一种STATCOM的自适应控制系统及方法与流程

一种statcom的自适应控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及statcom的自适应控制技术领域，特别是涉及一种statcom的自适应控制系统及方法。


背景技术：

2.statcom(静止同步补偿器)具有无功补偿速度快、损耗低、补偿性能相较于并联电容器、同步发电机等无功补偿器较为稳定等优点。近年随着大功率电力电子技术的突破，statcom逐渐取代传统无功补偿器并得到了广泛应用，而相应的控制系统也得到了研发人员的广泛关注。目前应用较为广泛的控制系统为固定pi控制参数的双环控制策略，如图1所示。这种控制策略中主要包含四个参数固定的pi控制器，并且通过派克变换进行解耦，从而实现通过派克变换后的电流控制vsc端口的电压，进而实现对公共耦合点电压的调节。
3.然而，上述传统系统中，由于其使用的pi控制器多、i_ds和i_qs之前仍然存在耦合关系，会导致statcom的无功补偿速度降低，使电网电压的稳定性得不到快速有效的控制。并且，当系统发生故障、负荷变化或网络的拓扑结构发生改变时，固定参数的pi控制器将会很难使statcom的无功补偿达到期望效果，这将会使电网运行的稳定性与电网的可靠性受到威胁。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提出一种statcom的自适应控制系统及方法，解决现有系统在输电系统出现故障或电网拓扑结构发生改变等情况下，statcom无法快速达到期望补偿效果的技术问题。
5.一方面，提供一种statcom的自适应控制系统，包括：
6.依次连接的自适应控制模型、自适应控制模块、pi控制器及statcom；所述自适应控制模型的输入端和所述pi控制器的输入端连接statcom交流侧或直流侧，所述自适应控制模块的输入端与所述pi控制器的输入端相互连接；
7.所述参考电压生成模块，用以对statcom交流侧或直流侧的电压测量值和预设的目标稳态电压进行相应的自适应调节，输出参考电压值；
8.所述自适应控制模块，用以控制接收的参考电压值与statcom交流侧或直流侧的电压测量值的差值，输出pi控制器参数；
9.所述pi控制器，用以根据预设的输出电压与pi控制器参数进行偏差控制，并输出控制量；
10.所述statcom，用以根据接收的控制量对交流侧或直流侧电压进行控制。
11.优选地，所述参考电压生成模块包括：
[0012][0013]
其中，v
ss
为statcom交流侧或直流侧的目标稳态电压；vm为statcom交流侧或直流
侧的电压测量值；v
model
为参考电压值；e为pi控制器的输出电压。
[0014]
优选地，所述自适应控制模块包括：
[0015][0016]
其中，γ为自适应增益；θ为pi控制器参数；err为电压测量值与参考电压值之间的差值；v为statcom交流侧或直流侧电压。
[0017]
优选地，所述自适应控制模块通过以下公式进行自适应调整：
[0018][0019][0020][0021]
其中，d1为交流pi控制器输出值；d2为直流pi控制器输出值；dk
p1
和dk
i1
为交流pi控制器参数对应的变化量；dk
p2
和dk
i2
为直流pi控制器参数对应的变化量；ω为角速度；为积分；eq为测量电压q轴分量；iq和id为测量电流q轴和d轴分量；err
ac
为参考电压生成模块输出参考电压与测量交流电压的差值；err
dc
为参考电压生成模块输出参考电压与测量直流电压的差值；ls和rs为逆变器和变压器的传导损耗。
[0022]
另一方面，还提供一种statcom的自适应控制方法，通过所述的statcom的自适应控制系统实现，包括：
[0023]
测量statcom交流侧或直流侧的电压测量值，判断电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值是否超出预设误差范围阈值；
[0024]
当电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值超出预设误差范围阈值时，根据预设的目标稳态电压通过预设的参考模型对所述电压测量值进行相应的自适应调节，输出参考电压值；
[0025]
通过预设的自适应模型控制接收的参考电压值与statcom交流侧或直流侧的电压测量值的差值，输出pi控制器参数；
[0026]
根据预设的输出电压与pi控制器参数通过预设的控制模型进行偏差控制，输出控制量；
[0027]
根据接收的控制量通过预设的statcom模型对交流侧或直流侧电压进行控制，得到最终的控制电压。
[0028]
优选地，还包括：
[0029]
当电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值未超出预设误差范围阈值时，保持现有的pi控制器参数不变，根据现有的pi控制器参数和预设的输出电压通过预设的控制模型进行偏差控制，输出控制量；
[0030]
根据接收的控制量对statcom交流侧或直流侧电压进行控制，得到最终的控制电压。
[0031]
优选地，所述预设的参考模型包括：
[0032][0033]
其中，v
ss
为statcom交流侧或直流侧的目标稳态电压；vm为statcom交流侧或直流侧的电压测量值；v
