策略产生恰当的IGBT变换电路驱动信号。双DSP控制系统使装置工作频率更高，有利于系统谐波的减小。
电源模块主要用于给DSP控制板、信号采集模块、驱动模块、保护电路供电。电源包括两个部分，一部分将AC220V转换到DC24V，另一部分将DC24V转换为DC12V、DC±15V、DC5V。
信号采集模块主要实现电网电压信号采集、负载电流信号采集、补偿电流信号采集及电容器组电压采集，之后将采集到的信号送至DSP控制板，作信号调理，以供系统应用。
驱动模块主要实现将驱动信号的调理用于驱动IGBT模块，其输入信号来自DSP控制板，TMS320F28335处理器输出的驱动信号经过处理后传至驱动模块。
二：线性二次调节器控制系统参数设计：
（1）在旋转坐标系（dq0）下系统建模
由三相并联型静止无功发生器的拓扑结构如图2所示，定其中 
、
为三相补偿瞬时电流
、、
转换到d轴、q轴的瞬时电流，
、
为公共节点三相瞬时电压
、
、
转换到d轴、q轴的瞬时电压，ω为电网电压的角频率，为静止无功发生器电容上的电压，、
为三相桥臂IGBT的开关函数
、、
转换到d轴、q轴时的开关函数，P为PARK变换矩阵。
根据基尔霍夫节点电压定律，则可得以下公式：
（4）
（5）
上式中式(4)和式（6）分别为代表状态空间矢量和开关的控制输入空间矢量，将系统由abc坐标系转换到dq坐标系的PARK变换矩阵为：
（2） 得到系统的小信号模型
将和时间相关的量化为0，可以得到系统的近似的稳态工作点为：
令
、
和
分别为系统的状态空间矢量、开关的控制输入空间矢量和公共耦合点的电压空间矢量，则系统的小信号模型可以表示为：
矩阵A、B、E分别为代表动态的状态空间矢量、开关的控制输入空间矢量和公共耦合点的电压空间矢量对应的系数矩阵。
由于线性二次调节器是多变量的比例调节器，为实现稳态无差的目的，应该在控制系统中增加积分环节，因此，需要在控制系统中增加积分控制项，增加积分控制项后，得到系统的小信号控制模型如式（10）所示：
其中：
、
、
分别为代表增加积分环节后，系统的状态空间矢量、开关的控制输入空间矢量和公共耦合点的电压空间矢量。可以得到此时状态变量对应的系数矩阵为A、B、E。
（3）选择系统的权值矩阵
定义系统的输出状态方程为：
其中，输出变量就是要控制的变量，包括d轴、q轴的电流，静止无功发生器直流侧电压，则
则可得系数矩阵C为：
定义
、
、
、
、
为不同变量对应的权值系数，Q是以其为对角元的5阶矩阵，
根据经验及仿真结果选择状态变量权值矩阵。
系统的控制函数的权值矩阵R如下的控制变量所示：
其中，取W为1。
其损耗方程定义为各个变量权值系数的平方和，则可得损耗函数为：
（16）
选择Q、R矩阵的标准是在保证系统的动态响应的情况下，保证系统的稳态响应，并保证系统的控制变量不会进入失调状态。
假设静止无功发生器系统没有损耗，则电容上的额定电压为Udc，则系统的稳态工作时，Id、Iq为0，占空比Sq为0，Sd为：
（4）验证系统的能控性、可观测性
由系统的状态空间描述可知，系统阶数n为5，含有两个控制量，则可控性矩阵V为
矩阵，V的秩数是5（系统的可控制的充分必要条件），
矩阵V由下式可求得：
将系统中各个参数的值代入得到系数矩阵，将系数矩阵代入式（19）即可得系统的能控矩阵，若矩阵的秩为5，说明矩阵所有列是相互独立的，则可确认系统为可控的。
由于系统有三个输出变量，则可观测性矩阵S的阶数为
，表示为：
如果系统的课观测性矩阵的秩数是5，则系统是可观测的。
上述过程可以在MATLAB中，输入下列语句实现：
P=ctrb(A，B)；%计算系统的能控矩阵
N=rank(P)；%计算能控矩阵的秩
Q=obsv(A，C)；%计算系统的可观测矩阵
N=rank(Q)；%计算可观测矩阵的秩
（4）系统控制参数设计
设定PWM信号的频率为10kHz，采样时间为100us，采用MATLAB中的lqrd函数完成基于DSP的LQRI控制器参数设计。
