一种变压器分级调压与级间细调的协同控制方法及装置

本发明涉及变压器调压控制，特别是涉及一种变压器分级调压与级间细调的协同控制方法及装置。

背景技术：

1、电解铜、电镀等工业整流机组通常需要根据负载状态和供电条件对变压器输出电压进行调节。输出电压的稳定程度会直接影响整流机组的运行状态和工艺过程。现有变压器调压方式主要包括有载分接开关调压和晶闸管相控调压。有载分接开关通过切换变压器绕组分接位置改变变比，能够实现较大范围的输出电压调节，运行损耗较低，但调节过程具有明显的档位特征，单级调压幅度较大，机械切换过程还受到动作时间和开关寿命的限制。

2、晶闸管相控调压通过改变晶闸管控制角连续调节整流机组输出电压，具有调节精度较高、响应速度较快的特点，适合承担相邻档位之间的电压细调。晶闸管控制角的可用范围受到输出波形和器件损耗的限制，控制角过小时容易出现波形畸变，控制角增大后导通损耗随之增加，因此单独采用晶闸管相控调压难以同时满足宽调压范围和低损耗运行要求。

3、为了兼顾调压范围和调压精度，现有技术已经采用有载分接开关承担分级调压、晶闸管承担级间细调的组合调压方式。例如，cn102851703a公开了一种电解铝供电系统智能自动调压优化控制方法，将细调调压范围划分为升档段、自由段和降档段；调压值进入升档段时控制有载调压变压器升档，进入降档段时控制有载调压变压器降档，处于自由段时不执行档位切换，同时通过设置延时时间降低短时工况变化引起的频繁调档。上述控制方式反映出工业整流机组调压控制由单一调压元件向分级调压和连续细调配合运行的发展方向。

4、现有粗细调控制通常根据预先设定的调压区间和延时时间确定有载分接开关的动作时机。电网电压发生波动或者负载工况变化后，控制系统需要经过设定的延时时间再判断是否执行档位切换。固定延时时间难以适应扰动幅值和持续时间的变化，固定分段阈值也难以随整流机组实时运行状态调整。有载分接开关和晶闸管之间的调节分工主要依赖预设规则完成，控制过程中缺少对外部扰动的实时观测和补偿，容易影响分级调压和级间细调之间的协调性。

5、自抗扰控制能够利用扩张状态观测器估计被控对象状态和总扰动，因而可用于存在外部扰动的调压控制过程。传统自抗扰控制中的跟踪微分器通常采用最速控制综合函数构造。传统方案中，最速控制综合函数包含符号函数和分段运算，在数字控制器中实现时存在一定相位延迟，滤波性能和跟踪速度之间还存在耦合关系。已有采用双曲正切函数或者反双曲正弦函数构造光滑跟踪微分器的技术主要面向一般信号的滤波和微分提取，尚未针对变压器分级调压和级间细调的控制过程建立相应的协同调压关系。因此，如何在保持较大调压范围的同时提高级间调节精度，并减少瞬时扰动引起的不必要档位切换，仍是现有工业整流机组变压器调压控制中需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种变压器分级调压与级间细调的协同控制方法及装置，可解决现有粗细调控制依赖固定判断方式、扰动状态难以参与调压控制而导致分级调压和级间细调协调性不足的问题，实现基于实际电压状态和总扰动估计的分级调压、级间细调闭环协同。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种变压器分级调压与级间细调的协同控制方法，包括：

4、采集变压器的实际电压；

5、采用基于双曲正切函数构造加速函数的光滑跟踪微分器对预设目标电压进行平滑跟踪，得到平滑目标电压和电压变化率；

6、采用扩张状态观测器对实际电压进行观测，得到实际电压跟踪值、电压变化率估计值和总扰动估计值；

7、根据实际电压跟踪值与平滑目标电压的误差、电压变化率估计值与电压变化率的误差以及总扰动估计值，采用非线性状态误差反馈控制律确定总控制量；

8、当总控制量的绝对值大于预设分级阈值且有载分接开关未达到档位上限并且未达到档位下限时，根据总控制量确定分级指令；当总控制量的绝对值不大于预设分级阈值或有载分接开关达到档位上限或档位下限时，将总控制量确定为细调指令；

9、根据分级指令切换有载分接开关的档位，或按照映射关系将细调指令转换为晶闸管控制角，并根据晶闸管控制角调节晶闸管；

10、采集调压后的实际电压，并将调压后的实际电压作为下一控制周期中扩张状态观测器的输入。

11、优选地，采用基于双曲正切函数构造加速函数的光滑跟踪微分器对预设目标电压进行平滑跟踪，得到平滑目标电压和电压变化率，包括：

12、将电压变化率确定为平滑目标电压的变化率；

13、以斜率因子与平滑目标电压和预设目标电压之间偏差的乘积除以速度因子所得结果作为第一双曲正切函数的自变量，以斜率因子与电压变化率的乘积除以速度因子所得结果作为第二双曲正切函数的自变量；

14、根据速度因子的平方与第一双曲正切函数的函数值的乘积以及速度因子与第二双曲正切函数的函数值的乘积之和的负值，确定电压变化率的变化率；

15、根据平滑目标电压的变化率和电压变化率的变化率，对平滑目标电压和电压变化率进行迭代更新。

16、优选地，采用扩张状态观测器对实际电压进行观测，得到实际电压跟踪值、电压变化率估计值和总扰动估计值，包括：

17、根据实际电压跟踪值与实际电压之间的差值确定观测误差；

18、根据电压变化率估计值与第一观测增益和观测误差的乘积之差，确定实际电压跟踪值的变化率；

19、采用具有第一指数参数和阈值参数的非线性函数fal处理观测误差，根据总扰动估计值与第二观测增益和处理后的观测误差的乘积之差，确定电压变化率估计值的变化率；

20、采用具有第二指数参数和阈值参数的非线性函数fal处理观测误差，根据第三观测增益和处理后的观测误差的乘积的负值，确定总扰动估计值的变化率。

21、优选地，根据实际电压跟踪值与平滑目标电压的误差、电压变化率估计值与电压变化率的误差以及总扰动估计值，采用非线性状态误差反馈控制律确定总控制量，包括：

22、将实际电压跟踪值与平滑目标电压之间的差值确定为电压跟踪误差，将电压变化率估计值与电压变化率之间的差值确定为电压变化率误差；

23、采用具有第三指数参数和阈值参数的非线性函数fal处理电压跟踪误差，采用具有第四指数参数和阈值参数的非线性函数fal处理电压变化率误差，根据两个处理结果和对应的反馈增益确定基础控制量；

24、将总扰动估计值与控制增益系数的比值从基础控制量中扣除，得到总控制量。

25、优选地，预设分级阈值为分级阈值系数、有载分接开关的每级调压幅度与预设目标电压的乘积，每级调压幅度为有载分接开关相邻档位之间的调压比例，分级阈值系数为0.5至0.8。

26、优选地，当总控制量的绝对值大于预设分级阈值且有载分接开关未达到档位上限并且未达到档位下限时，根据总控制量确定分级指令；当总控制量的绝对值不大于预设分级阈值或有载分接开关达到档位上限或档位下限时，将总控制量确定为细调指令，包括：

27、当总控制量的绝对值大于预设分级阈值且有载分接开关未达到档位上限并且未达到档位下限时，根据总控制量的正负符号确定分级指令，并将细调指令置零；

28、当总控制量的绝对值不大于预设分级阈值或有载分接开关达到档位上限或档位下限时，将分级指令置零，并将总控制量作为细调指令。

29、优选地，按照映射关系将细调指令转换为晶闸管控制角，并根据晶闸管控制角调节晶闸管，包括：

30、将映射关系设置为线性映射关系；

31、以15°作为晶闸管控制角的基准值，将细调指令与映射系数的乘积叠加至基准值，得到晶闸管控制角；

32、根据晶闸管控制角调节晶闸管。

33、优选地，在按照映射关系将细调指令转换为晶闸管控制角，并根据晶闸管控制角调节晶闸管的过程中，当晶闸管控制角达到5°或25°且总控制量的绝对值大于零时，根据总控制量的正负符号确定分级指令，根据分级指令切换有载分接开关的档位，并在档位切换完成后将晶闸管控制角恢复至15°。