model
为参考电压值；e为pi控制器的输出电压。
[0034]
优选地，所述预设的自适应模型包括：
[0035][0036]
其中，γ为自适应增益；θ为pi控制器参数；err为电压测量值与参考电压值之间的差值；v为statcom交流侧或直流侧电压。
[0037]
优选地，所述预设的参考模型还包括：
[0038][0039][0040][0041]
其中，d1为交流pi控制器输出值；d2为直流pi控制器输出值；dk
p1
和dk
i1
为交流pi控制器参数对应的变化量；dk
p2
和sk
i2
为直流pi控制器参数对应的变化量；ω为角速度；为积分；eq为测量电压q轴分量；iq和id为测量电流q轴和d轴分量；err
ac
为参考电压生成模块输出参考电压与测量交流电压的差值；err
dc
为参考电压生成模块输出参考电压与测量直流电压的差值；ls和rs为逆变器和变压器的传导损耗。
[0042]
优选地，还包括：
[0043]
得到最终的控制电压后，测量调整后的statcom交流侧或直流侧电压，判断调整后的statcom交流侧或直流侧电压与预设的目标参考电压值之间的差值是否超出预设误差范围阈值；
[0044]
若未超出，则保持当前pi控制器参数；
[0045]
若超出，则根据预设的目标稳态电压通过预设的参考模型对所述调整后的statcom交流侧或直流侧电压进行相应的自适应调节，输出调整后的参考电压值；并通过预设的自适应模型控制调整后的参考电压值与调整后的statcom交流侧或直流侧电压的差值，输出pi控制器调整参数；
[0046]
根据输出的pi控制器调整参数对当前的pi控制器参数进行迭代，直到调整后的statcom交流侧或直流侧电压与预设的目标参考电压值之间的差值未超出预设误差范围阈值为止。
[0047]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0048]
本发明提供的statcom的自适应控制系统及方法，通过前馈解耦减少pi控制器使用的数量。解耦i_ds和i_qs，使statcom直流侧的电压和交流侧的电压可以实现独立控制以加快statcom的响应速度，并且使控制系统中pi控制器参数可以自动调节从而使statcom在各种工况下有期望的无功补偿能力并且降低控制系统参数设计难度。
[0049]
同时，使用了基于mit rule自适应算法的mrac(模型参考自适应控制)模型，结合前馈解耦中的电流与电压。实现了pi控制器参数的自适应调解，并提升了statcom的响应速度。
附图说明
[0050]
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
[0051]
图1为本发明实施例中一种statcom的自适应控制系统的示意图。
[0052]
图2为本发明实施例中一种statcom的自适应控制系统的示意图。
[0053]
图3为本发明实施例中一种解耦的直接电压控制模型的示意图。
[0054]
图4为本发明实施例中一种statcom的自适应控制方法的主流程示意图。
[0055]
图5为本发明实施例中一种测试系统的示意图。
[0056]
图6为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
[0057]
图7为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
[0058]
图8为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
[0059]
图9为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
[0060]
图10为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
[0061]
图11为本发明实施例中验证方案结果的示意图之一。
具体实施方式
[0062]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0063]
如图1和图2所示，为本发明提供的一种statcom的自适应控制系统的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述系统包括：依次连接的自适应控制模型、自适应控制模块、pi
控制器及statcom；所述自适应控制模型的输入端和所述pi控制器的输入端连接statcom交流侧或直流侧，所述自适应控制模块的输入端与所述pi控制器的输入端相互连接；所述参考电压生成模块，用以对statcom交流侧或直流侧的电压测量值和预设的目标稳态电压进行相应的自适应调节，输出参考电压值；所述自适应控制模块，用以控制接收的参考电压值与statcom交流侧或直流侧的电压测量值的差值，输出pi控制器参数；所述pi控制器，用以根据预设的输出电压与pi控制器参数进行偏差控制，并输出控制量；所述statcom，用以根据接收的控制量对交流侧或直流侧电压进行控制。可以理解的是，为解决在不同工况下，固定参数的pi控制器可能使statcom不能达到理想的补偿效果，通过上述本发明提出的statcom的自适应控制系统替换原有解耦的直接电压控制模型中的控制方式，实现pi控制器参数的自适应控制，进而实现statcom的自适应控制。
