一种基于LADRC的混合型动态无功补偿控制系统的制作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力系统无功补偿技术领域，特别涉及一种基于ladrc(linearactivedisturbancerejectioncontrol,ladrc-线性自抗扰控制器)的混合型动态无功补偿系统的电流跟踪控制系统。

(二)

背景技术：
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无功功率的平衡对无功的快速调节具有重要意义,因此被认作电网安全稳定运行的一个重要参考依据。晶闸管投切电容器(thyristorswitchcapacitor-tsc)作为一种广泛应用的无功补偿方式,其结构简单,成本低。静止同步补偿器(statcom)是一种并联型无功补偿的facts装置，它能够发出或吸收无功功率，在电力系统中可以实现快速平滑地吸收感性和容性无功功率的目的，由于其具有起动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小等优点，广泛应用于电力工业领域并得到飞速发展。混合无功补偿装置将两者结合，相当于一个可变的无功电流源并联于电网中,其无功电流可以灵活控制，不仅弥补了tsc不能连续投切的问题，还减小了statcom的安装容量，在经济和运行两方面得到了优化。statcom+tsc混合无功补偿系统，将statcom与tsc进行优势互补，在满足补偿要求的情况下，使用低成本的tsc承担大部分的无功功率，statcom仅对动态小部分的无功功率进行补偿，消除了tsc补偿级差，降低了装置整体的成本，具有重要的应用价值。针对混合无功补偿系统中动态补偿部分，其控制策略将直接影响着电力系统的动态响应以及是否能够快速、连续地提供无功功率以支撑稳定系统电压的问题。但是一般的混合无功补偿系统中都是采用传统的pid控制器来设计，利用传统pid控制器很难较好地取得精确性和快速性，且随着控制品质的进一步提高，传统pid控制器的缺陷被进一步放大。

(三)

技术实现要素：
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本发明目的是针对传统pid控制中的种种不足，同时遵循用误差消除误差的思想，提供一种基于ladrc的混合型动态无功补偿控制系统，自抗扰控制技术能对pid控制缺陷进行弥补。

本发明系统结合高性能数字信号处理器和先进的线性自抗扰控制算法，大大提高了控制精度和效果，能实现补偿电流对指令电流的快速实时跟踪。系统精度高，抗干扰能力强，克服了在冲击性负载及负载突变时静止同步补偿器的抗干扰能力弱的问题，能够快速准确响应，使系统达到稳定。由于综合考虑statcom及tsc的特点后，对statcom+tsc装置应该采用的整体控制策略是：tsc承担大部分的静态无功功率，而statcom主要承担小部分的动态，采用相互独立控制。

本发明的技术方案

一种基于ladrc的混合型动态无功补偿控制系统，是一种适用于混合型动态无功补偿系统的抗扰跟踪控制系统，包括信号调理电路单元、dsp控制单元以及驱动电路单元，所述信号调理电路单元的输出端与dsp控制单元输入端相连，所述dsp控制单元输出端与驱动电路单元的输入端相连；所述信号调理单元依电压互感器和电流互感器对电网的电压和电流进行实时监测，并将电网和逆变器侧需要采集的强电信号转换成弱电信号，然后由信号调理电路单元将采集的三相电压、电流及相位等信号送入dsp控制单元；再由dsp控制单元触发驱动电路单元里的模块输出驱动信号控制相应开关的通断。

一、其中所述dsp控制单元包括：补偿电流检测模块、dsp控制模块和脉冲触发模块。

所述补偿电流检测模块的输入端与信号调理电路单元的输出端连接,其输出端同时与dsp控制模块及脉冲触发模块的输入端连接，所述dsp控制模块及脉冲触发模块的输出端与驱动电路单元的输入端相连。

