技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電網(wǎng)無功補償設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鏈式靜止無功發(fā)生器的平滑過渡式分段PID控制方法。

背景技術(shù)：

SVG(StaticVarGenerator)稱為“靜止無功發(fā)生器”，是一種并聯(lián)型無功補償裝置，它基于瞬時無功功率的概念和補償原理，采用全控型開關(guān)器件，輔之以小容量儲能元件所構(gòu)成。SVG不需要大容量的電抗器、電容器等儲能元件，大大縮小了裝置的體積和成本；調(diào)節(jié)速度快，運行范圍寬，通過不同的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)負荷的連續(xù)調(diào)節(jié)；采用PWM控制或多重化的結(jié)構(gòu)，能夠使其輸出電流接近正弦波，從而不需附加額外的濾波器。而SVG軟件控制算法中的PID控制部分作為核心控制方法最重要的部分，對裝置整體的補償性能和工作穩(wěn)定性有著絕對的影響。本專利所涉及的平滑過渡式分段PID控制方法就是基于此類內(nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于公開一種鏈式靜止無功發(fā)生器的平滑過渡式分段PID控制方法，該方法以串聯(lián)型H橋單元電壓源逆變器硬件為基礎(chǔ)，采用同步旋轉(zhuǎn)變換法進行負荷無功指令電流提取，平滑過渡式分段PID控制方法實現(xiàn)裝置的核心控制調(diào)節(jié)，發(fā)明鏈式SVG靜止無功發(fā)生器核心PID控制算法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鏈式靜止無功發(fā)生器的平滑過渡式分段PID控制方法，該方法采用三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的拓撲控制方式，鏈式SVG靜止無功發(fā)生器等效為電壓源，包括電網(wǎng)電壓鎖相TLL的步驟、負荷無功指令電流提取的步驟、平滑過渡式分段PID調(diào)節(jié)控制的步驟和SPWM調(diào)制輸出的步驟。

本發(fā)明還具有如下特征：

所述的電網(wǎng)電壓鎖相TLL的步驟中，采用三相電網(wǎng)電壓經(jīng)Clark和Park坐標變換后得到，經(jīng)過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率，采用PID閉環(huán)控制對誤差角度θ進行跟蹤調(diào)節(jié)處理，最終得到電網(wǎng)電壓的鎖相角度的正/余弦值；

所述的負荷無功指令電流提取的步驟中，采用同步旋轉(zhuǎn)變換法，即同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標的電流變換，將三相負載電流進行去零序處理，然后進行Park變換得到正序的d軸有功和q軸無功，再通過低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法和反Park變換，生成三相正序有功基波，用三相用戶負載瞬時波形減去三相正序有功基波便得到了需要補償?shù)娜嗾撔驘o功和諧波指令電流；

所述的平滑過渡式分段PID調(diào)節(jié)控制的步驟中，采用分段式PID的方法來提高增量式PID的控制效果，根據(jù)SVG設(shè)備的實際電流控制效果對控制區(qū)間設(shè)置多個分段參數(shù)，增加PID調(diào)節(jié)的靈活性使系統(tǒng)閉環(huán)控制更加穩(wěn)定可靠；

所述的SPWM調(diào)制輸出的步驟中，通過平滑過渡式分段PID閉環(huán)控制后輸出的多路參考波數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)串聯(lián)電壓波形疊加原理，產(chǎn)生多路錯開一定角度的三角波數(shù)據(jù)，然后生成SPWM調(diào)制波，通過數(shù)據(jù)光纖下發(fā)到各個功率單元，功率單元根據(jù)SPWM調(diào)制波控制IGBT功率器件通斷動作，然后經(jīng)過并網(wǎng)電抗器濾波處理后輸出無功電流，從而達到無功補償?shù)哪康摹?/p>

本發(fā)明的有益效果有：

本發(fā)明具有能夠降低功率單元工作電壓等級并能有效減少單元的連接數(shù)量，降低了成本、穩(wěn)定性好；簡化了復(fù)雜的PID控制過程，使其能夠方便的應(yīng)用到其他閉環(huán)控制場合，并能與其他如模糊PI、逆系統(tǒng)控制等復(fù)雜控制算法相結(jié)合使用的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為鏈式SVG靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

