基于dsp的靜止無功發生器控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于DSP的靜止無功發生器控制系統及控制方法，控制系統包括信號調理電路、滑模控制器、無電感L解耦控制器、空間矢量調制器、驅動電路、三相橋式電路、電力系統。本發明采用的滑模變結構及PI調節的綜合控制，能夠對直流側的電容電壓的控制以及無功電流的快速跟蹤補償，不僅設計簡單，便于實現，而且滑模控制及無電感參數L的前饋解耦控制，使得控制系統對于外部干擾及系統參數擾動具有較好的魯棒性，使得系統可以較好地動態跟蹤無功電流，充分發揮出靜止無功發生器的快速無功補償的性能，可以更廣泛的應用到工程實際中。
【專利說明】
基于DSP的靜止無功發生器控制系統及控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種靜止無功發生器，尤其設及一種基于DSP的靜止無功發生器控制 系統及控制方法，屬于電能質量技術領域。
【背景技術】
[0002] 電能作為現代社會的支柱能源和經濟命脈，其應用程度是衡量一個國家發展水平 和綜合國力的重要標志之一。無功功率是電氣技術領域一個重要的物理量，用來在電氣設 備中建立和維持磁場，完成電磁能量的相互轉換。要保證電力系統的安全運行，無功功率不 可或缺。無功不平衡會引起系統電壓波動甚至崩潰，損壞用電設備，破壞系統穩定。
[0003] 在電力系統中，由于電網負載普遍含有線圈等感性負載，所W電網中含著大量的 感性無功功率。雖然運些感性負載對經濟發展起著巨大作用，但其引起大量的無功電流，不 利于電網和用電設備的運行，造成如下影響：
[0004] (1)增加設備容量。無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發 電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測 量儀表的體積和成本也要增加。
[0005] (2)設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的 損耗增加，從而降低了電氣設備的運行效率。設線路總電流為I = Ip+Iq，線路電阻為R，則線 路損耗A P為
，其中（Q2AJ2)R運一部分損耗就是由無功功率 所引起的。
[0006] (3)使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負荷，還會使電壓產生 劇烈波動，嚴重影響供電質量。
[0007] (4)由諧波源造成的無功影響同樣會帶來一系列問題，如諧波損耗，影響設備正常 工作，造成振動、熱、噪聲，自動裝置誤動作，對通信系統產生干擾等。
[0008] 正是因為電網中存在大量的無功功率，且其對電網和用戶用電設備的影響，使得 無功補償裝置在電網中十分普遍，傳統的無功補償設備一般都用晶閩管投切電容器組或者 是固定電容器+晶閩管控制電抗(SVC)的形式，但運兩種無功補償方式的體積偏大，動態響 應速度慢，使用不太靈活。運使得SVG在提高中低壓配電網電能質量中頗受關注。與W往的 無功補償裝置相比，SVG有響應時間快，不會諧振短路，可W發出連續可調的感性或容性無 功，又可W濾除諧波，提升電能質量，特別適用于配電系統。
[0009] 傳統的PID控制器設計相對比較簡單，但是，不適用于復雜控制系統，而且控制系 統受器件參數及外部影響較大，而且參數數值不容易確定。未來的SVG的應用與研究控制系 統采用更加智能的控制算法，如模糊控制、神經網絡自適應控制、滑模變結構控制等，實現 無功參數檢測更加快速精確。
[0010] 目前，靜止無功發生器的控制系統大多是存在著體積偏大，動態響應速度慢，使用 不太靈活等缺點。因此為了提高補償裝置控制系統的響應速度，減小占地和諧波分量，需要 設計更加先進的用于控制靜止無功發生器的控制系統及控制方法。

【發明內容】

[0011] 本發明的目的在于提供一種基于DSP的靜止無功發生器控制系統及控制方法，實 現對直流側電容電壓和電流跟蹤的綜合控制，使得補償電流能夠快速地跟蹤指令電流，使 電網電流被補償為穩定平衡的=相正弦電流，而且直流側電容電壓到達設定值并保持不 變。
[0012] 本發明的目的是通過W下技術方案予W實現：
