礦用分布式SVG電流環(huán)的自抗擾控制

于雁南， 嚴(yán)繼池， 王 朋， 高柏臣， 寇曉靜

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.哈爾濱工大技術(shù)轉(zhuǎn)移有限公司，哈爾濱 150010)

礦用分布式SVG電流環(huán)的自抗擾控制

于雁南1， 嚴(yán)繼池2， 王 朋1， 高柏臣1， 寇曉靜1

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.哈爾濱工大技術(shù)轉(zhuǎn)移有限公司，哈爾濱 150010)

隨著大型煤礦高壓用電設(shè)備供電質(zhì)量的惡化，礦用級聯(lián)H橋靜止無功發(fā)生器(SVG)成為煤礦井下無功補(bǔ)償?shù)闹髁餮b置。在此基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于礦用分布式靜止無功發(fā)生器電流環(huán)中的自抗擾控制算法，采用非線性函數(shù)作為跟蹤微分器，設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，有效抑制了煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)電流環(huán)的內(nèi)擾和外擾。該設(shè)計(jì)為井下的分布式靜止無功發(fā)生器電流環(huán)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

SVG； 級聯(lián)H橋； 自抗擾控制； 冪次函數(shù)

0 引 言

煤礦井下負(fù)荷多為大功率交直流傳動設(shè)備，它們導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，造成設(shè)備的頻繁開關(guān)機(jī)，給煤礦企業(yè)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成了極大的安全隱患，因此，對井下供電系統(tǒng)提供及時(shí)的動態(tài)諧波抑制是保證井下礦井安全的重要前提。近年來，級聯(lián)H橋靜止無功發(fā)生器(SVG)是主流無功補(bǔ)償裝置，尤其電流環(huán)的設(shè)計(jì)，是決定SVG系統(tǒng)補(bǔ)償性能的關(guān)鍵，所以對電流環(huán)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

為了避免煤礦安全事故發(fā)生，越來越多的專家學(xué)者專注于研究井下分布式SVG及自抗擾控制算法。煤礦井下1 140 V供電系統(tǒng)下靜止同步補(bǔ)償器，常采用單極倍頻載波相移調(diào)制技術(shù)，直流側(cè)電容電壓平衡控制采用三級平衡控制法[1]。針對電流環(huán)的自抗擾控制算法優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多改進(jìn)算法。唐杰等[2]提出一種當(dāng)系統(tǒng)遇到不確定性擾動時(shí)的自抗擾控制策略，應(yīng)用于靜止同步補(bǔ)償器。劉志剛等[3]提出提高擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計(jì)擾動性能的控制方案，在控制器中利用永磁同步電機(jī)模型的部分信息，提高觀測器的估計(jì)精度。馮光等[4]提出非線性自抗擾控制應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速中。夏長亮等[5]將自抗擾技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電機(jī)控制中，設(shè)計(jì)兩個(gè)自抗擾控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)環(huán)控制電流，外環(huán)控制轉(zhuǎn)速的要求，抗擾性能顯著提升。劉英培等[6]設(shè)計(jì)最小二乘支持向量機(jī)的自抗擾控制器，應(yīng)用于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩領(lǐng)域。在系統(tǒng)數(shù)學(xué)回歸模型中選取高斯徑向基核函數(shù)，提高了自抗擾控制器的抗擾性能。上述成果為礦用SVG自抗擾控制器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，但考慮到井下環(huán)境的復(fù)雜性和井下存在的諧波干擾，需對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究。

筆者給出級聯(lián)H橋SVG系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?；诿旱V井下的復(fù)雜工作環(huán)境，采用自抗擾技術(shù)對系統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行控制，給出自抗擾控制器完整的設(shè)計(jì)過程。

1 SVG的數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，為分布式SVG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中usa、usb、usc為網(wǎng)側(cè)三相交流電，La、Lb、Lc、Ra、Rb、Rc為網(wǎng)側(cè)交流電源和SVG的三相連接電抗器和等效電阻，HA1到HAn為A相n個(gè)H橋功率單元，B、C相同理。通過電流檢測電路和電壓檢測電路檢測到的電網(wǎng)電流信號、SVG三相電流信號以及電網(wǎng)電壓、SVG輸出電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入CPLD，數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)進(jìn)行處理，根據(jù)電流環(huán)控制算法進(jìn)行處理，計(jì)算得到參考電壓，在FPGA中生成功率開關(guān)器件的脈沖信號，經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動IGBT功率管的驅(qū)動信號。人機(jī)界面通過CAN總線與DSP相聯(lián)。

圖1 SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1的主功率電路推導(dǎo)得到礦用分布式SVG在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

式中:id、iq——dq坐標(biāo)系下礦用分布式SVG輸出電流在d軸和q軸的分量；

ucd、ucq——dq坐標(biāo)系下礦用分布式SVG輸出電壓的有功和無功分量；

usd、usq——dq坐標(biāo)系下低壓網(wǎng)側(cè)電壓的有功和無功分量；

R、L——井下低壓網(wǎng)側(cè)和礦用SVG之間的等效電阻和連接電抗器。

從式(1)中可以看出，此數(shù)學(xué)模型為非線性，且井下環(huán)境復(fù)雜，存在大量的非線性交叉耦合干擾，所以這里采用自抗擾控制電流環(huán)，消除電流環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾，并且不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度，尤其適用于井下溫濕度和電磁干擾比較復(fù)雜的工作環(huán)境。

2 自抗擾控制器設(shè)計(jì)