1、补偿电流检测模块由fpga检测模块构成，通过瞬时无功功率理论完成谐波分析和无功计算。

2、所述dsp控制模块，包括含有ladrc控制算法的主控制器子单元、a/d采样子单元、外部扩展存储子单元、外部输出接口子单元、通信模块和串行eeprom+rtc实时时钟等外设；所述补偿电流检测模块的输出端与所述a/d采样子单元输入端相连接，该a/d采样子单元输出端与主控制器子单元相连接；所述主控制器子单元还分别与外部扩展存储子单元和外部输出接口子单元相连接，该外部输出接口子单元的输出端与所述驱动电路单元相连。

所述a/d采样子单元采用型号为ad77o5的芯片；所述主控制器子单元采用tms320f2812芯片，该芯片速度提升至150m，处理数据位数跃升到32位定点，最大的亮点是其拥有eva、evb事件管理器和配套的12位16通道的数据采集；所述外部接口子单元采用晶体管输出光电耦合器tlp512；所述外部扩展存储子单元采用存储芯片is61lv256，考虑到混合补偿系统的数据存储容量要求比较大,故采用扩展eeprom(at24c512)对数据进行存储。电路配置标准rs-232串行通信接口。

二、所述驱动电路单元由三角波发生器子单元和比较器子单元组成，该比较器子单元输入端还与dsp控制模块的输出端相连接。

一种基于ladrc的混合型动态无功补偿系统的抗扰跟踪控制系统，该控制系统所涉及的控制方法包括以下步骤：

步骤a、通过上述所说的系统中的电压互感器、电流互感器采集电网的实时电压电流信息，由所述的信号调理电路单元进行数据的初步调理。

步骤b、通过上述信号调理电路对混合补偿系统各接入点电压、tsc的输出电流、statcom的直流侧电压和工作电流进行检测，经所述补偿电流检测模块(fgpa检测模块)处理后的三相负载电流检测单元输出ia,ib,ic至dsp控制模块的a/d采样子单元，经a/d采样子单元进入所述dsp控制模块的主控制器子单元，得出电网的无功补偿容量，送至tsc控制模块，进行相应投切。

步骤c、投切后经补偿电流检测模块检测tsc补偿后的剩余无功功率，以此无功功率作为statcom的补偿指令，并且经派克变换后产生无功指令电流iqref；

步骤d、将ladrc控制算法编写入dsp控制模块，利用dsp对数据进行处理，实现对补偿电流的跟踪控制，输出补偿电流的控制量。

步骤e、由fgpa检测模块的直流侧电压检测单元输出直流电压至dsp控制模块的a/d采样子单元，经a/d采样进入dsp控制模块的主控制器子单元后分别与系统直流侧电压设定值uref比较形成误差信号，该信号经过调节器产生有功指令电流idref；

步骤f、线性自抗扰控制策略：控制框图如图4所示。把本发明最核心的线性自抗扰补偿电流控制技术编写入dsp芯片，即把控制算法转化为编程语言存入所述的存储单元。无功指令电流iqref与有功指令电流idref分别经过dsp控制模块的主控制器子单元进行线性自抗扰控制算法处理之后，形成静止同步补偿器有功和无功电压输出指令信号ucd和ucq；

步骤g、由fgpa检测模块的相位检测单元输出系统相位角θ直流侧电压设定值uref、有功和无功电压输出指令信号ucd和ucq，经dsp控制模块的主控制器子单元计算出pwm输出的调制比m与调制波相位角α后存入dsp控制模块的外部扩展存储子单元，并经由dsp控制模块的外部接口子单元输出三相pwm调制信号至驱动电路单元(igbt驱动模块)；

步骤h、pwm调制信号进入igbt驱动模块的比较器子单元后，与igbt驱动模块的三角波发生器子单元比较，产生主电路模块igbt驱动信号，通过调节占空比控制静止同步补偿器输出无功电流的大小，从而对电力系统进行无功补偿控制。本发明的优点和技术效果在于：

本发明通过降低无功补偿装置的投资成本，又可以动态的调节无功功率，发明了一种适用于statcom+tsc混合动态无功补偿系统的抗扰跟踪控制系统，利用高性能的信号处理器(dsp)和灵活的线性自抗扰控制技术以获得高精度的控制效果，大大提高了系统的快速性和鲁棒性，最大程度上提高了系统的无功补偿响应速度，保证了电能质量。

(四)附图说明：

附图1是本发明的整体系统结构框图。

附图2是本发明所涉一种基于ladrc的混合型动态无功补偿控制系统的dsp控制单元的结构示意图。

附图3是本发明的控制电路结构框图。

附图4是本发明的电流抗扰跟踪控制系统的工作方法中基于线性自抗扰控制算法的原理框图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于ladrc的混合型动态无功补偿控制系统，如图1所示，包括信号调理电路单元、dsp控制单元以及驱动电路单元；所述信号调理电路单元的输出端与dsp控制单元输入端相连，所述dsp控制单元输出端与驱动电路单元的输入端相连；所述驱动电路单元的输出端输出驱动信号控制混合动态无功补偿系统中的电力电子开关的通断。

下面分别对信号调理电路单元、dsp控制单元以及驱动电路单元的电路结构进行说明：

(1)所述信号调理单元依电压互感器和电流互感器对电网的电压和电流进行实时监测，并将电网和逆变器侧需要采集的强电信号转换成弱电信号，然后由信号调理电路单元将采集的三相电压、电流及相位等信号送入dsp控制单元。

(2)dsp控制单元包括：补偿电流检测模块、dsp控制模块和脉冲触发模块。

所述补偿电流检测模块的输入端与信号调理电路单元的输出端连接,其输出端与dsp控制模块及脉冲触发模块的输入端连接。所述dsp控制模块及脉冲触发模块的输出端与驱动电路单元的输入端相连。补偿电流检测模块由fpga检测模块构成，通过瞬时无功功率理论完成谐波分析和无功计算。

所述dsp控制模块，并且包括主控制器子单元(包含ladrc控制算法，)、a/d采样子单元、外部扩展存储子单元、外部输出接口子单元、通信模块和串行eeprom+rtc实时时钟等外设；所述a/d采样子单元输入端与所述补偿电流检测模块的输出端相连接，该a/d采样子单元输出端与主控制器子单元相连接；所述主控制器子单元还分别与外部扩展存储子单元和外部输出接口子单元相连接，该外部输出接口子单元的输出端与所述驱动电路单元相连。所述a/d采样子单元采用型号为ad77o5的芯片；所述dsp控制模块主控制器采用tms320f2812芯片；所述外部接口子单元采用晶体管输出光电耦合器tlp512；所述外部扩展存储子单元采用存储芯片is61lv256，考虑到混合补偿系统的数据存储容量要求比较大,故采用扩展eeprom(at24c512)对数据进行存储。

(3)igbt驱动模块由三角波发生器子单元和比较器子单元组成；所述三角波发生器子单元输出端与比较器子单元的输入端相连接；该比较器子单元输入端还与dsp控制模块的输出端相连接。

一种基于ladrc的混合型动态无功补偿控制系统所涉及的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤a、通过上述所说的系统中的电压互感器、电流互感器采集电网的实时电压电流信息，由所述的信号调理电路单元进行数据的初步调理。

步骤b、通过上述信号调理电路对混合补偿系统各接入点电压、tsc的输出电流、statcom的直流侧电压和工作电流进行检测，经所述fgpa检测模块处理后的三相负载电流检测单元输出ia,ib,ic至dsp控制模块的a/d采样子单元，经a/d采样子单元进入所述dsp控制模块的主控制器子单元，得出电网的无功补偿容量，送至tsc控制模块，进行相应投切。