[0013] -種基于DSP的靜止無功發生器控制系統，包括信號調理電路1、滑模控制器2、無 電感L解禪控制器3、空間矢量調制器4、驅動電路5、S相橋式電路6、電力系統7;靜止無功發 生器主電路的電壓互感器和電流互感器采集來的電壓和電流輸入信號調理電路1，經過調 理之后送入位于DSP內部的滑模控制器2和無電感L解禪控制器3,滑模控制器2產生有功電 流參考量送入無電感L解禪控制器3,無電感L控制器3運算輸出空間矢量調制的控制量送入 空間矢量調制器4,空間矢量調制器4輸出六脈沖PWM信號，PWM信號經過驅動電路巧E動靜止 無功發生器主電路的=相橋式電路6，=相橋式電路6在PWM的驅動下產生相應的無功補償 電流注入電力系統7，同時電力系統7中的有功電流也將通過=相橋式電路6逆變成直流，為 直流側電容進行充電，維持直流側電容電壓的穩定。
[0014] 本發明的目的還可W通過W下技術措施來進一步實現：
[0015] -種基于DSP的靜止無功發生器控制系統的控制方法，其中滑模控制器2根據檢測 調理好的=相橋式電路6的直流側電容電壓Udc、直流側電容參考電壓Udcref構建滑模面：
[0016] 首先^
作為輸入，構造控制=相橋式電路直流側 電容電壓的滑模面S ( ei62t ) = ei+kl62，其中Wde是Udc的微分，是Udcref的微分，kl為滑模常 數，t為系統時間，使得直流側電壓維持穩定在參考值電壓Udcref;
[0017]將dq坐標系下的數學模型代入至雌模面S(ei 62 t) = ei+ki62中得到：
[001 引
[0019] 其中，ed、eq是網側電比ea、eb、ec的dq分量，id、i9為立相橋式電路輸出的補償電流 ica、icb、icc經dq坐標變換得到，C為=相橋式電路直流側電容；
[0020] 簡化上述滑模面，得到同步旋轉dq坐標下，系統中d軸電流指令idref;
[0021]
[0022] 其中~質化為交流；相輸入電源的相電壓的有效值；
[0023] 則電壓外環滑模控制器2的滑模面為：
[0024] S=Qdrrf-id)
[0025] 前述基于DSP的靜止無功發生器控制系統的控制方法，其中無電感L解禪控制器3 的設計方法如下：
[0026]
[0027] 其中，UdcSd二Ud UdcSq = Uq , Kp是比例系數,Ki是積分系數，idref、iqref分力[J為id、iq的 參考量。
[00%]可選的，前述基于DSP的靜止無功發生器控制系統，其中滑模控制器基于DSP。
[0029] 可選的，前述基于DSP的靜止無功發生器控制系統，其中無電感L解禪控制器基于 DSP。
[0030] 與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明采用了數字信號處理器DSP，并基 于內部的瞬時無功算法、電壓外環滑模變結構的控制算法W及基于非線性PI無電感參數L 電流內環前饋解禪控制算法，快速獲得觸發開關器件的PWM信號的控制量。本發明采用的滑 模變結構及PI調節的綜合控制，能夠對直流側的電容電壓的控制W及無功電流的快速跟蹤 補償，不僅設計簡單，便于實現，而且滑模控制及無電感參數L的前饋解禪控制，使得控制系 統對于外部干擾及系統參數擾動具有較好的魯棒性，使得系統可W較好地動態跟蹤無功電 流，充分發揮出靜止無功發生器的快速無功補償的性能，可W更廣泛的應用到工程實際中。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是本發明靜止無功發生器的工作原理圖；
[0032] 圖2是本發明基于DSP的靜止無功發生器控制系統的結構圖；
[0033] 圖3是本發明滑模無電感L解禪控制器設計流程圖；
[0034] 圖4是本發明直流側電容電壓滑模控制器結構圖；
[0035] 圖5是本發明無電感L解禪控制器結構圖；
[0036] 圖6是本發明滑模無電感L解禪控制器流程框圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0038] 如圖1所示，為本發明設及的靜止無功發生器的工作原理圖。靜止無功發生器應用 在電力系統的無功補償方面，基于DSP的靜止無功發生器控制系統并聯在電力系統中，用于 平衡電力系統中由于負載變化產生的無功功率。當SVG用于補償輸電系統的無功功率時，在 橋式電路直流側裝設較大的穩壓儲能元件，SVG能夠連續、動態的給電網補償所需的無功功 率。運是早期的無功補償裝置SVC所不具備的，對于電力系統而言是非常重要的。此外SVG可 W將低次諧波去除，同時將存在的高次諧波電流降到系統安全范圍之內。
