(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 107026456 A (43)申请公布日 2017.08.08
(21)申请号 201610073370.7(22)申请日 2016.02.02
(71)申请人天津理工大学
地址300384 天津市西青区宾水西道391号(72)发明人马幼捷 赵涛 周雪松
(74)专利代理机构天津天麓律师事务所 12212
代理人王里歌(51)Int.Cl.
H02J 3/18(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
一种基于线性自抗扰的SVC控制器(57)摘要
一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于它是包括采样调理单元、运算控制单元、执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路和主电路单元构成；其优越性在于：①硬件设计简单，软件编程通俗易懂；②强非线性和不确定扰动下仍然能够保持良好的控制精度；③选用了高性能DSP控制芯片，大大提高了系统的可靠性；④具有广阔的市场应用前景和工程应用价值。
C N 1 0 7 0 2 6 4 5 6 ACN 107026456 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于它包括采样调理单元、运算控制单元、执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路和主电路单元；其中，所述采样调理单元的输入端采集电力系统母线中需要进行处理和分析的模拟量信号，其输出端与运算控制单元的输入端连接；所述运算控制单元的输出端分别与执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路的输入端连接；所述执行单元的输出端与主电路单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述采样调理单元是由电压互感器、电流互感器、滤波放大电路及信号调理电路构成；其中所述电压互感器和电流互感器的输入端采集系统母线电压和电流信号，其输出端与滤波放大电路连接；所述滤波放大电路的输出端输出电压信号和电流信号的弱电信号，与信号调理电路的输入端连接；所述信号调理单元的输出端与运算控制单元的输入端连接。
3.根据权利要求2所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述电压互感器是星格SPT204A；所述电流互感器是星格SCT254；所述滤波放大电路采用二阶低通滤波器电路。
4.根据权利要求1所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述运算控制单元由内置A/D采样模块、LADRC控制模块、PWM输出模块、定时器、寄存器、捕获模块的DSP控制芯片构成。
5.根据权利要求4所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述DSP控制芯片是美国德州仪器公司的TMS320F2812芯片；所述A/D采样模块的输入端采集采样调理电路发出的电压、电流信号，其输出端与LADRC控制模块相连；所述PWM输出模块的输入端接收LADRC控制模块的输出信号，其输出端与执行单元的输入端连接。
6.根据权利要求1所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述执行单元由触发脉冲放大电路构成，其中包括脉冲变压器和可控硅；所述脉冲变压器选用北京瑞田达公司的KCB-04A1型； 其接入运算控制单元的输出信号，输出端接主电路。
7.根据权利要求1所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述保护电路单元为BOD保护电路，其输入、输出端都接主电路，起到晶闸管过电压保护的作用。
8.根据权利要求1所述一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于所述主电路单元由TCR+TSC型SVC构成，其接入执行单元发出的触发脉冲信号，输出端与电网连接。
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CN 107026456 A
说 明 书
一种基于线性自抗扰的SVC控制器
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(一)技术领域：
[0001]本发明属于电力系统静止无功补偿器(Static Var Compensator—SVC)控制技术领域，尤其是一种基于线性自抗扰的SVC控制器。(二)背景技术：
[0002]电力系统是一个复杂的非线性系统，随着日益增多的冲击性负荷(如电弧炉、轧机、绞车、电焊机等)接入电网，晶闸管、IGBT、GTO等整流器件、非线性负荷大量使用，造成了电网电能质量严重恶化。SVC是柔性交流输电系统(FACTS)的重要成员之一，它不仅用于输电网用以控制节点电压水平，提高传输可控性、系统稳定性和输送容量，还广泛应用于配电网中用来提高供电可靠性和电能质量。由于其拥有同类装置无可比拟的性价比，因此被广泛用于电力系统动态电压稳定控制和无功补偿。
[0003]SVC用于电力系统稳定控制主要起到稳定节点电压的作用。SVC稳定电压，主要通过其对电压的控制来实现的，电压控制策略的优劣，直接影响SVC的性能。因此，研究电压控制策略成为了研究SVC装置的热点。不少文献提出了传统PI控制、神经网络、自适应等控制方法。但传统PI控制在动态调节过程中的快速性与超调的矛盾不易解决，动态调节效果不理想。神经网络、自适应等人工智能方法虽然能达到较好的控制效果，但理论复杂，设计及工程实现困难，并且针对特定的对象不具备传统PI控制的普适性(即可应用于所有对象的控制系统中)。本发明提出了采用线性自抗扰LADRC(Linear Active Disturbance Rejection Controller——线性自抗扰控制器)的设计方法，该方法即保留自抗扰控制技术ADRC(Active Disturbance Rejection Controller——自抗扰控制器)不依赖被控对象的具体模型等优点又克服了非线性自抗扰控制参数多难于调试的难题，使得该控制器既能达到很好的控制效果又能易于实现。
(三)发明内容：
[0004]本发明的目的在于提供一种基于线性自抗扰的SVC控制器，它既能解决传统PI控制快速性和超调的矛盾问题，又能克服非线性ADRC(Active Disturbance Rejection Controller——自抗扰控制器)参数多难于调试的难题，还具备像传统PI控制一样的普适性。从而达到了控制效果好又易于实现的要求。[0005]本发明的技术方案：一种基于线性自抗扰的SVC控制器，其特征在于它是包括采样调理单元、运算控制单元、执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路和主电路单元构成；其中，所述采样调理单元的输入端采集电力系统母线中需要进行处理和分析的模拟量信号，其输出端与运算控制单元的输入端连接；所述运算控制单元的输出端分别与执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路的输入端连接；所述执行单元的输出端与主电路单元的输入端连接。
[0006]所述采样调理单元是由电压互感器、电流互感器、滤波放大电路及信号调理电路构成；其中所述电压互感器和电流互感器的输入端采集系统母线电压和电流信号，其输出
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端与滤波放大电路连接；所述滤波放大电路的输出端输出电压信号和电流信号的弱电信号，与信号调理电路的输入端连接；所述信号调理单元的输出端与运算控制单元的输入端连接。
[0007]所述电压互感器是星格SPT204A；所述电流互感器是星格SCT254；所述滤波放大电路采用二阶低通滤波器电路。
[0008]所述运算控制单元由内置A/D采样模块、LADRC控制模块、PWM输出模块、定时器、寄存器、捕获模块的DSP控制芯片构成。
[0009]所述DSP控制芯片是美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812芯片；所述A/D采样模块的输入端采集采样调理电路发出的电压、电流信号，其输出端与LADRC控制模块相连；所述PWM输出模块的输入端接收LADRC控制模块的输出信号，其输出端与执行单元的输入端连接。
[0010]所述执行单元由触发脉冲放大电路构成，其中包括脉冲变压器和可控硅；所述脉冲变压器选用北京瑞田达公司的KCB-04A1型；其接入运算控制单元的输出信号，输出端接主电路；
[0011]所述保护电路单元为BOD(Break Over Diode)保护电路，其输入、输出端都接主电路，起到晶闸管过电压保护的作用；
[0012]所述主电路单元由TCR+TSC型SVC构成，输其接入执行单元发出的触发脉冲信号，出端与电网连接。
[0013]本发明的工作原理：采样调理单元对系统母线电压、电流进行交流采样，经滤波放大电路及信号调理单元之后得到满足DSP内置A/D转换模块要求的信号，再接入DSP控制芯
根据安装点母线电压与设定值的差值计算出所需补片，经A/D转换后送入LADRC控制模块，
偿的电纳值，得出投切逻辑命令及触发角大小，输出接PWM输出模块，去生成主电路所需的12路PWM信号。然后经脉冲放大电路得到能触发主电路晶闸管导通的脉冲信号，进而实现对SVC吸收无功功率大小的有效控制。
[0014]运算控制单元的输入端接采样调理单元，通过对采集数据与控制目标的比较，得出偏差值，送入LADRC调节器，算出需要对执行单元发出的控制参数，引导执行单元完成对主电路单元的控制，其输出端接执行单元；所述执行单元输入端接运算控制单元，将运算控制单元计算出的控制量进行具体的物理实现，完成对主电路的控制，其输出端接主电路；所述主电路单元输入端接执行单元，在执行单元的控制下动作，从而完成对电力系统的补偿作用，其输出端接电力系统母线；所述保护电路单元输入、输出端均与主电路相连，对主电路中的电力电子器件进行过电压保护。[0015]LADRC控制模块是本发明的核心，见图3，是非线性ADRC的线性化处理。它主要由线性的扩张状态观测器(Linear Extended State Observer LESO)和线性化的非线性状态误差反馈(Non-Linear State Error FeedbackNLSEF)，即线性状态误差反馈(Linear State Error Feedback LSEF)组成。考虑到时滞对象本身就反应迟钝，去掉了完整ADRC中的跟踪微分器(Tracking Differentiator TD)这一环节。以一个一阶LADRC为例说明，LESO的作用是通过LADRC输出的补偿电纳值观测到安装点的电压值及其一阶微分的估计值，与电压设定值进行求差运算，再经过线性误差反馈控制率。非线性状态误差反馈控制率是TD和ESO产生的状态变量估计之间的误差非线性组合，其组合结果与ESO产生的系统总扰动的估计量
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作为被控对象SVC的输入信号u(t)。这是一种独立于对象模型的非线性控制器结构，大量数值仿真表明，这个控制器可以通过选择合适的参数来得到很好的适应能力和很强的鲁棒性。考虑到将NLSEF线性化之后，线性化的NLSEF将非线性的组合变成了一种线性组合，这样线性化的NLSEF就变成了PD控制器形式。但是对于一阶系统，由于LESO没有对状态的微分进行观测，故LSEF采用P控制。其中v为电压设定值，z1是对SVC输出电纳值的观测值，z2是对系统总扰动的估计值。用v减去z1，差值再乘以比例环节的系数kp得到u0，再用u0减去对系统总扰动的估计值z2的差值再乘以1/b0，b0为扰动补偿因子。对于已经建立模型的系统b0是已知的。选择适当的b0和kp即可得到PWM输出模块的输入电压，见图3、图4。
[0016]软件设计拟选用CCS3.3(Code Composer Studio)作为DSP控制芯片的软件开发平台。这是由于CCS3.3提供了源代码编辑环境、执行代码生成工具以及代码调试工具，另外还
CCS3.3支持多种编程语言，鉴具有程序实时分析与调整功能，使得程序设计更为方便快捷。
于C语言的可移植性以及兼容性等优点，因此本发明采用C语言编写DSP程序。[0017]本发明的优越性在于：①硬件设计与软件设计相结合，硬件设计简单，软件编程通俗易懂；②采用了先进的LADRC控制技术，既弥补了传统PI控制快速性与超调的缺点，又克服了非线性ADRC参数多难于调试的难题，在强非线性和不确定扰动下仍然能够保持良好的控制精度；③选用了高性能DSP控制芯片，大大提高了系统的可靠性；④具有广阔的市场应用前景和工程应用价值。
(四)附图说明：
[0018]图1为发明所涉一种基于线性自抗扰的SVC控制器的整体结构框图。[0019]图2为发明所涉一种基于线性自抗扰的SVC控制器的整体结构示意图。
[0020]图3为本发明所涉一种基于线性自抗扰的SVC控制器的控制算法LADRC的结构框图。
[0021]图4为本发明所涉一种基于线性自抗扰的SVC控制器中算法程序流程图。
(五)具体实施方式：[0022]实施例：一种基于线性自抗扰的SVC控制器(见图1、图2)，其特征在于它是包括采样调理单元、运算控制单元、执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路和主电路单元构成；其中，所述采样调理单元的输入端采集电力系统母线中需要进行处理和分析的模拟量信号，其输出端与运算控制单元的输入端连接；所述运算控制单元的输出端分别与执行单元、保护电路单元、显示单元、外围电路的输入端连接；所述执行单元的输出端与主电路单元的输入端连接。
[0023]所述采样调理单元(见图2)是由电压互感器、电流互感器、滤波放大电路及信号调理电路构成；其中所述电压互感器和电流互感器的输入端采集系统母线电压和电流信号，其输出端与滤波放大电路连接；所述滤波放大电路的输出端输出电压信号和电流信号的弱电信号，与信号调理电路的输入端连接；所述信号调理单元的输出端与运算控制单元的输入端连接。
[0024]所述电压互感器是星格SPT204A；所述电流互感器是星格SCT254；所述滤波放大电路采用二阶低通滤波器电路。
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所述运算控制单元(见图2)由内置A/D采样模块、LADRC控制模块、PWM输出模块、定
时器、寄存器、捕获模块的DSP控制芯片构成。
[0026]所述DSP控制芯片(见图2)是美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812芯片；所述A/D采样模块的输入端采集采样调理电路发出的电压、电流信号，其输出端与LADRC控制模块相连；所述PWM输出模块的输入端接收LADRC控制模块的输出信号，其输出端与执行单元的输入端连接。
[0027]所述执行单元(见图2)由触发脉冲放大电路构成，其中包括脉冲变压器和可控硅；所述脉冲变压器选用北京瑞田达公司的KCB-04A1型；其接入运算控制单元的输出信号，输出端接主电路；
[0028]所述保护电路单元为BOD保护电路，其输入、输出端都接主电路，起到晶闸管过电压保护的作用；
[0029]所述主电路单元由TCR+TSC型SVC构成，其接入执行单元发出的触发脉冲信号，输出端与电网连接。
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