一種基於LADRC的混合型動態無功補償控制系統的製作方法

2024-03-30 06:28:05

(一)技術領域：

本發明屬於電力系統無功補償技術領域，特別涉及一種基於ladrc(linearactivedisturbancerejectioncontrol,ladrc-線性自抗擾控制器)的混合型動態無功補償系統的電流跟蹤控制系統。

(二)

背景技術：
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無功功率的平衡對無功的快速調節具有重要意義,因此被認作電網安全穩定運行的一個重要參考依據。晶閘管投切電容器(thyristorswitchcapacitor-tsc)作為一種廣泛應用的無功補償方式,其結構簡單,成本低。靜止同步補償器(statcom)是一種並聯型無功補償的facts裝置，它能夠發出或吸收無功功率，在電力系統中可以實現快速平滑地吸收感性和容性無功功率的目的，由於其具有起動無衝擊、調節連續、響應快速、佔地面積小等優點，廣泛應用於電力工業領域並得到飛速發展。混合無功補償裝置將兩者結合，相當於一個可變的無功電流源並聯於電網中,其無功電流可以靈活控制，不僅彌補了tsc不能連續投切的問題，還減小了statcom的安裝容量，在經濟和運行兩方面得到了優化。statcom+tsc混合無功補償系統，將statcom與tsc進行優勢互補，在滿足補償要求的情況下，使用低成本的tsc承擔大部分的無功功率，statcom僅對動態小部分的無功功率進行補償，消除了tsc補償級差，降低了裝置整體的成本，具有重要的應用價值。針對混合無功補償系統中動態補償部分，其控制策略將直接影響著電力系統的動態響應以及是否能夠快速、連續地提供無功功率以支撐穩定系統電壓的問題。但是一般的混合無功補償系統中都是採用傳統的pid控制器來設計，利用傳統pid控制器很難較好地取得精確性和快速性，且隨著控制品質的進一步提高，傳統pid控制器的缺陷被進一步放大。

(三)

技術實現要素：
：

本發明目的是針對傳統pid控制中的種種不足，同時遵循用誤差消除誤差的思想，提供一種基於ladrc的混合型動態無功補償控制系統，自抗擾控制技術能對pid控制缺陷進行彌補。

本發明系統結合高性能數位訊號處理器和先進的線性自抗擾控制算法，大大提高了控制精度和效果，能實現補償電流對指令電流的快速實時跟蹤。系統精度高，抗幹擾能力強，克服了在衝擊性負載及負載突變時靜止同步補償器的抗幹擾能力弱的問題，能夠快速準確響應，使系統達到穩定。由於綜合考慮statcom及tsc的特點後，對statcom+tsc裝置應該採用的整體控制策略是：tsc承擔大部分的靜態無功功率，而statcom主要承擔小部分的動態，採用相互獨立控制。

本發明的技術方案

一種基於ladrc的混合型動態無功補償控制系統，是一種適用於混合型動態無功補償系統的抗擾跟蹤控制系統，包括信號調理電路單元、dsp控制單元以及驅動電路單元，所述信號調理電路單元的輸出端與dsp控制單元輸入端相連，所述dsp控制單元輸出端與驅動電路單元的輸入端相連；所述信號調理單元依電壓互感器和電流互感器對電網的電壓和電流進行實時監測，並將電網和逆變器側需要採集的強電信號轉換成弱電信號，然後由信號調理電路單元將採集的三相電壓、電流及相位等信號送入dsp控制單元；再由dsp控制單元觸發驅動電路單元裡的模塊輸出驅動信號控制相應開關的通斷。

一、其中所述dsp控制單元包括：補償電流檢測模塊、dsp控制模塊和脈衝觸發模塊。

所述補償電流檢測模塊的輸入端與信號調理電路單元的輸出端連接,其輸出端同時與dsp控制模塊及脈衝觸發模塊的輸入端連接，所述dsp控制模塊及脈衝觸發模塊的輸出端與驅動電路單元的輸入端相連。