步骤c、投切后经补偿电流检测模块检测tsc补偿后的剩余无功功率，以此无功功率作为statcom的补偿指令，并且经派克变换后产生无功指令电流iqref；

步骤d、将ladrc控制算法编写入dsp控制模块，利用dsp对数据进行处理，实现对补偿电流的跟踪控制，输出补偿电流的控制量。

步骤e、由fgpa检测模块的直流侧电压检测单元输出直流电压至dsp控制模块的a/d采样子单元，经a/d采样子单元进入dsp控制模块的主控制器子单元后分别与系统直流侧电压设定值uref比较形成误差信号，该信号经过调节器产生有功指令电流idref；

步骤f、线性自抗扰控制策略：控制框图如图4所示。把本发明最核心的线性自抗扰补偿电流控制技术编写入dsp芯片，即把控制算法转化为编程语言存入所述的存储单元。无功指令电流iqref与有功指令电流idref分别经过dsp控制模块的主控制器子单元进行线性自抗扰控制算法处理之后，形成静止同步补偿器有功和无功电压输出指令信号ucd和ucq；

步骤g、由fgpa检测模块的相位检测单元输出系统相位角θ直流侧电压设定值uref、有功和无功电压输出指令信号ucd和ucq，经dsp控制模块的主控制器子单元计算出pwm输出的调制比m与调制波相位角α后存入dsp控制模块的外部扩展存储子单元，并经由dsp控制模块的外部接口子单元输出三相pwm调制信号至igbt驱动模块；

步骤h、pwm调制信号进入igbt驱动模块的比较器子单元后，与igbt驱动模块的三角波发生器子单元比较，产生主电路模块igbt驱动信号，通过调节占空比控制静止同步补偿器输出无功电流的大小，从而对电力系统进行无功补偿控制。

下面主要对dsp控制模块的工作原理进行说明：

所述dsp控制模块采用tms320f2812芯片，便于检测及负载控制算法的实现；a/d采样芯片采用16位a/d转换器采用σ—δa/d技术的高精度芯片ad77o5，可以高速、准确的采集三相电流、系统相位等信号；外部接口采用光电耦合器tlp512，在保护主控电路的基础上，很好的控制外围设备；外扩数据存储芯片使用is61lv256。所述dsp控制模块的主控制器子单元采用线性自抗扰控制器，设计该控制器要从静止同步补偿器数学模型入手，根据瞬时功率理论，考虑实际工况及系统非线性扰动，得到级联svg在dq坐标系下的数学模型：

由原理可知调节无功电流iq就可以控制静止同步补偿器发出或者吸收的无功功率，同理，调节有功电流id可以调节静止同步补偿器与电网系统有功功率交换。由上式可知有功电流id与无功功率iq，存在着明显的耦合关系，在非理想情况下系统是多变量、强耦合、非线性系统，存在不确定的内扰和外扰，对于混合补偿系统，控制精度不够好，采用一般的控制方法难以满足系统的控制要求。

线性自抗扰控制器(ladrc)中的线性扩张状态观测器(leso)对于耦合系统具有很好的作用，ladrc中的eso是把输入信号也引入到状态观测器中，可以将耦合项作为系统的内部扰动观测出来，以达到解耦的目的，即

通过以上假设可以看出，如果将f1与f2作为系统内部扰动来看，从上式可以看出id、iq与u之间都是单输入单输出关系，不再存在耦合的关系，从而实现了解耦。

基于以上方程，设计双闭环静止同步补偿器控制器，外环直流电压调节器采用pi调节器，用于产生有功电流指令信号idref，内环分别针对d、q轴设计一阶线性自抗扰控制器(ladrc)。在控制量u和id、iq之间并行嵌入2个1阶自抗扰控制器。将d-statcom装置输出的电压分量u看做控制量。检测环节检测到的无功电流给定值iqref作为ladrc控制器输入，无功电流iq需要实时跟踪无功电流给定值iqref，通过iq与iqref之间的差值来确定系统中应补偿无功功率的大小。

设计ladrc控制算法，其中一阶ladrc控制模型如下

其中z1j(j＝p,q)跟踪ij(j＝p,q)信号，z2j(j＝p,q)跟踪所有扰动。