CN102354988A - 一种基于线性扩张状态观测器leso的svc控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法，它包括：①分析SVC装置的结构，确定包含SVC的单机-无穷大系统的数学模型：②采集电力系统的母线电压给定值；③设计线性扩张状态观测器LESO、比例控制器KP和微分控制器KD；④采集SVC控制系统的电压和电流及相位信号信号，经调理处理后传给控制主板；⑤根据控制信号产生相应的触发脉冲即PWM信号及I/O信号，分别控制TCR及TSC的导通角进而控制SVC的无功补偿量。

Description

一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法

(一)技术领域：

本发明涉及电力系统的控制技术领域，一种基于线性扩张状态观测器LESO(Liner Active-Disturbance-Rejection Control，LADRC)的SVC控制方法。

(二)背景技术：

为改善电网的电压稳定性，目前普遍的做法是通过SVC对风电场进行无功补偿。SVC在电力系统中作用的发挥，不仅仅取决与装设点的地点及容量，而且还取决于其采用的控制方式。风电系统系统是个强非线性不确定系统，基于DFL理论的非线性SVC控制器虽然对常规电力系统工作点的变化具有良好的鲁棒性，但对摄动性强的风电系统并不适用。基于扩张状态观测器的SVC控制器将自抗扰技术用于SVC的控制，使SVC在快速稳定安装点的电压的同时，有效的改善系统的阻尼特性，但常规自抗扰控制器参数较多，结构复杂影响了其实际应用广泛性。基于扩张状态观测器的SVC控制器将自抗扰技术用于SVC的控制，使SVC在快速稳定安装点的电压的同时，有效的改善系统的阻尼特性，但常规自抗扰控制器参数较多，结构复杂影响了其实际应用广泛性。

本发明针对模型不确定的非线性系统的理论，应用线性自抗扰LADRC(Linear Active-Disturbance-Rejection Control)控制理论对复杂电力系统的SVC控制，应用LESO预期可有效提高了SVC控制器的鲁棒性和适应性，改善系统的动态特性，为该领域的进一步发展提供了一定的参考价值。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供了一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、运行可靠、便于实现的控制方法，可以有效提高SVC控制器的鲁棒性和适应性，改善系统的动态特性。

本发明的技术方案：一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①分析SVC装置的主电路拓扑结构，确定包含SVC的单机-无穷大系统的数学模型：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}=\mathrm{\Δ\ω}.{\mathrm{\ω}}_0$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_m-\frac{D}{T_J}\mathrm{\Δ\ω}-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_e$

$\stackrel{\·}{B_L}=\frac{1}{\mathrm{Tc}}({-B}_L+B_{L0}+u_B)$

式中

$P_e=\frac{E^{\′}\mathrm{Vc}}{x_1+x_2+x_1{x}_2(B_L-B_c)}\sin \mathrm{\δ}$

其中，δ为发电机功率角，ω为发电机的转子角速度；ω0为同步角速度；TJ为发电机惯性时间常数；Pe为发电机的电磁功率；Pm为发电机的机械功率；D为发电机阻尼系数；Tc为SVC及其调节系统的惯性时间常数；x1，x2为电抗参数；E’为暂态电势；Vc为无穷大母线电压；Bc为等效电容的电纳值；BL为SVC中可调电感的电纳值；BL0为电纳的初始值；

②采集电力系统的母线电压给定值U_ref和测量值U_mes作为控制器的状态量输入信号，将系统的内外扰动作为系统的总扰动Zn进行估计

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

③设计实现该方法的3个组成部分，线性扩张状态观测器LESO、比例控制器KP和微分控制器KD；

其中，线性扩张状态观测器(LESO)采用以下离散形式方程：

$\stackrel{\·}{Z}=[A-\mathrm{LC}]Z+\left[\begin{array}{cc}B-\mathrm{LD}& L\end{array}\right]U_c$

其中U_c＝[u y]^T是输入，Z是输出。

系统的线性ESO为

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

观测器的增益向量L由特征方程的两个基点的放置位置所决定：

λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+ω₀)³

L＝[3ω₀，3ω₀ ²，ω₀ ³]^T

L1＝3ω0，L2＝3ω0²，L3＝3ω0³；ω0是观测器的带宽，ωc是控制器的带宽，一般ωc＝2ω0，Kp＝ωc²，Kd＝2ωc；

④采集SVC控制系统的电压和电流及相位信号信号，经调理处理后传给控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A DSP负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及对IGBT进行控制；TMS320LF2407A将A/D采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算，LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率数据；

⑤根据控制信号产生相应的触发脉冲即PWM信号及I/O信号，分别控制TCR及TSC的导通角进而控制SVC的无功补偿量。

本发明的工作原理：本发明应用线性自抗扰控制技术。线性自抗扰控制器由KP、KD和线性扩张状态观测器(LESO)组成。其核心部分LESO估计对象的各阶状态变量Z1，Z2，...，Zn-1，Zn和对象总扰动的实时作用量Zn+1，然后通过比例控制器KP和微分控制器KD得到系统的BSVC，通过Bsvc得到SVC的TCR和TSC的触发角，实现SVC对系统的补偿无功、稳定电压，实现了对SVC的有效控制。

本发明的优越性在于：本发明提高了SVC控制器的鲁棒性和适应性，使SVC可快速稳定安装点的电压，改善系统的动态特性，以TI公司的TMS320LF2407A型DSP为控制核心，其结构简单，易于实现，工业上具有广阔的应用前景。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法中PI控制器的SVC用于风电场的结构框图；