其中1、交流電網(wǎng)，2、用戶負荷，3、鏈式SVG靜止無功發(fā)生器控制部分，4、鏈式SVG靜止無功發(fā)生器逆變器部分；

圖2為基于同步旋轉(zhuǎn)變換的負荷無功指令電流提取方法結(jié)構(gòu)圖；

圖3為鏈式SVG靜止無功發(fā)生器平滑過渡式分段PID控制方法框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明：

本發(fā)明根據(jù)SVG靜止無功發(fā)生器的工作特點,提出了一種鏈式靜止無功發(fā)生器的平滑過渡式分段PID控制方法,該方法采用三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的拓撲控制方式，鏈式SVG靜止無功發(fā)生器等效為電壓源，包括電網(wǎng)電壓鎖相TLL的步驟、負荷無功指令電流提取的步驟、平滑過渡式分段PID調(diào)節(jié)控制的步驟和SPWM調(diào)制輸出的步驟。其特點是：所述的電網(wǎng)電壓鎖相TLL的步驟中，采用三相電網(wǎng)電壓經(jīng)Clark和Park坐標變換后得到，經(jīng)過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率，采用PID閉環(huán)控制對誤差角度θ進行跟蹤調(diào)節(jié)處理，最終得到電網(wǎng)電壓的鎖相角度的正/余弦值；所述的負荷無功指令電流提取的步驟中，采用同步旋轉(zhuǎn)變換法，即同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標的電流變換，將三相負載電流進行去零序處理，然后進行Park變換得到正序的d軸有功和q軸無功，再通過低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法和反Park變換，生成三相正序有功基波，用三相用戶負載瞬時波形減去三相正序有功基波便得到了需要補償?shù)娜嗾撔驘o功和諧波指令電流；所述的平滑過渡式分段PID調(diào)節(jié)控制的步驟中，采用分段式PID的方法來提高增量式PID的控制效果，根據(jù)SVG設(shè)備的實際電流控制效果對控制區(qū)間設(shè)置多個分段參數(shù)，增加PID調(diào)節(jié)的靈活性使系統(tǒng)閉環(huán)控制更加穩(wěn)定可靠；所述的SPWM調(diào)制輸出的步驟中，通過平滑過渡式分段PID閉環(huán)控制后輸出的多路參考波數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)串聯(lián)電壓波形疊加原理，產(chǎn)生多路錯開一定角度的三角波數(shù)據(jù)，然后生成SPWM調(diào)制波，通過數(shù)據(jù)光纖下發(fā)到各個功率單元，功率單元根據(jù)SPWM調(diào)制波控制IGBT功率器件通斷動作，然后經(jīng)過并網(wǎng)電抗器濾波處理后輸出無功電流，從而達到無功補償?shù)哪康摹?/p>

該發(fā)明的具體實施方式是這樣的：如圖1所示，首先由SVG靜止無功發(fā)生器的主控制器DSP對三相電網(wǎng)電壓（Usa、Usb、Usc），三相負載電流（ILa、Ilb、ILc）進行AD采樣，先進入PLL鎖相處理算法對電網(wǎng)電壓進行PARK變換，并通過PI控制器對誤差角度θ進行跟蹤調(diào)節(jié)處理，然后得到電網(wǎng)電壓的鎖相角度的正/余弦值（Sinθ和Cosθ），然后再進入無功解耦算法對用戶負載電流進行無功提取運算，將三相負載電流進行去零序處理：平衡條件補償，然后進行Park變換得到正序的d軸有功和q軸無功，然后將d軸有功通過低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法得到無諧波的d軸，再將q軸無功取0與無諧波的d軸一起進行反Park變換，生成三相正序有功基波，然后用三相用戶負載瞬時波形減去三相正序有功基波便得到了需要補償?shù)娜嗾撔驘o功和諧波指令電流（Iha、Ihb、IHc）；接著SVG靜止無功發(fā)生器進入到系統(tǒng)閉環(huán)控制環(huán)節(jié)進行無功功率調(diào)節(jié)，這里采用的閉環(huán)控制是一種平滑過渡式分段PID控制方法，它是通過以上面得到的q軸無功分量為參考信息將無功發(fā)生器的無功補償電流分成幾個階段（空載階段、小電流階段、中等電流階段、額定大電流階段等），然后根據(jù)PID控制效果和現(xiàn)場經(jīng)驗將PID的KP比例參數(shù)分成幾個不同的參數(shù)（即分段處理），接著采用KP參數(shù)斜坡漸變的方法（利用加/減一個固定常數(shù)X的方法，即平滑過渡法）使得常規(guī)PID的控制響應(yīng)和抑制沖擊振蕩的能力得到增強，從而穩(wěn)定可靠的達到整個系統(tǒng)無功電流輸出的控制目標。下面針對主要的幾個控制階段的實現(xiàn)和技術(shù)特點進行一下說明(見圖3)。

