首页> 中国专利> 一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法

一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法

摘要

本发明公开了一种基于自适应反馈线性化的链式静止无功发生器(STATCOM)的控制方法,用于解决链式STATCOM中连接电感等参数随运行工况变化导致的控制性能不佳问题。本发明采用链式STATCOM线路等效电阻与连接电抗器电感值之比、连接电抗器电感值、链节等效电阻值作为控制器的不确定参数项;构建自适应反馈线性化控制器,使控制参数不再依靠上述参数的精确值;从而克服了间接电流控制模型中对电感值及线路等效电阻值的依赖,为链式STATCOM的安全稳定运行提供了保障。

著录项

  • 公开/公告号CN104953596A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2015-09-30

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 西安交通大学;

    申请/专利号CN201510158638.2

  • 申请日2015-04-03

  • 分类号H02J3/18(20060101);

  • 代理机构61200 西安通大专利代理有限责任公司;

  • 代理人陆万寿

  • 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号

  • 入库时间 2023-12-18 11:14:22

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2017-10-20

    授权

    授权

  • 2015-11-04

    实质审查的生效 IPC(主分类):H02J3/18 申请日:20150403

    实质审查的生效

  • 2015-09-30

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制方法,特别涉及一种基于自适应反馈线性化的链式静止无功发 生器(Static Synchronous Compensator,简称STATCOM,又称SVG或静止同步补偿器) 的控制方法。。

背景技术

现代电力系统更加注重于减少传输电力损耗、改善供电电能质量。现代电力网中包 含有大量的发电厂,传输线,负载,各种检测、保护装置。功率、频率或电压幅值会随 着本地或者远端负荷的改变,线路及装置故障,开关、控制器的突然动作而产生变化。 这些变化甚至会导致大电网的解列、甩负荷,造成更大面积的损失。FACTS技术能够增 强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本,通过为电网提供感应或无功功率从而提高 输电质量和效率。

STATCOM是FACTS设备的重要组成成员,STATCOM是Static Synchronous  Compensator的简称,中文称同步补偿器,又叫做静止无功发生器(Static Var  Generator,简称为SVG)。STATCOM可以用于补偿系统或者负载的无功功率,或者用来补 偿PCC点的系统电压。其中采用H桥级联式拓扑结构的STATCOM,由于可以实现较高的 电压等级,得到了广泛的应用。

根据有没有引入电流反馈,常用控制策略有间接电流控制与直接电流控制两种方法。 间接电流控制通常应用于高压设备,直接电流控制应用于低压设备。

(1)使用间接电流控制方法的电路器件开关频率低,使用直接电流控制方法的器件 开关频率高;

(2)间接电流控制方法需要知道精确的连接电抗的大小,而实际工程中,该值不仅 包括连接电抗值,还包括了连接变压器的漏抗的值,在运行过程中,通常是会变化的;

现有工程应用的控制方法,通常采用间接电流的控制方法,该方法基于STATCOM的 非线性模型,通过设计一个耦合的d、q轴电流解耦的PI控制器,来控制STATCOM成为 一个并联在电网上的,电流和电压相角差为90°的无功元件。在该控制方法中无功电流 与有功电流的解耦环节依赖于STATCOM连接电感精确值。在实际工程应用中,该电感值 包括了连接电抗器的电感、变压器的漏抗及线路电感值。系统在运行过程中,随着环境 温度、运行方式等内外界因素的变化,会引起电感值的变化,从而影响控制系统的控制 性能。

鉴于以上缺陷,实有必要提供一种链式静止无功发生器,以解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的在于,提供一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法,用以解 决STATCOM连接电感值、等效电阻值不确定引起的控制性能不佳的问题。

为实现上述任务,本发明采取如下的解决方案:

一种基于自适应反馈线性化的STATCOM控制方法,包括以下步骤:1)建立 STATCOM的数学模型;2)给定STATCOM中线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、 链节等效电阻值Rc三个参数,并以此为基础设计不确定参数项θ1、θ2、θ3;3)设计反 馈控制律及自适应律;4)采集STATCOM直流侧电容电压Vdc、PCC点电压Vs、STATCOM 输出电流Ic进行预处理;5)根据步骤3)设计的自适应律和步骤4)预处理后的结果, 计算不确定参数项θ1、θ2、θ3的估计值6)根据步骤3)设计的反馈控制 律和步骤5)得到的不确定参数项的估计值和步骤4)预处理后的结果,计 算STATCOM控制量u1和u2;7)根据步骤6)得到的STATCOM控制量u1和u2,输入 STATCOM,重新采集STATCOM的输出;8)重复进行步骤4)至步骤7),对STATCOM 进行实时控制。

步骤2)所设计的不确定参数表达为:θ3=Rc(ξ),其中R0(ξ)、 L(ξ)、Rc(ξ)分别为随工况变化而变化的线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节 等效电阻值Rc,其各自为系统工况状态向量ξ的函数,工况状态向量ξ由系统实时工况 决定;R0、L、Rc的初值为STATCOM在恒定工况下的系统设计值。

步骤4)对STATCOM直流侧电容电压Vdc进行预处理的方法为:首先对STATCOM 直流侧电容电压Vdc进行带阻滤波;然后将滤波后的各链节直流侧电容电压求取平均值; 接着,将该平均值与设定的链节电压参考值比较,最后经过PI控制后得到链式STATCOM 有功电流的参考值;对PCC点三相电压Vs、STATCOM输出电流Ic进行预处理的方法为: 对Vs、Ic进行park变换,得到Vsd、Vsq、Icd、Icq,其中,Vsd、Vsq为PCC点三相电压Vs的d轴、q轴分量,Icd、Icq为STATCOM输出端的有功电流和无功电流。

所述带阻滤波是以特征频率为100Hz进行,以滤除由电容充放电带来的2倍频谐波。

步骤3)所设计及步骤6)所应用的反馈控制律为:

u1=1θ^2Vdc(-θ^1Icd+ωIcq+θ^2Vsd-k1I~cd-dIcdrdt)

u2=1θ^2Vdc(-θ^1Icq-ωIcd+θ^2Vsq-k2I~cq-dIcqrdt)

Vdc=Cθ^3(Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt)

其中,N是单相链节数,ω=2πf,f为电网频率,C是链节直流侧电容值,Vdc为 STATCOM直流侧电容电压,Vdcr为STATCOM直流侧电容电压的参考值,Icdr为 STATCOM有功电流的参考值,Icqr为STATCOM无功电流的参考值,ui(i=1,2)为 STATCOM控制器输出量。

步骤3)所设计及步骤5)所应用的自适应律为:

其中,x~=x1-x1rx2-x2rx3-x3r=Icd-IcdrIcq-IcqrVdc-Vdcr

B=B11B120B21B22000B33,

B11=-Icd

B12=θ~1Icd-ωIcq+k1I~cd+dIcdrdt

B21=-Icq

B22=θ^1Icq+ωIcd+k2I~cq+dIcqrdt

B33=Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt

其中,自适应律为利用矩阵表示的一阶常微分方程组,其计算结果为对不 确定参数θi(i=1,2,3)的估计;k1、k2、k3为控制参数且均大于零;I~cd=Icd-Icdr,I~cq=Icq-Icqr,V~dc=Vdc-Vdcr.

与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明控制方法构建一个自适应 反馈线性化控制器,以线路等效电阻与连接电抗器电感值之比、连接电抗器电感值,以 及链节等效电阻作为控制器的不确定参数项,从而保证控制参数不再依靠上述参数的精 确值,克服了间接电流控制模型中对电感值及线路等效电阻值的依赖,为链式STATCOM 的安全稳定运行提供了保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明提供的一种基于自适应反馈线性化的链式STATCOM系统的连接原理图;

图2为本发明提供的一种基于自适应反馈线性化的链式STATCO0M的控制方法的原 理图。

具体实施方式

下面,结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示,被控对象为一台链式STATCOM。本发明STATCOM采用12链节星形拓扑 结构,通过连接电抗器并联在电网系统PCC点,通过连接断路器与电网连接。

本发明控制方法构建一个自适应反馈线性化控制器,以线路等效电阻与连接电抗器 电感值之比、连接电抗器电感值,以及链节等效电阻作为控制器的不确定参数项,从而 保证控制参数不再依靠上述参数的精确值,克服了间接电流控制模型中对电感值及线路 等效电阻值的依赖,为链式STATCOM的安全稳定运行提供了保障。