图2为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法中用于风电场SVC的LESO控制器结构框图；

图3为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法中LESO控制器的SVC用于风电场的结构框图；

图4为本发明所涉一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法中基于DSP的控制器硬件原理图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①分析SVC装置的主电路拓扑结构(见图1)，确定包含SVC的单机-无穷大系统的数学模型：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}=\mathrm{\Δ\ω}.{\mathrm{\ω}}_0$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_m-\frac{D}{T_J}\mathrm{\Δ\ω}-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_e$

$\stackrel{\·}{B_L}=\frac{1}{\mathrm{Tc}}({-B}_L+B_{L0}+u_B)$

式中

$P_e=\frac{E^{\′}\mathrm{Vc}}{x_1+x_2+x_1{x}_2(B_L-B_c)}\sin \mathrm{\δ}$

其中，δ为发电机功率角，ω为发电机的转子角速度；ω0为同步角速度；TJ为发电机惯性时间常数；Pe为发电机的电磁功率；Pm为发电机的机械功率；D为发电机阻尼系数；Tc为SVC及其调节系统的惯性时间常数；x1，x2为电抗参数；E’为暂态电势；Vc为无穷大母线电压；Bc为等效电容的电纳值；BL为SVC中可调电感的电纳值；BL0为电纳的初始值；

②采集电力系统的母线电压给定值U_ref和测量值U_mes作为控制器的状态量输入信号，将系统的内外扰动作为系统的总扰动Zn进行估计

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

③设计实现该方法的3个组成部分，线性扩张状态观测器LESO、比例控制器KP和微分控制器KD；

其中，线性扩张状态观测器(LESO)(见图2、图3)采用以下离散形式方程：

$\stackrel{\·}{Z}=[A-\mathrm{LC}]Z+\left[\begin{array}{cc}B-\mathrm{LD}& L\end{array}\right]U_c$

其中U_c＝[u y]^T是输入，Z是输出。

系统的线性ESO为

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

观测器的增益向量L由特征方程的两个基点的放置位置所决定：

λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+ω₀)³

L＝[3ω₀，3ω₀ ²，ω₀ ³]^T

L1＝3ω0，L2＝3ω0²，L3＝3ω0³；ω0是观测器的带宽，ωc是控制器的带宽，一般ωc＝2ω0，Kp＝ωc²，Kd＝2ωc；

④采集SVC控制系统的电压和电流及相位信号信号，经调理处理后传给控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A DSP负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及对IGBT进行控制；TMS320LF2407A将A/D采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算，LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率数据(见图4)。

⑤根据控制信号产生相应的触发脉冲即PWM信号及I/O信号，分别控制TCR及TSC的导通角进而控制SVC的无功补偿量。

Claims (1)

1.一种基于线性扩张状态观测器LESO的SVC控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

①分析SVC装置的主电路拓扑结构，确定包含SVC的单机-无穷大系统的数学模型：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}=\mathrm{\Δ\ω}.{\mathrm{\ω}}_0$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_m-\frac{D}{T_J}\mathrm{\Δ\ω}-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_J}{P}_e$

$\stackrel{\·}{B_L}=\frac{1}{\mathrm{Tc}}({-B}_L+B_{L0}+u_B)$

式中

$P_e=\frac{E^{\′}\mathrm{Vc}}{x_1+x_2+x_1{x}_2(B_L-B_c)}\sin \mathrm{\δ}$

其中，δ为发电机功率角，ω为发电机的转子角速度；ω0为同步角速度；TJ为发电机惯性时间常数；Pe为发电机的电磁功率；Pm为发电机的机械功率；D为发电机阻尼系数；Tc为SVC及其调节系统的惯性时间常数；x1，x2为电抗参数；E’为暂态电势；Vc为无穷大母线电压；Bc为等效电容的电纳值；BL为SVC中可调电感的电纳值；BL0为电纳的初始值；

②采集电力系统的母线电压给定值U_ref和测量值U_mes作为控制器的状态量输入信号，将系统的内外扰动作为系统的总扰动Zn进行估计

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

③设计实现该方法的3个组成部分，线性扩张状态观测器LESO、比例控制器KP和微分控制器KD；

其中，线性扩张状态观测器(LESO)采用以下离散形式方程：

$\stackrel{\·}{Z}=[A-\mathrm{LC}]Z+\left[\begin{array}{cc}B-\mathrm{LD}& L\end{array}\right]U_c$

其中U_c＝[u y]^T是输入，Z是输出。

系统的线性ESO为

${\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-L_1(Z_1-y)$

${\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3-L_2(Z_1-y)+\mathrm{bu}$

${\stackrel{\·}{Z}}_3=-L_3(Z_1-y);$

观测器的增益向量L由特征方程的两个基点的放置位置所决定：

λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+ω₀)³

L＝[3ω₀，3ω₀ ²，ω₀ ³]^T

L1＝3ω0，L2＝3ω0²，L3＝3ω0³；ω0是观测器的带宽，ωc是控制器的带宽，一般ωc＝2ω0，Kp＝ωc²，Kd＝2ωc；

④采集SVC控制系统的电压和电流及相位信号信号，经调理处理后传给控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A DSP负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及对IGBT进行控制；TMS320LF2407A将A/D采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算，LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率数据；

⑤根据控制信号产生相应的触发脉冲即PWM信号及I/O信号，分别控制TCR及TSC的导通角进而控制SVC的无功补偿量。

Images