1、電網(wǎng)電壓鎖相階段

本發(fā)明中的電網(wǎng)電壓鎖相階段采用的是軟件PLL鎖相方法，就是三相電網(wǎng)電壓經(jīng)Clark和Park坐標變換后得到，經(jīng)過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。我們采用DSP內(nèi)部定時器的循環(huán)計數(shù)來產(chǎn)生同步信號、實現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能，因此可通過改變定時器的周期或最大循環(huán)計數(shù)值的方法來改變同步信號的頻率和相位，調(diào)節(jié)的過程采用PID閉環(huán)控制對誤差角度θ進行跟蹤調(diào)節(jié)處理，最終得到電網(wǎng)電壓的鎖相角度的正/余弦值。

2、基于同步旋轉(zhuǎn)變換的負荷無功指令電流提取方法

如圖2所示，負荷無功指令電流提取是SVG設(shè)備中重要的工作內(nèi)容之一，通常的負荷無功指令電流提取方法有瞬時無功功率法、FBD（FryzeBuchholzDepenbrock）法、SRF同步旋轉(zhuǎn)變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。同步旋轉(zhuǎn)變換法是基于同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標的電流變換，先將三相負載電流進行去零序處理（平衡條件補償），然后進行Park變換得到正序的d軸有功和q軸無功，然后將d軸有功通過低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法得到無諧波的d軸，再將q軸無功取0與無諧波的d軸一起進行反Park變換，生成三相正序有功基波，然后用三相用戶負載瞬時波形減去三相正序有功基波便得到了需要補償?shù)娜嗾撔驘o功和諧波指令電流（IHa、Ihb、IHc），再進行相應(yīng)的補償調(diào)節(jié)處理，在這里我們將Park變換得到的q軸無功也送入低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法，然后把濾波后的q軸分量作為平滑過渡式分段PID的判斷因子進行后續(xù)的控制處理。

3、平滑過渡式分段PID控制方法

由于增量型算法不需做累加，也可以減少計算誤差后產(chǎn)生的計算精度問題，并且在軟件編程上比較容易實現(xiàn)，適合常規(guī)的工業(yè)系統(tǒng)控制。常規(guī)增量式PID可由以下位置算法求得：

(2-1)

式中——積分時間；——微分時間；——采樣周期；——控制量的基值，即=0時的控制；——第個采樣時刻的控制；——比例放大系數(shù)；

由(2-1)可以得到控制器的第-1個采樣時刻的輸出值為：

(2-2)

將(2-1)與(2-2)相減并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式為：

(2-3)