1、補償電流檢測模塊由fpga檢測模塊構成，通過瞬時無功功率理論完成諧波分析和無功計算。

2、所述dsp控制模塊，包括含有ladrc控制算法的主控制器子單元、a/d採樣子單元、外部擴展存儲子單元、外部輸出接口子單元、通信模塊和串行eeprom+rtc實時時鐘等外設；所述補償電流檢測模塊的輸出端與所述a/d採樣子單元輸入端相連接，該a/d採樣子單元輸出端與主控制器子單元相連接；所述主控制器子單元還分別與外部擴展存儲子單元和外部輸出接口子單元相連接，該外部輸出接口子單元的輸出端與所述驅動電路單元相連。

所述a/d採樣子單元採用型號為ad77o5的晶片；所述主控制器子單元採用tms320f2812晶片，該晶片速度提升至150m，處理數據位數躍升到32位定點，最大的亮點是其擁有eva、evb事件管理器和配套的12位16通道的數據採集；所述外部接口子單元採用電晶體輸出光電耦合器tlp512；所述外部擴展存儲子單元採用存儲晶片is61lv256，考慮到混合補償系統的數據存儲容量要求比較大,故採用擴展eeprom(at24c512)對數據進行存儲。電路配置標準rs-232串行通信接口。

二、所述驅動電路單元由三角波發生器子單元和比較器子單元組成，該比較器子單元輸入端還與dsp控制模塊的輸出端相連接。

一種基於ladrc的混合型動態無功補償系統的抗擾跟蹤控制系統，該控制系統所涉及的控制方法包括以下步驟：

步驟a、通過上述所說的系統中的電壓互感器、電流互感器採集電網的實時電壓電流信息，由所述的信號調理電路單元進行數據的初步調理。

步驟b、通過上述信號調理電路對混合補償系統各接入點電壓、tsc的輸出電流、statcom的直流側電壓和工作電流進行檢測，經所述補償電流檢測模塊(fgpa檢測模塊)處理後的三相負載電流檢測單元輸出ia,ib,ic至dsp控制模塊的a/d採樣子單元，經a/d採樣子單元進入所述dsp控制模塊的主控制器子單元，得出電網的無功補償容量，送至tsc控制模塊，進行相應投切。

步驟c、投切後經補償電流檢測模塊檢測tsc補償後的剩餘無功功率，以此無功功率作為statcom的補償指令，並且經派克變換後產生無功指令電流iqref；

步驟d、將ladrc控制算法編寫入dsp控制模塊，利用dsp對數據進行處理，實現對補償電流的跟蹤控制，輸出補償電流的控制量。

步驟e、由fgpa檢測模塊的直流側電壓檢測單元輸出直流電壓至dsp控制模塊的a/d採樣子單元，經a/d採樣進入dsp控制模塊的主控制器子單元後分別與系統直流側電壓設定值uref比較形成誤差信號，該信號經過調節器產生有功指令電流idref；

步驟f、線性自抗擾控制策略：控制框圖如圖4所示。把本發明最核心的線性自抗擾補償電流控制技術編寫入dsp晶片，即把控制算法轉化為程式語言存入所述的存儲單元。無功指令電流iqref與有功指令電流idref分別經過dsp控制模塊的主控制器子單元進行線性自抗擾控制算法處理之後，形成靜止同步補償器有功和無功電壓輸出指令信號ucd和ucq；

步驟g、由fgpa檢測模塊的相位檢測單元輸出系統相位角θ直流側電壓設定值uref、有功和無功電壓輸出指令信號ucd和ucq，經dsp控制模塊的主控制器子單元計算出pwm輸出的調製比m與調製波相位角α後存入dsp控制模塊的外部擴展存儲子單元，並經由dsp控制模塊的外部接口子單元輸出三相pwm調製信號至驅動電路單元(igbt驅動模塊)；

步驟h、pwm調製信號進入igbt驅動模塊的比較器子單元後，與igbt驅動模塊的三角波發生器子單元比較，產生主電路模塊igbt驅動信號，通過調節佔空比控制靜止同步補償器輸出無功電流的大小，從而對電力系統進行無功補償控制。本發明的優點和技術效果在於：

