專利名稱：靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性pi電壓控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜止無(wú)功補(bǔ)償器控制方法，特別涉及一種靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI 電壓控制方法。
技術(shù)背景電壓質(zhì)量是一類重要的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)電力公司和電力用戶都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損 失，并且會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成威脅。解決電壓質(zhì)量問(wèn)題的有效途徑是在 電網(wǎng)中安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。自上世紀(jì)70年代靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)開(kāi)始投入商業(yè)運(yùn) 行以來(lái)，30多年間世界各國(guó)都不斷有SVC投入運(yùn)行，并取得可觀的收益。它是電力系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)電壓支撐和無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊环N重要的有效手段，用于補(bǔ)償供電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功、改善電壓不平 衡度、抑制電壓閃變等。SVC本身就為一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，這就對(duì)其控制器的性 能提出更高的要求。目前工程實(shí)際中大多數(shù)SVC電壓控制器采用的是傳統(tǒng)PI,但是由于傳統(tǒng) PI控制本身P與I的線性組合，系統(tǒng)特性變化與控制量之間的線性映像造成了其在SVC這個(gè)復(fù) 雜非線性系統(tǒng)上的制約。目前很多控制器采用模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出智能自適應(yīng) PID控制方式，采用自適應(yīng)逆推方法或采用基于模糊算法，遺傳算法等算法的非線性SVC控制 方式。以上新的控制策略固然可以提升SVC的性能，但是相應(yīng)的成本的提高，以及帶來(lái)的更 加復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，增大了控制器的實(shí)現(xiàn)難度。 發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有靜止無(wú)功補(bǔ)償器控制精度較低、控制系統(tǒng)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一 種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、自適應(yīng)性強(qiáng)、具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI電壓 控制方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟1)檢測(cè)并采樣靜止無(wú)功補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流L,并由式:^-⑧3x^計(jì)算補(bǔ)償電 壓K、檢測(cè)并采樣電網(wǎng)電壓的方均根值「"""
2) 計(jì)算電壓設(shè)定值^與補(bǔ)償電壓^、系統(tǒng)電壓^的差值A(chǔ)7;3) 差值A(chǔ)7經(jīng)過(guò)最優(yōu)非線性PI控制器得到補(bǔ)償導(dǎo)納5^ ;4) 補(bǔ)償導(dǎo)納A《經(jīng)限幅模塊進(jìn)行限幅，再由TCR/MSC導(dǎo)納計(jì)算模塊機(jī)械式投切電容器控 制導(dǎo)納信號(hào)、晶閘管控制電抗器控制導(dǎo)納信號(hào)A";5) 導(dǎo)納角度計(jì)算函數(shù)將控制導(dǎo)納信號(hào)^f變換成控制角度信號(hào)；6) MSC邏輯控制器將控制導(dǎo)納信號(hào)5皿變成邏輯電平信號(hào)；7) 控制角度信號(hào)、邏輯電平信號(hào)被送到觸發(fā)電路，由靜止無(wú)功補(bǔ)償器控制電抗器、電 容器的投入量。