本发明控制方法包括以下步骤:

一、构建链式STATCOM的数学模型

链式STATCOM数学模型包含了链式STATCOM输出端有功电流Icd、无功电流Icq与 每一链节直流侧电容电压Vdc之间的关系,如下式(1):

x·=f(x)+g1(x)u1+g2(x)u2---(1)

其中,x=[x1,x2,x3]T=[Icd,Icq,Vdc]T

f(x)=-R0(ξ)L(ξ)x1+ωx2+VsdL(ξ)-R0(ξ)L(ξ)x2-ωx1+VsqL(ξ)-x3CRc(ξ)---(2)

g1(x)=-x32L(ξ)0x13NC---(3)

g2(x)=0-x32L(ξ)x23NC---(4)

其中,N是单相链节数,ω为电网角频率,C是链节直流侧电容值;R0(ξ)、L(ξ)、 Rc(ξ)分别为随工况变化而变化的线路等效电阻R0、连接电抗器电感值L、链节等效电 阻值Rc,其各自为系统工况状态向量ξ的函数,工况状态向量ξ由系统实时工况,如系 统工作状态、环境温度等因素决定;Icd、Icq分别由链式STATCOM输出端三相电流Ic经 park变换后得到的STATCOM输出有功电流和无功电流;、Vsd、Vsq分别是PCC点三相 电压Vs经过park变换得到的d轴和q轴的分量;ui(i=1,2)为STATCOM控制器输出。 二、设计反馈控制及自适应律

1)STATCOM系统可以表示为:

I~·cd=-θ1Icd+ωIcq+θ2Vsd-Nθ2Vdcu1-dIcdrdt---(5)

I~·cq=-θ1Icq-ωIcd+θ2Vsq-Nθ2Vdcu2-dIcqrdt---(6)

V~·dc=-Vdc3+Icdu13NC+Icqu23NC-dVdcrdt---(7)

其中,x~=x1-x1rx2-x2rx3-x3r=Icd-IcdrIcq-IcqrVdc-Vdcr为误差项;Icdr、Icqr、Vdcr分别为有功电流、无功 电流、直流侧电容电压的参考值;

2)设计反馈控制

u1=1θ^2Vdc(-θ^1Icd+ωIcq+θ^2Vsd-k1I~cd-dIcdrdt)---(8)

u2=1θ^2Vdc(-θ^1Icq-ωIcd+θ^2Vsq-k2I~cq-dIcqrdt)---(9)

Vdc=Cθ^3(Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt)---(10)

其中,K1、K2、K3为控制参数(K1>0,K2>0,K3>0);为对参 数θi(i=1,2,3)的估计;

3)求取误差参数矩阵

通过将2)中u1、u2表达式代入1)中的方程组中,得到状态变量误差的微分值表 达式。将该表达式通过矩阵表示为状态变量、可变参数误差的函数

I~·cd=k1I~cd-θ~1Icd-θ~2θ^2(-θ^1Icd+ωIcq-k1I~cd-dIcdrdt)---(11)

I~·cq=k2I~cq-θ~1Icq-θ~2θ^2(-θ^1Icq-ωIcd-k2I~cq-dIcqrdt)---(12)

V~·dc=k3V~dc+θ~3θ3(Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt)---(13)

其中,θ~i=θi-θ^i(i=1,2,3)为参数估计误差。

表示为矩阵形式,

I~·cd=k1I~cd+B11B12θ~1θ~2/θ^2---(14)

I~·cq=k2I~cq+B21B22θ~1θ~2/θ^2---(15)

V~·dc=k3V~dc+B33·θ~3/θ3---(16)

进而表述为,

x~·=Ax~+BTC-1θ~---(17)

其中,矩阵C为C=diag[1,θ^2,θ3];