本發明通過降低無功補償裝置的投資成本，又可以動態的調節無功功率，發明了一種適用於statcom+tsc混合動態無功補償系統的抗擾跟蹤控制系統，利用高性能的信號處理器(dsp)和靈活的線性自抗擾控制技術以獲得高精度的控制效果，大大提高了系統的快速性和魯棒性，最大程度上提高了系統的無功補償響應速度，保證了電能質量。

(四)附圖說明：

附圖1是本發明的整體系統結構框圖。

附圖2是本發明所涉一種基於ladrc的混合型動態無功補償控制系統的dsp控制單元的結構示意圖。

附圖3是本發明的控制電路結構框圖。

附圖4是本發明的電流抗擾跟蹤控制系統的工作方法中基於線性自抗擾控制算法的原理框圖。

(五)具體實施方式：

實施例：一種基於ladrc的混合型動態無功補償控制系統，如圖1所示，包括信號調理電路單元、dsp控制單元以及驅動電路單元；所述信號調理電路單元的輸出端與dsp控制單元輸入端相連，所述dsp控制單元輸出端與驅動電路單元的輸入端相連；所述驅動電路單元的輸出端輸出驅動信號控制混合動態無功補償系統中的電力電子開關的通斷。

下面分別對信號調理電路單元、dsp控制單元以及驅動電路單元的電路結構進行說明：

(1)所述信號調理單元依電壓互感器和電流互感器對電網的電壓和電流進行實時監測，並將電網和逆變器側需要採集的強電信號轉換成弱電信號，然後由信號調理電路單元將採集的三相電壓、電流及相位等信號送入dsp控制單元。

(2)dsp控制單元包括：補償電流檢測模塊、dsp控制模塊和脈衝觸發模塊。

所述補償電流檢測模塊的輸入端與信號調理電路單元的輸出端連接,其輸出端與dsp控制模塊及脈衝觸發模塊的輸入端連接。所述dsp控制模塊及脈衝觸發模塊的輸出端與驅動電路單元的輸入端相連。補償電流檢測模塊由fpga檢測模塊構成，通過瞬時無功功率理論完成諧波分析和無功計算。

所述dsp控制模塊，並且包括主控制器子單元(包含ladrc控制算法，)、a/d採樣子單元、外部擴展存儲子單元、外部輸出接口子單元、通信模塊和串行eeprom+rtc實時時鐘等外設；所述a/d採樣子單元輸入端與所述補償電流檢測模塊的輸出端相連接，該a/d採樣子單元輸出端與主控制器子單元相連接；所述主控制器子單元還分別與外部擴展存儲子單元和外部輸出接口子單元相連接，該外部輸出接口子單元的輸出端與所述驅動電路單元相連。所述a/d採樣子單元採用型號為ad77o5的晶片；所述dsp控制模塊主控制器採用tms320f2812晶片；所述外部接口子單元採用電晶體輸出光電耦合器tlp512；所述外部擴展存儲子單元採用存儲晶片is61lv256，考慮到混合補償系統的數據存儲容量要求比較大,故採用擴展eeprom(at24c512)對數據進行存儲。

(3)igbt驅動模塊由三角波發生器子單元和比較器子單元組成；所述三角波發生器子單元輸出端與比較器子單元的輸入端相連接；該比較器子單元輸入端還與dsp控制模塊的輸出端相連接。

一種基於ladrc的混合型動態無功補償控制系統所涉及的控制方法，如圖2所示，包括以下步驟：

步驟a、通過上述所說的系統中的電壓互感器、電流互感器採集電網的實時電壓電流信息，由所述的信號調理電路單元進行數據的初步調理。

步驟b、通過上述信號調理電路對混合補償系統各接入點電壓、tsc的輸出電流、statcom的直流側電壓和工作電流進行檢測，經所述fgpa檢測模塊處理後的三相負載電流檢測單元輸出ia,ib,ic至dsp控制模塊的a/d採樣子單元，經a/d採樣子單元進入所述dsp控制模塊的主控制器子單元，得出電網的無功補償容量，送至tsc控制模塊，進行相應投切。