上述的靜止無(wú)功補(bǔ)償器的最優(yōu)非線性PI電壓控制方法，所述步驟3)中以時(shí)間乘以誤 差絕對(duì)值積分(ITAE)準(zhǔn)則作為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，改進(jìn)單純形加速算法計(jì)算PI控制器最佳調(diào)節(jié)系數(shù)^p、《，其步驟如下 尋優(yōu)目標(biāo)為以PI控制器調(diào)節(jié)系數(shù)^70、《fl，作為單純行加速算法的初始頂點(diǎn),)，并由式 = + 構(gòu)造出其它頂點(diǎn)值？)、,；由函數(shù)值^W、 Z"、 ^"的比較得出最高點(diǎn)^)、次高點(diǎn)V)、最低點(diǎn)^"，對(duì)單純行頂點(diǎn)向最好點(diǎn)，最差點(diǎn)進(jìn)行反射；對(duì)單純行頂點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)張、映射、壓縮運(yùn)算，得出PI控制器最佳調(diào)節(jié)系數(shù)《P、《； 本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明中用最優(yōu)非線性PI來(lái)控制靜止無(wú)功補(bǔ)償器電壓，最優(yōu)非 線性PI的響應(yīng)速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI的響應(yīng)速度，過(guò)度時(shí)間大大減小，解決了被控制量易出現(xiàn) 超調(diào)的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)超調(diào)地跟蹤SVC系統(tǒng)的電壓設(shè)定值，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 非線性PI控制器參數(shù)^P、《實(shí)時(shí)在線尋優(yōu)調(diào)整，使控制器更加適合SVC這個(gè)復(fù)雜的非線性系 統(tǒng)，且對(duì)振蕩有足夠的阻尼作用，使控制器適應(yīng)性大大增強(qiáng)。基于最優(yōu)非線性PI的SVC電壓 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，很適合于工程實(shí)際應(yīng)用。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 圖l是靜止無(wú)功補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是靜止無(wú)功補(bǔ)償器電壓控制框圖。 圖3是最優(yōu)非線性PI控制器結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，SVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由星型連接的機(jī)械式投切電容器組(MSC)和三角形連 接的晶閘管控制電抗器(TCR)組成，電網(wǎng)母線的電壓和電流以及SVC輸出電流經(jīng)電壓、 電流傳感器檢測(cè)后，經(jīng)過(guò)MAX125采樣后輸入到DSP控制板，經(jīng)過(guò)如圖2所示的電壓控制 器產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，并由觸發(fā)電路產(chǎn)生與MSC和TCR相對(duì)應(yīng)的I/O信 號(hào)和PWM信號(hào)，分別控制MSC的通斷及TCR的導(dǎo)通角。MSC粗調(diào)提供有級(jí)差的容性無(wú) 功，TCR產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的感性無(wú)功，二者結(jié)合產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的容性與感性無(wú)功，具體過(guò)程 為通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷的無(wú)功，根據(jù)無(wú)功需要決定投入的電容器組的組數(shù)產(chǎn)生級(jí)差的 容性無(wú)功，容性無(wú)功過(guò)剩的情況下,調(diào)節(jié)TCR中的感性無(wú)功，從而最終使得系統(tǒng)無(wú)功QN=QV (系統(tǒng)所需)-QMSC+QTCR =常數(shù)或者0。如圖2所示，圖中「"^為電網(wǎng)電壓的方均根值；「^為控制系統(tǒng)參考電壓；^是svc 的補(bǔ)償電壓，作為^'的修正量(即為SVC控制器的回饋量)，由式(1)計(jì)算得出，式(1) 中。為調(diào)差率，其值為3%;誤差信號(hào)A^為^/與y""、 ^的差值，經(jīng)過(guò)最優(yōu)非線性PI控 制器調(diào)節(jié)后，得到補(bǔ)償導(dǎo)納5^。若5 /《5" "則5"/=^ '"; ^i^^/S^n^^uAe/-^^;若 ^^^^w/^B皿貝ij^e/Z^/， S,、 ^'"分為補(bǔ)償導(dǎo)納上、下限。^/經(jīng)過(guò)TCR/MSC導(dǎo)納 計(jì)算模塊計(jì)算后，分別得到MSC、 TCR各自導(dǎo)納5^、 &，其大小決定了MSC投入的數(shù) 量和TCR導(dǎo)通角度的大小；Af經(jīng)過(guò)導(dǎo)納一角度函數(shù)變換成弧度(晶閘管的導(dǎo)通角)控制了 感性無(wú)功投入電網(wǎng)的多少；^皿經(jīng)過(guò)MSC邏輯控制器輸出高電平或低電平，來(lái)控制電容器 投入電網(wǎng)的個(gè)數(shù)。slk svc (i)如圖3所示，本發(fā)明采用的最優(yōu)非線性PI控制器的結(jié)構(gòu)由一個(gè)改進(jìn)的單純形加速(SPX)
最佳尋優(yōu)的PI和一個(gè)非線性函數(shù)組成。圖中A「為控制器的輸入；5<為控制器的輸出；A 為非線性增益函數(shù)；M; 為改進(jìn)SPX算法的目標(biāo)函數(shù)。傳統(tǒng)的PI控制器參數(shù)《P、《一經(jīng)確定，在整個(gè)SVC調(diào)節(jié)過(guò)程中保持不變，這樣控制 器就很難滿足對(duì)設(shè)定值有變化的跟蹤和對(duì)擾動(dòng)的抑止。針對(duì)這一問(wèn)題，本發(fā)明采用改進(jìn)的SPX算法對(duì)PI控制器的參數(shù)《p、《進(jìn)行尋優(yōu)，以達(dá)到適合svc系統(tǒng)的最佳值，使其適應(yīng) 性大大增強(qiáng)。為了解決常規(guī)PI控制器輸入量直接取svc系統(tǒng)電壓設(shè)定值和實(shí)際行為之間的誤差，常使被控系統(tǒng)易出現(xiàn)很大超調(diào)的問(wèn)題，本發(fā)明引入非線性函數(shù)v^很好的解決了這一問(wèn)題，還使整個(gè)控制器可以看為非線性的，能更好的適合帶有svc復(fù)雜電力系統(tǒng)，同時(shí)還大大改善了控制器的魯棒性。(一)改進(jìn)的SPX算法AF為^/與^、 P^的差值，即作為非線性PI控制器的輸入信號(hào)。為了保證SVC電 壓調(diào)節(jié)器的輸入^/瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量較小，且對(duì)振蕩有足夠的阻尼作用，本設(shè)計(jì)采用ITAE 準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù)-H偉k (2)式(2)中t表示積分時(shí)間。步驟h給定初始單純形的頂點(diǎn)值(由Ziegler-Nichols法獲得)《w 、《。，記為^"， 為一列向量，其它的頂點(diǎn)值由式？= )+2^構(gòu)造出/=/，2， r"為第/個(gè)單位坐標(biāo)向量。經(jīng)過(guò)間接計(jì)算得出與單純形第零個(gè)頂點(diǎn)^"、第一個(gè)頂點(diǎn)V)、第二個(gè)頂點(diǎn)^(2)分別相對(duì)應(yīng)的 目標(biāo)函數(shù)輸出值為戶、,、,。步驟2:通過(guò)函數(shù)值的比較得出最高點(diǎn)V"、次高點(diǎn)V'〉、最低點(diǎn)V。)，并檢驗(yàn)式(10)是否成立,若成立，輸出最優(yōu)點(diǎn)^"、 ^"計(jì)算結(jié)束；否則轉(zhuǎn)步驟3。 步驟3:反射(a)將最高點(diǎn)經(jīng)過(guò)其余兩點(diǎn)的形心進(jìn)行反射，取反射系數(shù)〃i,計(jì)算^和力A 2( (b)將最低點(diǎn)經(jīng)過(guò)其余兩點(diǎn)的形心進(jìn)行反射，取反射系數(shù)^=1，計(jì)算^和,L 2(c)若^"、^印，則J印二"7,、 x")^&")、 j =否則y"-J/"、 x")-a")、f = ^、其中^"表示以最低點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)目標(biāo)函數(shù)的輸出值；^"表示以最高點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)目標(biāo)函數(shù)的輸出值；^")表示以最低點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)單純形頂點(diǎn)值；a③表示以最高點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)單純形頂點(diǎn)值；^"表示單純形第三個(gè)頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)輸出值；^")表示單純形第 三個(gè)頂點(diǎn)的值；^^表示以最低點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)其余兩點(diǎn)的形心值；^"表示以最高點(diǎn)為反射 點(diǎn)時(shí)其余兩點(diǎn)的形心值；^表示除反射點(diǎn)之外的其余兩點(diǎn)的形心值；^"表示單純形第三個(gè) 頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)輸出值；(d)若,、,)，反射成功，轉(zhuǎn)步驟4;若,、,3、/(1),轉(zhuǎn)步驟5;若《/<3)>^， 轉(zhuǎn)步驟6。 步驟4:擴(kuò)張(1)若/"=人"、,)=V)、 f = A，即反射點(diǎn)的函數(shù)值比初始單純形最低點(diǎn)的 函數(shù)值小，則說(shuō)明沿最好點(diǎn)方向的搜索可以得到最小值，可進(jìn)行擴(kuò)展，取擴(kuò)展系數(shù)^2， 并計(jì)算擴(kuò)張點(diǎn)的函數(shù)值。x")=X + /K;c(3)-x(°)) (5) (a)若^力<^"表示擴(kuò)展成功，以x， V"、 V"為頂點(diǎn)構(gòu)成新的單純形。(b)若/'4^/3)，擴(kuò)展失敗，以反射點(diǎn)^代替最高點(diǎn)^"，按下式計(jì)算新得單純形的頂 點(diǎn)(6)r為映射擴(kuò)大系數(shù)，"1力 1-1。(2)若J印二J/"、 x")-a")、 f = A，以a")和義a為基本點(diǎn)，向最高點(diǎn)方向搜索進(jìn)行擴(kuò)展，取擴(kuò)展系數(shù)^-2，并計(jì)算擴(kuò)張點(diǎn)的函數(shù)值。x(4)=X + //"h(3)-(7)
(a) 若,〈戶表示擴(kuò)展成功，以V， ^、 ^為頂點(diǎn)構(gòu)成新的單純形。(b) 若/4)2/(3)，擴(kuò)展失敗，以反射點(diǎn)A")代替最高點(diǎn)X")，按下式計(jì)算新得單純形的頂點(diǎn)r為映射擴(kuò)大系數(shù)，"=i.o~i.i。(3)重新計(jì)算單純形各頂點(diǎn)函數(shù)值"^，轉(zhuǎn)步驟2，循環(huán)迭代；步驟5:若,)"(3y，則可以以X仰、產(chǎn)、^"為新的單純形。步驟6:若^、,"，說(shuō)明反射點(diǎn)取的太遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)沿^)^方向壓縮，取壓縮系數(shù)"=()'5。 選取^"、 x印中函數(shù)值最小點(diǎn)，設(shè),)e[x(2)、 x(3)]。<formula>formula see original document page 9</formula> (9)假如^5)《"^',以,;、,;、V"為頂點(diǎn)構(gòu)成新的單純形；假如,^,)采用半單純形縮,=,+丄(,)—x(')),=^)+丄(,—產(chǎn)) 邊法得到 2 、 2 ，以/w、 x， x^為新的單純形。重復(fù)以上步驟2，直到滿足收斂準(zhǔn)則為止。收斂準(zhǔn)則如下所示(10)^^為尋優(yōu)的最大值點(diǎn)，^""")為尋優(yōu)的最小值點(diǎn)，S為給定的正的誤差值;滿足式(IO)時(shí)，單純形尋優(yōu)算法輸出頂點(diǎn)Z為一由《；、A'組成的列向量，由此可以得到保證電壓穩(wěn)定的最優(yōu)參數(shù)《p、《值(即為《；、《')，從而改善svc的動(dòng)態(tài)性能。(二)非線性PI控制器利用誤差A(yù)「作為非線性函數(shù)的輸入和常規(guī)的PI控制器級(jí)聯(lián)起來(lái)，是一種很簡(jiǎn)單的非線性PI控制器。結(jié)合實(shí)際在本發(fā)明中選用的非線性函數(shù)形式如下<formula>formula see original document page 9</formula>
因上述非線性指數(shù)函數(shù)^的值域可以達(dá)到無(wú)窮大，如不對(duì)非線性函數(shù)加以限制，在SVC 控制器電壓誤差變化較大的區(qū)域，可能會(huì)非線性補(bǔ)償過(guò)大引起系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的比例增益過(guò) 大而使SVC控制系統(tǒng)電壓出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。采用式(12)函數(shù)來(lái)限制A大小。
權(quán)利要求
1、一種靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI電壓控制方法，包括以下步驟1)檢測(cè)并采樣靜止無(wú)功補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流Isvc，并由式VsL＝0.03×Isvc計(jì)算補(bǔ)償電壓VsL；檢測(cè)并采樣電網(wǎng)電壓的方均根值Vrms；2)計(jì)算電壓設(shè)定值Vref與補(bǔ)償電壓VsL、系統(tǒng)電壓Vrms的差值ΔV；3)差值ΔV經(jīng)過(guò)最優(yōu)非線性PI控制器得到補(bǔ)償導(dǎo)納Bref′；4)補(bǔ)償導(dǎo)納Bref′經(jīng)限幅模塊進(jìn)行限幅，再由TCR/MSC導(dǎo)納計(jì)算模塊機(jī)械式投切電容器控制導(dǎo)納信號(hào)Bmsc、晶閘管控制電抗器控制導(dǎo)納信號(hào)Btcr；5)導(dǎo)納角度計(jì)算函數(shù)將控制導(dǎo)納信號(hào)Btcr變換成控制角度信號(hào)；6)MSC邏輯控制器將控制導(dǎo)納信號(hào)Bmsc變成邏輯電平信號(hào)；7)控制角度信號(hào)、邏輯電平信號(hào)被送到觸發(fā)電路，由靜止無(wú)功補(bǔ)償器控制電抗器、電容器的投入量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI電壓控制方法，所述步驟3)中 以時(shí)間乘以誤差絕對(duì)值積分準(zhǔn)則作為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，改進(jìn)單純形加速算法計(jì)算PI控制器最佳調(diào)節(jié)系數(shù)《P、《，其步驟如下 尋優(yōu)目標(biāo)為-<formula>formula see original document page 2</formula>以PI控制器調(diào)節(jié)系數(shù)^10、《w，作為單純行加速算法的初始頂點(diǎn)^)，并由式 = ,+2f構(gòu)造出其它頂點(diǎn)值^) 、 ;由函數(shù)值,、，、Z"的比較得出最高點(diǎn)^)、次高點(diǎn)V)、最低點(diǎn)^)，對(duì)單純行頂點(diǎn) 向最好點(diǎn)，最差點(diǎn)進(jìn)行反射；對(duì)單純行頂點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)張、映射、壓縮運(yùn)算，得出PI控制器最佳調(diào)節(jié)系數(shù)《P、《。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI電壓控制方法，其特征在于 非線性PI控制器利用誤差A(yù)「作為非線性函數(shù)^的輸入和常規(guī)的PI控制器級(jí)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成 非線性PI控制器，其中非線性函數(shù)為- <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種靜止無(wú)功補(bǔ)償器的非線性PI電壓控制方法，包括以下步驟檢測(cè)并采樣靜止無(wú)功補(bǔ)償器輸出的補(bǔ)償電流I_svc，并計(jì)算補(bǔ)償電壓V_sL采樣電網(wǎng)電壓的方均根值V_rms；計(jì)算電壓設(shè)定值V_ref與補(bǔ)償電壓V_sL、系統(tǒng)電壓V_rms的差值ΔV；差值ΔV經(jīng)過(guò)最優(yōu)非線性PI控制器得到機(jī)械式投切電容器、晶閘管控制電抗器的控制導(dǎo)納信號(hào)B_msc、B_tcr；由控制導(dǎo)納信號(hào)B_msc、B_tcr得到邏輯電平信號(hào)、角度控制信號(hào)；控制角度信號(hào)、邏輯電平信號(hào)被送到觸發(fā)電路，由靜止無(wú)功補(bǔ)償器控制電抗器、電容器的投入量。本發(fā)明中利用非線性PI來(lái)控制靜止無(wú)功補(bǔ)償器電壓，非線性PI的響應(yīng)速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI的響應(yīng)速度，解決了被控制量易出現(xiàn)超調(diào)的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)超調(diào)地跟蹤SVC系統(tǒng)的電壓設(shè)定值，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。
文檔編號(hào)H02J3/18GK101162841SQ20071003593
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月18日
發(fā)明者劉定國(guó), 帥智康, 徐先勇, 鋒 李, 安 羅, 偉 趙 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)