通过上述计算可以得到矩阵A、B、Q、R，而Ts是采样时间，用于将系统离散化，将式（21）输入MATLAB中得到系统的离散控制器。
式（22）中得到的离散控制器K，其中包括KI和KP，得到的K是阶的矩阵，可以将其分成两本部分，Kp为，Ki为的矩阵，也即如式（23）、（24）、（25）所示。
（25）
其中KP和KI分别表示比例系数矩阵和积分系数矩阵，得到系数矩阵，就可得到系统的最优控制方案。
三：SVG装置工作原理
首先，系统采集负载电流，DSP控制系统A通过计算得到所需要的补偿电流量也即指令电流值；然后，采集补偿电流，将其和指令电流值比较，最后，判断当前跟踪状态，将结果传送给DSP控制系统B，DSP控制系统B利用线性二次调节器策略，给出控制信号控制IGBT的通断，以控制补偿电流的输出。
Claims (1)
1.基于线性二次调节器的双DSP静止无功发生器，其特征是：包括电网输入端子（1）、电压传感器（2）、电流传感器（3）、信号调理电路（4）、A/D转换电路（5）、DSP控制系统A（6）、DSP控制系统B（7）、平波电抗器组（8）、IGBT驱动模块（9）、IGBT变换电路模块（10）、电容器组（11）、负载连接端子（12）、电源模块（13）、保护电路（14）、软启动电路（15）；分类而言装置包括：主电路和控制电路两部分，主电路包括软起动电路、平波电抗器、IGBT逆变电路、储能电容组；控制电路包括电源模块、信号采集模块、驱动模块、保护电路及DSP控制板；
所述的电容器组（11）的正负端连接所述的IGBT变换电路模块（10）的共阳极和共阴极；所述的IGBT变换电路模块（10）输出与所述的平波电抗器组（8）的输入端连接；所述的平波电抗器（8）的输出端与所述的软启动电路（15）的输入端连接；所述的软启动电路（15）的另一端与电网连接；所述的电压传感器（2）测量电网电压和所述电容器组两端的电压，所述的电流传感器（3）测量负载电流和补偿电流，所述的电流传感器和所述的电压传感器连接到所述信号调理电路（4）的输入端；所述信号调理电路（4）的输出端连接所述的A/D转换电路（5）的输入端；所述的A/D转换电路（5）的输出端连接所述的DSP控制系统A（6）的A/D转换电路；所述的DSP控制系统A（6）的数据交换端口和所述的DSP控制系统B（7）的数据交换端口连接；所述的DSP控制系统B驱动信号输出端和所述的IGBT驱动模块（9）的输入端连接；所述IGBT驱动模块（9）的输出端连接所述IGBT变换电路模块（10）的输入端；所述的负载连接端子（12）用于连接负载；所述的保护电路（14）连接所述的DSP控制系统A的保护端口；所述的电源模块（13）的输出供电端连接到各个模块的电源端，用于所述的各个模块供电。
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Effective date of registration: 20200922 Address after: 111000 No. 188 Zhonghua street, Baita District, Liaoning, Liaoyang Patentee after: Liaoyang Hongxin Machinery Equipment Co.,Ltd. Address before: 111000 No. 188 Zhonghua street, Baita District, Liaoning, Liaoyang Patentee before: LIAOYANG HONGFEI ELECTRICAL APPLIANCE MANUFACTURING (Group) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140416 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |