一种改进型D-STATCOM控制方法及系统与流程

一种改进型d
‑
statcom控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及无功功率补偿控制技术领域，更具体的说是涉及一种改进型d
‑
statcom控制方法及系统。


背景技术：

2.近年来，由于智能电网以及风电和光伏等分布式能源的大规模应用，电网结构变得越来越复杂。同时，接入配电网的新能源也对配电网的稳定性构成了极大的威胁。此外，非线性电力电子设备对电网结构和配电网的安全运行也提出了很大的挑战。引入d
‑
statcom用于改善配电网的性能已被作为一种经济且有效的解决方案。d
‑
statcom作为一种动态无功补偿装置可以提高系统功率因数、有效稳定电压、减少电压波动和功率损耗，是提高供电可靠性的重要设备，也是电能质量调节领域的重要组成部分。
3.传统电流环控制的主要方法是pi控制策略，这种传统的控制策略主要用于d
‑
statcom非线性数学模型线性化处理的系统。pi控制器控制结构简单，可在dq同步坐标系中采用pi控制器对系统进行解耦。只要参数调整得当，基于pi控制的d
‑
statcom能获得满意的性能。然而，如果运行条件与假设情况不同，特别是在负载突变或短路故障等大扰动情况下，pi控制器性能会下降。并且由于外部扰动的增加，pi控制器的动态特性会越来越差。
4.基于pi控制器控制d
‑
statcom的特性存在上述缺陷，因此如何提供一种控制性能更好的d
‑
statcom控制方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种改进型d
‑
statcom控制方法及系统，涉及ladrc(linearactive disturbance rejection control——线性自抗扰控制)双闭环的d
‑
statcom(distribution network static synchronous compensator——配电网静止同步补偿器)补偿功率控制，结合ladrc在控制效果上的有效性及其d
‑
statcom的双闭环控制结构，利用一阶ladrc来代替传统d
‑
statcom控制策略进行电流内环控制。ladrc采用串联积分器的形式作为控制对象的规范形式，将系统规范模型外的未知扰动和外部扰动视为总扰动，并将系统的总扰动扩展为一个新的状态变量。ladrc估计并补偿系统的实时扰动并通过eso(状态观测器(expansion state observer，eso))实现动态线性反馈，打破了线性系统和非线性系统之间的边界。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：
7.本发明提供一种改进型d
‑
statcom控制方法，使用一阶ladrc来补偿总扰动估计误差，得到改进型ladrc控制器，进而可以补偿系统的总干扰估计误差；
8.对d
‑
statcom系统的电流内环使用改进型ladrc控制器，对d
‑
statcom系统的电流外环使用pi控制器。
9.基于补偿总扰动的改进lsef(线性状态误差反馈)为
[0010][0011]
其中u为系统的输入，u0为线性状态误差反馈算法，b0为未知的输入控制增益估计值，z2为总扰动f的跟踪值，为理想闭环外的误差项，z2用于跟踪总扰动信号。
[0012]
将超前滞后校正添加到总扰动中，得到改进的二阶leso(状态观测器)扰动观测传递函数
[0013][0014]
其中β1和β2是观测器的状态变量，s为复频率，t
e
为校正链接的时间常数，α为0～1之间的系数。
[0015]
改进的二阶leso为
[0016][0017]
其中z1为y的跟踪值，z3由z2通过串联校正链路获得，z1用于跟踪输入信号y，z3最终作用于系统的总扰动；
[0018]
ladrc控制器的被控对象的形式为其中u为系统的输入，y是系统的输出；w是未知的外部干扰；a0是系统的参数；b是未知的输入控制增益；
[0019]
根据所述被控对象的形式，结合基于补偿总扰动的改进lsef以及改进的二阶leso扰动观测传递函数，则可获得具有校正链接的改进型ladrc控制器结构。
[0020]
本发明还提供一种改进型d
‑
statcom控制系统，包括d
‑
statcom系统、改进型ladrc控制器、pi控制器；
[0021]
所述改进型ladrc控制器用于补偿总干扰估计误差，控制d
‑
statcom系统的电流内环；
[0022]
所述pi控制器用于控制d
‑
statcom系统的电流外环。
[0023]
本发明的工作原理为：ladrc技术是一种不依赖于系统精确数学模型、无需测量系统所受扰动，以leso为核心，通过输入和输出来观测系统的实际运动，利用动态补偿环节将系统补偿为线性的积分串联型结构，再利用lsef使闭环系统获得较好的控制性能。ladrc技术在解耦性能、抗扰性能方面效果显著。本发明基于对二阶leso观察误差的理论分析，提出了一种改进的一阶ladrc来补偿总干扰估计误差，以改善各种故障期间配电网的动态能力。将改进型ladrc技术代替经典的pi控制来对d
‑
statcom电流内环进行控制。
[0024]
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种改进型d
‑
statcom控制方法及系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0025]
(1)本发明使用ladrc控制器控制d
‑
statcom系统的电流内环，pi控制器控制d
‑
statcom系统的电流外环，相较于传统方式中仅仅使用pi控制器进行系统的控制，本发明方法能够快速调节时间，d
‑
statcom系统的无功电流跟踪性能好，有功功率和无功功率输出波动更小，可以快速达到稳定状态。
[0026]
(2)本发明还对ladrc控制器进行改进，得到一种补偿总扰动误差的改进型ladrc控制器，代替传统的d
‑
statcom控制策略进行电流内环控制，有效降低了状态观测器leso的扰动观测误差，提高系统输出的稳定性和抗扰性，有效消除由有功功率和无功功率引起的振荡，快速为电力系统提供有功功率和无功功率，更好地降低由系统引起的电压波动，提高配电网的整体效率。电流环应用改进型ladrc技术解决了dq轴电流间的耦合问题，避免了dq轴电流波动对跟踪电流的影响。
[0027]
(3)ladrc能不依赖被控系统精确的数学模型，从而达到较好的控制效果并且设计简单，方便实现。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]
图1为d
‑
statcom系统的整体结构图；
[0030]
图2为本发明改进型ladrc控制器结构图；
[0031]
图3为本发明基于改进型ladrc控制器的d
‑
statcom控制系统结构图；
[0032]
图4为低压穿越情况下，分别使用本发明控制方法和传统pi控制器的无功电流跟踪曲线对比示意图；
[0033]
图5为负荷变动情况下，分别使用本发明控制方法和传统pi控制器的无功电流跟踪曲线对比示意图；
[0034]
图6a
‑
图6b为低压穿越情况下，分别使用本发明控制方法和传统pi控制器的无功功率和有功功率波形对比示意图；
[0035]
图7a
‑
图7b为负荷变动情况下，分别使用本发明控制方法和传统pi控制器的无功功率和有功功率波形对比示意图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
本发明实施例公开了一种改进型d
‑
statcom控制方法及系统，其具体实施方式为：
[0038]
步骤一、建立d
‑
statcom系统的模型结构图
[0039]
图1为d
‑
statcom系统的总体结构，逆变器的六个桥臂上采用全控型开关器件igbt与续流二极管组成。d
‑
statcom在三相abc坐标系下有如下数学关系：
[0040][0041]
其中，u
sa
、u
sb
、u
sc
代表三相电网电压；i
ca
、i
cb
、i
cc
是补偿器的实际输出电流；u
ca
、u
cb
、u
cc
是d
‑
statcom输出电压；s
k
,(k＝a,b,c)为开关函数；u
dc
代表直流侧电容电压，i
dc
代表直流母线电流，c是直流母线电容，r、l分别是d
‑
statcom和电网连接点之间的滤波器等效电阻和电感。
[0042]
通过坐标变换获得dq旋转坐标系下的数学模型：
[0043][0044][0045]
其中，u
sd
、u
sq
为电网侧d、q轴电压分量；i
cd
、i
cq
为d
‑
statcom注入电网电流的d、q轴分量；u
cd
、u
cq
为d
‑
statcom在d、q轴上的输出电压；s
d
、s
q
为d、q轴开关函数分量，ω为电角速度(rad/s)。由式(2)和式(3)可知，d
‑
statcom可以看作是一个一阶系统，对于可测量的一阶系统，可以通过设计适当的线性扩展状态观测器来观察系统的状态变量和总扰动。
[0046]
第2步：传统一阶ladrc介绍
[0047]
由于ladrc不依赖于被控对象的具体数学模型，被控对象的微分方程可以写成以下一般形式：
[0048][0049]
式(4)中，u和y分别是系统的输入和输出；w是未知的外部干扰；a0是系统的参数；b是未知的输入控制增益，假设估计值为b0。
[0050]
设x1＝y，将f(y,w)＝
‑
a0y w (b
‑
b0)u定义为系统的广义扰动，这包括系统中所有的不确定因素和未知的外部扰动。
[0051]
设x2＝f(y,w)，系统的状态方程能被列写出：
[0052][0053]
建立二阶leso：
[0054][0055]
在式(6)中，z1和z2分别跟踪输入信号y和总扰动信号。β1和β2是观测器的状态变量，可以通过选择适当的参数实现实时跟踪系统的状态变量。
[0056]
通过扩展状态变量z2，可以设计扰动补偿环节如下：
[0057][0058]
系统的线性状态误差反馈(lsef)定律可设计如下：
[0059]
u0＝k
p
(v
‑
z1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0060]
其中k
p
是比例控制增益。
[0061]
可以由极点配置的方法来简化观测器和控制器参数：
[0062]
β1＝2ω0,β2＝ω
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0063]
k
p
＝ω
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0064]
合理的调整这两个参数就能得到较好的控制效果。
[0065]
第3步：改进一阶ladrc控制器
[0066]
二阶leso的估计误差被定义为：
[0067]
e1＝z1‑
y,e2＝z2‑
f
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0068]
根据公式(5)、(6)，总扰动到估计误差的传递函数被得到：
[0069][0070]
由方程(12)可知，leso估计误差的唯一影响因素是总扰动f。
[0071]
考虑leso的总扰动的跟踪误差对ladrc控制性能的影响，并对控制器进行改进。以一阶系统控制律为例：
[0072][0073]
leso估计误差的实际闭环系统为：
[0074][0075]
其中为leso估计总误差。
[0076]
可以得到改进控制律：
[0077][0078]
式(5)可以得到传统的二阶leso扰动观测传递函数：
[0079][0080]
在实际控制系统中往往只需要关注中低频信号。显然ω0足够大时，中低频系数β1、β2明显大于1，因此，式(16)可以近似等效为：
[0081][0082]
将式(17)进行拉普拉斯反变换并联立可得：
[0083][0084]
将式(18)带入闭环系统中：
[0085][0086]
此时估计误差的补偿项为：
[0087][0088]
基于补偿总扰动的改进lsef为：
[0089][0090]
将超前滞后校正添加到总干扰中可得到：
[0091][0092]
式中：t
e
为校正链接的时间常数；α为0～1之间的系数。
[0093]
由式(6)和(22)可得改进的二阶leso：
[0094][0095]
其中z3由z2通过串联校正链路获得是最终作用于系统的总扰动。
[0096]
通过等式(4)，(21)和(22)可以获得具有校正链接的ladrc控制器的结构，如图2所示。
[0097]
第4步：基于ladrc的d
‑
statcom系统结构设计
[0098]
d
‑
statcom控制系统是一个由电压外环和电流内环组成的双闭环结构，外环产生d
轴和q轴参考电流i
d
‑
ref
和i
q
‑
ref
并送到电流内环反馈控制器。
[0099]
外环由电容电压控制器通过期望值和实际电容电压之间的差值得到d轴参考i
d
‑
ref
；通过交流系统母线电压或无功控制器得到q轴电流参考i
q
‑
ref
。内部电流回路控制器确保实际电流的d轴分量i
cd
跟踪d轴电流参考i
d
‑
ref
；实际电流的q轴分量i
cq
跟踪q轴电流参考i
q
‑
ref
。电容电压的控制实际上是通过调节d
‑
statcom系统吸收的有功功率来实现的。d
‑
statcom的电压和实际电压之间的同步是由锁相环(pll)执行的，由锁相环得到的θ计算出电压和电流的dq分量。其中，无功功率通过电流分量i
cq
调节，有功功率通过电流分量i
cd
调节。
[0100]
由上述技术方案可知，本发明实施例设计了一个基于自抗扰技术的d
‑
statcom系统的双闭环控制器。在电流内环应用自抗扰控制器，电压外环应用pi控制器。d
‑
statcom系统dq矢量控制总体结构如图3所示。
[0101]
第5步：基于改进型ladrc与传统pi控制器的控制效果对比
[0102]
利用simulink建立d
‑
statcom系统的仿真模型，对比两种控制方式下无功电流的跟踪性能以及无功功率和有功功率输出性能。图4为0.3s时网侧发生50％低压穿越，0.5s恢复原始电压情况下，两种控制方法的无功电流跟踪曲线对比。图5为0.3s增加一倍负载，0.5s恢复原始负载情况下，两种控制方法的无功电流跟踪曲线对比。图6a为0.3s时网侧发生50％低压穿越，0.5s恢复原始电压情况下，两种控制方法输出的无功功率的比较示意图，图6b为0.3s时网侧发生50％低压穿越，0.5s恢复原始电压情况下，两种控制方法输出的有功功率的比较示意图。图7a为0.3s增加一倍负载，0.5s恢复原始负载情况下，两种控制方法输出的无功功率的比较示意图，图7b为0.3s增加一倍负载，0.5s恢复原始负载情况下，两种控制方法输出的有功功率的比较示意图。由图4
‑
图5可知改进的ladrc具有快速调节时间，d
‑
statcom的无功电流跟踪性能非常好。由图6a、图6b、图7a、图7b可知改进型ladrc控制的d
‑
statcom系统的有功功率和无功功率输出具有相对较小的波动，并且可以快速达到稳定状态。综上表明，改进的ladrc受电网侧电压故障的影响较小，抗干扰性能较高。
[0103]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0104]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。