[0039] 基于DSP的靜止無功發生器控制系統連接于SVG低壓的一側，主要用于采集電力系 統的實時數據，包括：網側的電壓、電流，直流側電容電壓、直流側電流。經信號調理電路W 及數字信號處理器DSP內部的滑模控制算法W及非線性PI控制產生控制信號，進一步經空 間矢量調制產生驅動脈沖，觸發開關器件的開關，實現無功功率的動態跟蹤補償。
[0040] 如圖2所示，靜止無功發生器控制系統包括兩部分主回路和控制回路，其中主回路 由=相橋式電路6、電力系統7組成。主回路的部分流程如下：=相橋式電路6進行整流逆變 之后將需要補償的無功電流注入電力系統7中，同時電力系統7中的有功電流也將通過S相 橋式電路6逆變成直流，為直流側電容進行充電，維持直流側電容電壓的穩定。控制回路由 信號調理電路1、滑模控制器2、無電感L解禪控制器3、空間矢量調制器4、驅動電路5組成。控 制回路流程如下:靜止無功發生器主電路的電壓互感器和電流互感器采集來的電壓和電流 輸入信號調理電路1，經過調理之后送入位于DSP內部的滑模控制器2和無電感L解禪控制器 3,滑模控制器2產生有功電流參考量送入無電感L解禪控制器3,無電感L控制器3運算輸出 空間矢量調制的控制量送入空間矢量調制器4，空間矢量調制器4輸出六脈沖P麗信號，P歷 信號經過驅動電路巧區動靜止無功發生器主電路的=相橋式電路6。
[0041 ]根據如圖3所示的設計流程設計滑模無電感L解禪控制器：
[0042] SI:建立系統的狀態空間模型，首先建立靜止無功發生器在=相靜止abc坐標系下 的狀態空間數學模型：
[0043]
[0044] 其中，ea、eb、ec分別表不S相電源電壓；ica、icb、icc為輸出的S相橋式電路輸出 的補償電流;R和L分別為并網時靜止無功發生器連接電網線路的電阻電抗器，C為=相橋式 電路直流側電容，Udc為直流側電容電壓。
[0045] Sa、Sb、Sc分別表示=相橋臂開關管的開關函數，具體含義：
[0046]
[0047] S2:該數學模型通過Clark坐標變換，將abc坐標系下的狀態空間數學模型轉換為 兩相靜止郵坐標系下的數學模型模型。
[004引S3:經過步驟S2的轉換后，再進行PA服坐標變換，得到在兩相同步旋轉dq坐標下W 無功電流的分量id、iq，W及直流側電容電壓Udc為狀態變量的靜止無功發生器在同步旋轉 dq坐標系下的數學模型：
[0049]
[0化0] 巧中，ed、eq是網側電比ea、eb、ec的dq分量，icUiq為靜止尤功發生器輸出的補償電 流ica、icb、icc經dq坐標變換得到，3(1、39是開關函數31<化=曰、13、(3)經(19坐標變換得到。
[0051] S4:選擇合適的滑模面，設計出滑模面首先計算出=相橋式電路直流側電容電壓 在同步旋轉dq坐標系統下，d軸由流指令idref，如圖4所示。
[0化2]首先)H
;為輸入，構造控制=相橋式電路直流側 電容電壓的滑模面S ( e 1 62 t ) = ei+kl62，其中W。,。是Udc的微分，是Udcref的微分，kl為滑模 常數，t為系統時間，使得直流側電壓維持穩定在參考值電壓Udcref。
[0053]將dq坐標系下的數學模型代入到滑模面S(ei 62 t) = ei+ki62中可W得到：
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0057]對于=相平衡電網，存在著eq = 0。靜止同步補償發生器控制系統中，一般直流側 電壓設定值恒定，故= 0。
[005引運樣進一步簡化上述滑模面，可W得到同步旋轉dq坐標下，系統中d軸電流指令
idref ；
[00日9]
[0060]其中，& = >/^7，化為交流；相輸入電源的相電壓的有效值。
[0061 ]因此電壓外環滑模控制器的滑模面為：
[006^ s=(idref-id)
[0063] S5:設計無電感L解禪控制器，由S4步驟所設計的滑模面可W得出控制=相橋式電 路直流側電容電壓的指令電流，同時將6<1、6。、1(1、1〇作為輸入進行無電感1的解禪控制器設 計，如圖5所示。
[0064] 在靜止無功發生器控制系統中，傳統的結構控制器設計采用PI電流解禪控制器， 控制方桿巧加下.