[0064]
具体实施例中，原有解耦的直接电压控制模型，如图3所示，d1、d2表示为解耦矩阵中的b，c参数；vdc_ref为直流侧参考电压；vdl_ref为公共耦合点母线参考电压；vdc_m为测量得到的直流电压；vdl_m为测量得到的公共耦合点电压。将测量得出在以公共耦合点电压派克变换，母线电压向量定为d轴方向，如下，
[0065][0066]
其中，e
dq
为statcom交流侧电压；i
dq
为statcom输出到电力系统的瞬时补偿电流；ls和rs为逆变器和变压器的传导损耗。
[0067]
利用前馈解耦的方式，通过引入解耦矩阵消除在上述dq坐标系下，电流与电压的相互影响，实现对statcom直流侧电压与交流侧电压的单独控制来提升statcom的响应速度。
[0068][0069]
解耦矩阵表示如下：
[0070][0071]
进一步的，本发明提供的statcom的自适应控制系统中，所述参考电压生成模块包括：
[0072][0073]
其中，v
ss
为statcom交流侧或直流侧的目标稳态电压；vm为statcom交流侧或直流侧的电压测量值；v
model
为参考电压值；e为pi控制器的输出电压。可以理解的是在图1中，v
ss
为pcc点目标稳态电压，vm为pcc点电压测量值，v
model
为参考电压，e为pi控制器输出电压。
[0074]
具体地，所述自适应控制模块包括：
[0075][0076]
其中，γ为自适应增益；θ为pi控制器参数；err为电压测量值与参考电压值之间的
差值；v为statcom交流侧或直流侧电压。利用mitrule算法，成本函数被定义为最小化成本函数即为使直流与交流参考电压与测量电压的差值最小化，为使成本函数最小化，引入自调参数并使其变化保持在成本函数的负梯度方向。由此，得到上述的pi控制器参数自适应调节表达式。
[0077]
具体地，将直流侧电压和交流侧在派克坐标下的电压(原有解耦的直接电压控制模型中电压派克坐标)带入上述的pi控制器参数自适应表达式中，经推导可得出如下pi控制器参数的自适应调节模型，即自适应控制模块通过以下公式进行自适应调整：
[0078][0079][0080][0081]
其中，d1为交流pi控制器输出值；d2为直流pi控制器输出值；dk
p1
和dk
i1
为交流pi控制器参数对应的变化量；dk
p2
和dk
i2
为直流pi控制器参数对应的变化量；ω为角速度；为积分；eq为测量电压q轴分量；iq和id为测量电流q轴和d轴分量；err
ac
为参考电压生成模块输出参考电压与测量交流电压的差值；err
dc
为参考电压生成模块输出参考电压与测量直流电压的差值；ls和rs为逆变器和变压器的传导损耗。
[0082]
具体地，自适应控制模块的作用是使参数实现自适应。该模块中突出的是通过mitrule自适应算法实现pi控制器参数的自适应调节，pi控制器的参数可以实现根据母线电压及statcom直流侧电压，进行自适应调节。
[0083]
需要说明的是，pi控制器参数自适应调节后，经过无功补偿的母线电压变化幅度也将改变。此时再次进行重复进行误差判断，若测量交、直流电压与v_model电压之差在容差范围内(通常取0.0001)，则保持当前pi控制器参数。若差值仍然在容差范围外，则继续进行自适应处理，生成新的参考电压v_model对pi控制器参数进行迭代，直至测量电压与设置电压之间差值小于容差范围。
[0084]
如图4所示，为本发明提供的一种statcom的自适应控制方法的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述方法通过statcom的自适应控制系统实现，包括：
[0085]
测量statcom交流侧或直流侧的电压测量值，判断电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值是否超出预设误差范围阈值；此时可能出现两种情况，一种是电压测量
值与预设的目标参考电压值之间的差值超出预设误差范围阈值(本发明提出的自适应控制方式)，另一种是电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值未超出预设误差范围阈值。
[0086]
进一步的，当电压测量值与预设的目标参考电压值之间的差值超出预设误差范围阈值时，根据预设的目标稳态电压通过预设的参考模型对所述电压测量值进行相应的自适应调节，输出参考电压值；通过预设的自适应模型控制接收的参考电压值与statcom交流侧或直流侧的电压测量值的差值，输出pi控制器参数；也就是，误差过大时，通过自适应方式调整pi控制器参数以减小孔过程中的误差。
[0087]
具体实施例中，所述预设的参考模型包括：
[0088][0089]
其中，v
ss
为statcom交流侧或直流侧的目标稳态电压；vm为statcom交流侧或直流侧的电压测量值；v
model
为参考电压值；e为pi控制器的输出电压。
[0090]
具体地，所述预设的自适应模型包括：
[0091][0092]