步驟c、投切後經補償電流檢測模塊檢測tsc補償後的剩餘無功功率，以此無功功率作為statcom的補償指令，並且經派克變換後產生無功指令電流iqref；

步驟d、將ladrc控制算法編寫入dsp控制模塊，利用dsp對數據進行處理，實現對補償電流的跟蹤控制，輸出補償電流的控制量。

步驟e、由fgpa檢測模塊的直流側電壓檢測單元輸出直流電壓至dsp控制模塊的a/d採樣子單元，經a/d採樣子單元進入dsp控制模塊的主控制器子單元後分別與系統直流側電壓設定值uref比較形成誤差信號，該信號經過調節器產生有功指令電流idref；

步驟f、線性自抗擾控制策略：控制框圖如圖4所示。把本發明最核心的線性自抗擾補償電流控制技術編寫入dsp晶片，即把控制算法轉化為程式語言存入所述的存儲單元。無功指令電流iqref與有功指令電流idref分別經過dsp控制模塊的主控制器子單元進行線性自抗擾控制算法處理之後，形成靜止同步補償器有功和無功電壓輸出指令信號ucd和ucq；

步驟g、由fgpa檢測模塊的相位檢測單元輸出系統相位角θ直流側電壓設定值uref、有功和無功電壓輸出指令信號ucd和ucq，經dsp控制模塊的主控制器子單元計算出pwm輸出的調製比m與調製波相位角α後存入dsp控制模塊的外部擴展存儲子單元，並經由dsp控制模塊的外部接口子單元輸出三相pwm調製信號至igbt驅動模塊；

步驟h、pwm調製信號進入igbt驅動模塊的比較器子單元後，與igbt驅動模塊的三角波發生器子單元比較，產生主電路模塊igbt驅動信號，通過調節佔空比控制靜止同步補償器輸出無功電流的大小，從而對電力系統進行無功補償控制。

下面主要對dsp控制模塊的工作原理進行說明：

所述dsp控制模塊採用tms320f2812晶片，便於檢測及負載控制算法的實現；a/d採樣晶片採用16位a/d轉換器採用σ—δa/d技術的高精度晶片ad77o5，可以高速、準確的採集三相電流、系統相位等信號；外部接口採用光電耦合器tlp512，在保護主控電路的基礎上，很好的控制外圍設備；外擴數據存儲晶片使用is61lv256。所述dsp控制模塊的主控制器子單元採用線性自抗擾控制器，設計該控制器要從靜止同步補償器數學模型入手，根據瞬時功率理論，考慮實際工況及系統非線性擾動，得到級聯svg在dq坐標系下的數學模型：

由原理可知調節無功電流iq就可以控制靜止同步補償器發出或者吸收的無功功率，同理，調節有功電流id可以調節靜止同步補償器與電網系統有功功率交換。由上式可知有功電流id與無功功率iq，存在著明顯的耦合關係，在非理想情況下系統是多變量、強耦合、非線性系統，存在不確定的內擾和外擾，對於混合補償系統，控制精度不夠好，採用一般的控制方法難以滿足系統的控制要求。

線性自抗擾控制器(ladrc)中的線性擴張狀態觀測器(leso)對於耦合系統具有很好的作用，ladrc中的eso是把輸入信號也引入到狀態觀測器中，可以將耦合項作為系統的內部擾動觀測出來，以達到解耦的目的，即

通過以上假設可以看出，如果將f1與f2作為系統內部擾動來看，從上式可以看出id、iq與u之間都是單輸入單輸出關係，不再存在耦合的關係，從而實現了解耦。

基於以上方程，設計雙閉環靜止同步補償器控制器，外環直流電壓調節器採用pi調節器，用於產生有功電流指令信號idref，內環分別針對d、q軸設計一階線性自抗擾控制器(ladrc)。在控制量u和id、iq之間並行嵌入2個1階自抗擾控制器。將d-statcom裝置輸出的電壓分量u看做控制量。檢測環節檢測到的無功電流給定值iqref作為ladrc控制器輸入，無功電流iq需要實時跟蹤無功電流給定值iqref，通過iq與iqref之間的差值來確定系統中應補償無功功率的大小。

設計ladrc控制算法，其中一階ladrc控制模型如下

其中z1j(j＝p,q)跟蹤ij(j＝p,q)信號，z2j(j＝p,q)跟蹤所有擾動。