[00 化]
[OOW 其中，UdcSd = Ud UdcSq = Uq, Kp是比例系數，Ki是積分系數，idref、iqre汾別為id、iq的 參考量。
[0067] 靜止無功發生器的電流內環icUiq實現了內環解禪控制。但是系統引入了變量CO Liq與COLid，使得系統解除禪合，而其中包含有電感L，所W進行d-q解禪的時候需要準確的 知道L的電感值。在實際中，電感因為系統短路或者過流而出現飽和現象，存在設計誤差等， 工程上不能夠忽略解禪項，尤其是頻率增加時，d-q軸間的禪合加強，將會導致控制性能變 差。
[0068] 本發明設計的無電感L解禪控制器，采用非線性PI無電感參數L電流內環前饋解禪 控制，消除了電感L對內環結構系統的影響。
[0069]交流電流傳感器采樣得到的S相交流電流在經過park和Clark變換后得到id、iq， 分別與指令值idref、iqref做差，經非線性PI無電感參數L電流內環前饋解禪控制器后得到控 審Ijfs 號Ud、Uq ,
[0070；
[0071] 從中可W看出，實現了電流內環無電感L值的電流解禪控制，減少了器件參數對系 統的影響。上述控制信號經坐標變換得到空間矢量調制的控制信號ua、ue，通過空間矢量調 審IJSVPWM算法，輸出控制開關器件的脈沖信號。
[0072] 如圖6所示為滑模無電感L解禪控制器流程框圖，將實時采集電力系統的電力信號 作為控制系統的輸入信號;將上述所采集的輸入信號送入信號調理電路進行信號調理經AD 轉換后，分別輸入到滑模控制器和無電感L解禪控制器，最終產生當前時刻所需要無功功率 補償的控制信號，送入空間矢量調制調制器輸出的HVM脈沖信號;產生的HVM脈沖信號經驅 動單元后，控制=相橋式電路的開關器件的開通與關斷，進而產生無功電流，對電力系統進 行實時的動態無功補償。
[0073] 除上述實施例外，本發明還可W有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變換形 成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種基于DSP的靜止無功發生器控制系統，其特征在于，包括信號調理電路、滑模控 制器、無電感L解禪控制器、空間矢量調制器、驅動電路、Ξ相橋式電路、電力系統;靜止無功 發生器主電路的電壓互感器和電流互感器采集來的電壓和電流輸入信號調理電路，經過調 理之后送入位于DSP內部的滑模控制器和無電感L解禪控制器，滑模控制器產生有功電流參 考量送入無電感L解禪控制器，無電感L控制器運算輸出空間矢量調制的控制量送入空間矢 量調制器，空間矢量調制器輸出六脈沖P歷信號，P歷信號經過驅動電路驅動靜止無功發生 器主電路的Ξ相橋式電路，Ξ相橋式電路在PWM的驅動下產生相應的無功補償電流注入電 力系統，同時電力系統中的有功電流也將通過Ξ相橋式電路逆變成直流，為直流側電容進 行充電，維持直流側電容電壓的穩定。2. 如權利要求1所述的基于DSP的靜止無功發生器控制系統，其特征在于，所述滑模控 制器基于DSP。3. 如權利要求1所述的基于DSP的靜止無功發生器控制系統，其特征在于，所述無電感L 解禪控制器基于DSP。4. 一種如權利要求1所述的基于DSP的靜止無功發生器控制系統的控制方法，其特征在 于，所述滑模控制器根據檢測調理好的Ξ相橋式電路的直流側電容電壓udc、直流側電容參 考電壓Udsref構建滑模面： 首先將作為輸入，構造控制Ξ相橋式電路直流側電容電 壓的滑模面s(ei Θ2 t)=ei+kie2,其中是Ud。的微分，是Udsref的微分，ki為滑模常數，t 為系統時間，使得直流側電壓維持穩定在參考值電壓Udcref; 將dq坐標系下的數學模型代入到滑模面S(ei Θ2 t) = ei+kie2中得到：其中，ed、eq是網側電壓ea、eb、ec的dq分量，id、iq為Ξ相橋式電路輸出的補償電流ica、 icb、icc經dq坐標變換得到，C為Ξ相橋式電路直流側電容； 簡化上述滑模面，得到同步旋轉dq坐標下，系統中d軸電流指令idref ;其中<，.=>/^0'1、化為交流；相輸入電源的相電壓的有效值； 則電壓外環滑模控制器2的滑模面為： S二（idref-id)。5. 如權利要求4所述的基于DSP的靜止無功發生器控制系統的控制方法，其特征在于， 所述電感L解禪控制器的設計方法如下：其中，UdcSd = Ud UdcSq = Uq，Kp是比例系數，Κι是積分系數，idref、iqre汾別為id、iq的參考 量。
【文檔編號】H02J3/18GK105977996SQ201610440515
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】曾慶軍, 劉海艦
【申請人】江蘇科技大學