34、优选地，根据分级指令切换有载分接开关的档位，包括：

35、确定分级指令后，将细调指令锁定为零，并根据分级指令驱动有载分接开关进行档位切换；

36、在档位切换后连续读取有载分接开关的档位反馈，当连续三次读取的档位反馈一致时，确认有载分接开关完成档位切换；

37、确认有载分接开关完成档位切换后，经过预设延时时间解除对细调指令的锁定。

38、一种变压器分级调压与级间细调的协同控制装置，包括控制器模块、检测模块、有载开关执行模块和晶闸管触发模块；

39、检测模块与控制器模块连接，用于采集变压器的实际电压并将实际电压传输至控制器模块；

40、有载开关执行模块包括有载分接开关和驱动电路，驱动电路与控制器模块连接，有载分接开关的档位反馈接口与控制器模块连接；

41、晶闸管触发模块与控制器模块连接，并经脉冲变压器与晶闸管门极连接；

42、控制器模块用于采用基于双曲正切函数构造加速函数的光滑跟踪微分器对预设目标电压进行平滑跟踪，得到平滑目标电压和电压变化率；采用扩张状态观测器对实际电压进行观测，得到实际电压跟踪值、电压变化率估计值和总扰动估计值；根据实际电压跟踪值与平滑目标电压的误差、电压变化率估计值与电压变化率的误差以及总扰动估计值，采用非线性状态误差反馈控制律确定总控制量；当总控制量的绝对值大于预设分级阈值且有载分接开关未达到档位上限并且未达到档位下限时，根据总控制量确定分级指令；当总控制量的绝对值不大于预设分级阈值或有载分接开关达到档位上限或档位下限时，将总控制量确定为细调指令，并按照映射关系将细调指令转换为晶闸管控制角；

43、有载开关执行模块用于根据分级指令驱动有载分接开关进行档位切换；

44、晶闸管触发模块用于根据晶闸管控制角形成触发脉冲，并经脉冲变压器将触发脉冲传输至晶闸管门极。

45、本发明公开了以下有益效果：

46、（1）本发明通过采用基于双曲正切函数构造加速函数的光滑跟踪微分器对预设目标电压进行平滑跟踪，得到平滑目标电压和电压变化率，使目标电压参与调压控制前经过连续、平滑的状态处理，减小短时电压变化直接作用于后续控制量计算所产生的影响，从而降低瞬时波动引起分级调压动作的可能性。

47、（2）本发明通过扩张状态观测器对实际电压进行观测，得到实际电压跟踪值、电压变化率估计值和总扰动估计值，并结合平滑目标电压和电压变化率，由非线性状态误差反馈控制律确定总控制量，使实际电压状态和扰动变化共同参与调压控制，减少单纯依靠延时判断等待扰动消退对调压响应的影响。

48、（3）本发明通过比较总控制量的绝对值与预设分级阈值，并结合有载分接开关的档位状态确定分级指令或细调指令，使达到分级条件的调压需求由有载分接开关进行档位切换，未达到分级条件的调压需求通过晶闸管控制角进行调节，实现分级调压与级间细调之间的协调配合，减少较小电压偏差引起有载分接开关频繁动作的情况。

49、（4）本发明通过按照映射关系将细调指令转换为晶闸管控制角，并重新采集调压后的实际电压，将调压后的实际电压用于下一控制周期的扩张状态观测，使每一控制周期均能够根据调压后的实际电压重新确定控制状态和总控制量，形成连续的闭环调压过程，提高输出电压受到外部扰动后的恢复能力和调节稳定性。