其中，γ为自适应增益；θ为pi控制器参数；err为电压测量值与参考电压值之间的差值；v为statcom交流侧或直流侧电压。利用mitrule算法，成本函数被定义为最小化成本函数即为使直流与交流参考电压与测量电压的差值最小化，为使成本函数最小化，引入自调参数并使其变化保持在成本函数的负梯度方向。由此，得到上述的pi控制器参数自适应调节表达式。
[0093]
具体地，将直流侧电压和交流侧在派克坐标下的电压(原有解耦的直接电压控制模型中电压派克坐标)带入上述的pi控制器参数自适应表达式中，经推导可得出如下pi控制器参数的自适应模型，即预设的自适应模型还包括：
[0094][0095][0096][0097]
其中，d1为交流pi控制器输出值；d2为直流pi控制器输出值；dk
p1
和dk
i1
为交流pi控制器参
数对应的变化量；dk
p2
和dk
i2
为直流pi控制器参数对应的变化量；ω为角速度；为积分；eq为测量电压q轴分量；iq和id为测量电流q轴和d轴分量；err
ac
为参考电压生成模块输出参考电压与测量交流电压的差值；err
dc
为参考电压生成模块输出参考电压与测量直流电压的差值；ls和rs为逆变器和变压器的传导损耗。pi控制器的参数可以实现根据母线电压及statcom直流侧电压，进行自适应调节。
[0098]
进一步的，根据预设的输出电压与pi控制器参数通过预设的控制模型进行偏差控制，输出控制量；根据接收的控制量通过预设的statcom模型对交流侧或直流侧电压进行控制，得到最终的控制电压。也就是，通过自适应调整得出的pi控制器参数通过pi控制器及statcom对电压进行控制，避免了固定参数的pi控制器将会很难使statcom的无功补偿达到期望效果，提升了statcom的响应速度。
[0099]
另一实施例中，得到最终的控制电压后，测量调整后的statcom交流侧或直流侧电压，判断调整后的statcom交流侧或直流侧电压与预设的目标参考电压值之间的差值是否超出预设误差范围阈值；若未超出，则保持当前pi控制器参数；若超出，则根据预设的目标稳态电压通过预设的参考模型对所述调整后的statcom交流侧或直流侧电压进行相应的自适应调节，输出调整后的参考电压值；并通过预设的自适应模型控制调整后的参考电压值与调整后的statcom交流侧或直流侧电压的差值，输出pi控制器调整参数；根据输出的pi控制器调整参数对当前的pi控制器参数进行迭代，直到调整后的statcom交流侧或直流侧电压与预设的目标参考电压值之间的差值未超出预设误差范围阈值为止。也就是，上述提到的另一种情况，这时控制过程为，pi控制器参数自适应调节后，经过无功补偿的母线电压变化幅度也将改变。此时再次进行重复进行误差判断，若测量交、直流电压与v_model电压之差在容差范围内(通常取0.0001)，则保持当前pi控制器参数。若差值仍然在容差范围外，则继续进行自适应处理，生成新的参考电压v_model对pi控制器参数进行迭代，直至测量电压与设置电压之间差值小于容差范围。
[0100]
对于本发明提供的statcom的自适应控制系统及方法，在如图5所示的电网的输电系统中进行测试。
[0101]
首先，分别测量b2母线电压和statcom直流侧电压，并判定其与给定的参考电压之间的差值是否在容差范围内(vs＝0.0001)。
[0102]
若电压差值超出容错范围，根据参考模型重新定义交流和直流参考电压。若在容错范围内，则保持pi控制器参数不变。
[0103]
根据重新定义交流和直流参考电压通过自适应模型调整控制系统中pi控制器的参数。
[0104]
控制系统控制statcom改变其交流侧电压，向输电网络输出或吸收无功，实现对电网公共耦合点电压的快速调节。
[0105]
验证方案1：
[0106]
在t＝0秒时，母线3处的负荷从300mw降低至200mw。期间，pi控制器参数根据公共耦合点电压发生变化，如图6所示，statcom迅速动作从电网吸收无功，如图7所示，有效降低公共耦合点电压突变幅度，如图8所示，并使公共耦合点电压在50ms内回到原始电压。
[0107]
验证方案2：
[0108]
在t＝0秒时，由于电力系统操作，母线2与母线3之间增加了一条输电线路导致输电系统的拓扑结构发生改变。这将使母线2处的电压升高20kv。从测得母线电压与设置电压差值超出容差范围开始，控制系统中pi控制器参数就将快速变化，如图9所示，控制系统控制statcom快速吸收80mvar无功，如图10所示，从而将母线2处的电压突变最大值降低到11.5kv，如图11所示，并且在60ms内，使母线2处的电压恢复至目标稳定值。
[0109]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0110]
本发明提供的statcom的自适应控制系统及方法，通过前馈解耦减少pi控制器使用的数量。解耦i_ds和i_qs，使statcom直流侧的电压和交流侧的电压可以实现独立控制以加快statcom的响应速度，并且使控制系统中pi控制器参数可以自动调节从而使statcom在各种工况下有期望的无功补偿能力并且降低控制系统参数设计难度。
[0111]
同时，使用了基于mit rule自适应算法的mrac(模型参考自适应控制)模型，结合前馈解耦中的电流与电压。实现了pi控制器参数的自适应调解，并提升了statcom的响应速度。
[0112]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。