其中：

由(2-3)可以看出，當計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T時，一旦確定、、，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由(2-3)求出控制量。在SVG這種控制誤差變化率較大且控制響應(yīng)速度要求較高的場合，采用常規(guī)的增量式PID其控制效果并不太理想，由于考慮SVG算法程序的簡潔高效，采用一些模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制并不具備實用優(yōu)勢，因此可以采用分段式PID的方法來提高增量式PID的控制效果，分段式PID就是采用不同控制條件下（即補償電流的大小不同）采用不同的、參數(shù)使得PID具備更好的控制效果，根據(jù)SVG裝置的實際控制需求，我們只需要對參數(shù)進行分段處理就可以達到效果，但是即使采用了分段的方法使得PID在不同控制區(qū)間的控制效果得到了提高，由于不同控制區(qū)間參數(shù)取值差異較大，這樣往往會在控制區(qū)間的分段結(jié)合部產(chǎn)生較大的誤差斷代，嚴重的還會導(dǎo)致控制環(huán)路沖擊震蕩影響整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此我們在參數(shù)分段處理的基礎(chǔ)上采用參數(shù)斜坡平滑過渡的方法來對其進行處理。具體方法如下：系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)初始化后，進行AD數(shù)據(jù)采樣：三相電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、負載電流、裝置輸出電流等，然后進行電網(wǎng)電壓鎖相處理（PLL），將得到的相角和三相負載電流一起進行Park變換得到正序的d軸有功和q軸無功，q軸無功送入低通濾波環(huán)節(jié)采用LPF算法，然后將它作為平滑過渡式分段PID的判斷因子對裝置的無功補償區(qū)域進行分段處理。比如當SVG運行在小電流區(qū)間的時候，控制環(huán)路的調(diào)節(jié)誤差很小，只需要提高控制精度降低沖擊即可，我們將此控制段的參數(shù)設(shè)置的小一些，當SVG運行在大電流區(qū)間時，控制環(huán)路的調(diào)節(jié)誤差較大，需要快速響應(yīng)并控制輸出電流，這時就需要把參數(shù)設(shè)置的大一些；參數(shù)作為控制區(qū)間分段的參考依據(jù)來決定控制環(huán)路工作在哪一個分段區(qū)間，事先我們在程序初始化的時候先設(shè)置一個合適的比例系數(shù)，當控制環(huán)路由第1段工作區(qū)間要進入到第2段工作區(qū)間時，根據(jù)經(jīng)驗需要調(diào)整參數(shù)的大小為，在這里我們通過一個平滑過渡的方法對參數(shù)進行處理，如果第1段>第2段設(shè)置時，=-X(X是單位平滑值，可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié))，如果第1段<第2段設(shè)置時，=+X。我們可以根據(jù)SVG設(shè)備的實際電流控制效果對控制區(qū)間設(shè)置多個分段參數(shù)，并且可以根據(jù)斜坡平滑的效果設(shè)置單位平滑值X的大小。通過平滑分段方法處理后可以使常規(guī)增量式PID在動態(tài)沖擊調(diào)節(jié)響應(yīng)上得到很大的改善，也可以減小普通分段PID在段間過渡偏差較大引起的系統(tǒng)震蕩，也可以增加PID調(diào)節(jié)的靈活性使系統(tǒng)閉環(huán)控制更加穩(wěn)定可靠。

圖2中，

ILabc:表示三相負載電流輸入量；

IHabc:表示三相補償指令電流輸出；

Add:表示變量相加運算；

Gain:表示乘以增益量運算；

SinθCosθ:鎖相得到的正弦量，余弦量；

abc_to_dq0:通過派克變換將三相交流瞬時量轉(zhuǎn)換為兩個直流分量和一個零序分量；

abc_to_Ndq0:通過派克變換將三相交流瞬時量轉(zhuǎn)換為負序的兩個直流分量和一個零序分量；

dq0_to_abc:通過反派克變換將兩個直流分量和一個零序分量轉(zhuǎn)換為三相交流瞬時量；

LPF:表示低通濾波處理；

Constant:表示輸入的常數(shù)。

4、SPWM調(diào)制輸出階段

通過平滑過渡式分段PID閉環(huán)控制后輸出的多路參考波數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部根據(jù)串聯(lián)電壓波形可以疊加的原理，產(chǎn)生多路錯開一定角度（根據(jù)每相控制的功率單元數(shù)量來決定錯開的角度）的三角波數(shù)據(jù)，然后與多路參考波數(shù)據(jù)進行比較生成SPWM調(diào)制波，在通過數(shù)據(jù)光纖下發(fā)到各個功率單元，功率單元根據(jù)SPWM調(diào)制波控制IGBT功率器件通斷動作，然后經(jīng)過并網(wǎng)電抗器濾波處理后輸出無功電流，從而達到無功補償?shù)哪康摹?/p>