4)设计自适应律

θ^·=Bx~

其中,B=B11B120B21B22000B33

B11=-Icd

B12=θ~1Icd-ωIcq+k1I~cd+dIcdrdt

B21=-Icq

B22=θ^1Icq+ωIcd+k2I~cq+dIcqrdt

B33=Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt

三、控制方法

下面结合一个实施例陈述控制方法

STATCOM每一个链节模块的电路拓扑为单相全桥,开关元件采用全控型器件IGBT。 其链节的直流侧并联一个电容C,该电容起电压支撑的作用。链式STATCOM系统采用 PS-PWM的调制方式。

所设计的STATCOM参数为:容量10MVar,额定电压10kV,额定相电流:

IN=SN3*VN=333.33A

单个连节可以看做是一个直流侧无负载的全控型单相全桥整流电路。根据全控型单 相全桥整流电路的电流性质,在某状态下,一个IGBT会承受整个链节的电压。

故单个链节的交流侧电压可以近似计算为:

Vi=VNN=10kV120.9kV

考虑裕量,选取1700V的IGBT。集电极电流直接决定了IGBT的耐固性,其选择过 程也比较复杂,必须根据实际温升测试来决定,也与IGBT本身特性、实际工作频率、风 道设计等因素有关,但通常,集电极电流应小于等于额定工作时的电流值。对照IGBT 产品规格,简单根据额定相电流的大小选择,选取450A的IGBT产品。本链节IGBT的选 取富士电机2MBI450VN-170-50。

考虑:(1).电网电压波动范围为±5%;(2).电容电压稳态误差3%,电容电压允许 最大波动值为10%;(3).电感误差为±5%;(4).考虑死区时间和开关特性,调制系数λ 取为0.98。逆变器最大输出电压为:

Vc=VN×1.05×(1+0.1×1.05)=11.6025(kV)

假设级联链节均分电压:

Vi=VcN=0.966875(kV)

VY=62×λ×VDC×(1-3%-10%)

从而直流电容电压参考值计算得:

VDCref=2×VY6×λ×(1-3%-10%)=0.9261(kV)

其中,每一个链节均由链节主控制板控制。链节主控制板接收来自主控制器的调制 波信号,生成PWM控制信号控制IGBT开通关断。

如图2所示,通过电流、电压互感器得到系统PCC点、STATCOM输出端的电压、电 流值,送入主控制系统中。同时,利用分压的方式检测到各链节直流侧电容电压,送入 主控制系统,经过100Hz的带阻滤波后,滤除由电容充放电引起的二倍频,然后进行PI 控制,得到系统有功电流参考值。将采集得到的三相量Vs、Il、Vc、Ic通过park变换, 变换为Vsd、Vsq、Ild、Ilq、Vcd、Vcq、Icd、Icq;通过所获得的PCC点处的电流值与STATCOM 端口处电流值,经过计算即可得到所需补偿的无功电流值。

Ild=Isd-Icd

将上述控制输入量输入自适应律进行参数更新。其中,矩阵:

B=B11B120B21B22000B33

B11=-Icd

B12=θ~1Icd-ωIcq+k1I~cd+dIcdrdt

B21=-Icq

B22=θ^1Icq+ωIcd+k2I~cq+dIcqrdt

B33=Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt

参数更新后获得的估计量

将更新后的估计参量代入反馈控制中:

u1=1θ^2Vdc(-θ^1Icd+ωIcq+θ^2Vsd-k1I~cd-dIcdrdt)

u2=1θ^2Vdc(-θ^1Icq-ωIcd+θ^2Vsq-k2I~cq-dIcqrdt)

Vdc=Cθ^3(Icd3NCu1+Icq3NCu2-k3V~dc-dVdcrdt)

从而得到被控系统的控制量。系统在运行过程中,随着系统各参数的小范围波动, 自适应参数随着自适应律做以调整,调整后的参数输入到控制中,从而实现对STATCOM 的实时控制。

采用本发明提出的控制方法,解决了STATCOM实际运行过程中参数变化而导致的控 制性能不佳的问题。从而实现STATCOM更稳定的控制,为系统的安全、稳定运行提供了 保障。

去获取专利,查看全文>

相似文献

  • 专利
  • 中文文献
  • 外文文献
获取专利

客服邮箱:kefu@zhangqiaokeyan.com

京公网安备:11010802029741号 ICP备案号:京ICP备15016152号-6 六维联合信息科技 (北京) 有限公司©版权所有
  • 客服微信

  • 服务号