自抗擾控制器主要包括四部分，這里只列出id自抗擾控制器的設(shè)計(jì)過程：

跟蹤微分器可以從被噪聲污染的信號中提取微分信號。跟蹤微分器的非線性算法為

式中：v1——SVG輸出電流參考值的跟蹤信號；

fe——絕對值函數(shù)之差；

h——數(shù)字采樣步長。

(2)以系統(tǒng)輸出id和控制輸入ucd來跟蹤估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和擾動。

具有擾動觀測的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器就是把可以影響輸出的干擾擴(kuò)張生成一個(gè)新的狀態(tài)變量，用一定的反饋來重新生成可以觀測被擴(kuò)張的狀態(tài)。該擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的優(yōu)勢在于不依賴具體的數(shù)學(xué)模型。文中采用的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器表達(dá)式如下：

式中：β01、β02——可調(diào)參數(shù)。

(3)選取狀態(tài)誤差反饋律，選取的狀態(tài)誤差反饋律為非線性，表達(dá)式如下：

式中，

采用冪次函數(shù)fal(e,α,δ)可以避免高頻振顫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

一般的，線性狀態(tài)反饋效率要比一些非線性狀態(tài)反饋效率低，文中選用了非線性狀態(tài)反饋律。β1為誤差系數(shù)，調(diào)節(jié)β1可以使系統(tǒng)輸出電流跟蹤設(shè)定值的控制目的[7]。

(4)進(jìn)行擾動補(bǔ)償：

u=(u0-z2(k))/b0。

(5)

3 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證所提控制策略的控制性能，進(jìn)行MATLAB仿真驗(yàn)證。具體的仿真參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)電壓1 140V，電網(wǎng)頻率為50Hz，SVG每相由3個(gè)H橋單元級聯(lián)，開關(guān)器件為IGBT，負(fù)載為感性無功負(fù)載。三相感性無功負(fù)載為QL=200 kV·A。任取其中一相，a相為例進(jìn)行分析。仿真結(jié)果如圖2所示，為網(wǎng)側(cè)電壓電流波形。圖2中的變量均以標(biāo)幺值的形式給出。

a 電流

b 電壓

從圖2中可以看出，電壓和電流波形無相位差，尤其是網(wǎng)側(cè)電流波形的正弦度較好，電流跟蹤精度較好，網(wǎng)側(cè)電流波形紋波較小，動態(tài)跟蹤補(bǔ)償基波無功和各次諧波效果滿足要求。

圖3為系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，補(bǔ)償器發(fā)出三相電流波形。負(fù)載情況為：200 kV·A無功感性負(fù)載。從圖3中可以看出，三相穩(wěn)態(tài)波形正弦度高，補(bǔ)償器三相電流穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償效果較好，電流波形均沒有發(fā)生畸變和振蕩，電流跟蹤精度較高。

圖3 分布式SVG三相輸出電流

圖4所示為系統(tǒng)分別在ADRC控制和PI控制下的階躍響應(yīng)對比。動態(tài)響應(yīng)預(yù)設(shè)過程如下：當(dāng)t=0 s，無功電流給定值為1。從圖4中可以看出ADRC的動態(tài)響應(yīng)略快于PI控制，在0.03 s ADRC控制已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，PI控制0.05 s才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)在ADRC控制下可以快速地補(bǔ)償系統(tǒng)無功，對諧波進(jìn)行抑制。

圖4 兩種控制策略動態(tài)響應(yīng)對比

Fig. 4 Comparison of dynamic response between two control strategies

圖5所示為在系統(tǒng)輸入端模擬加入等效的交叉耦合干擾下，這種干擾可以是系統(tǒng)諧波干擾或者其他井下礦用設(shè)備串入系統(tǒng)的非線性耦合干擾，分別在ADRC控制和PI控制下的動態(tài)響應(yīng)對比。

從圖5中可以看出,ADRC具有較強(qiáng)的抑制和消除擾動，輸出波形比較PI控制算法更為平滑，在電流標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)沒有超調(diào)。而PI控制算法穩(wěn)態(tài)精度受擾動能力影響較大，抗擾動能力較弱。

圖5 有擾動情況下兩種控制策略動態(tài)響應(yīng)對比

Fig. 5 Comparison of dynamic responses of two control strategies under disturbance

4 結(jié)束語

以級聯(lián)H橋分布式SVG裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的應(yīng)用于礦用SVG電流環(huán)的自抗擾控制器，采用一種絕對函數(shù)之差作為非線性跟蹤微分器，應(yīng)用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋律，搭建SVG的仿真模型，與PI控制算法進(jìn)行仿真對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明所提控制方案具有更快的動態(tài)響應(yīng)性能和對非線性交叉耦合干擾更好的抑制能力，為井下礦用分布式SVG電流環(huán)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Active disturbance rejection control for current loop of mine-purpose distributed SVG

YuYannan1,YanJichi2,WangPeng1,GaoBaichen1,KouXiaojing1

(1.School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022, China; 2.Harbin Institute of Technology Transfer Co. Ltd., Harbin 150010,China)

With the deterioration of the power quality of the high voltage equipment in large-scale collieries has come the necessity that the cascaded H-bridge static var generator(SVG) become the main alternative of the reactive power compensation down in mines. This paper proposes an ADRC algorithm for use in current-loop for mine-purpose distributed SVG, an algorithm working by using a nonlinear function for tracking differentiator; and employing a linear extension observer for effectively suppressing the inner and outer interference of the current-loop of the SVG system within harsh environment. The algorithm could provide a new approach for distributed SVG current-loop design and could have a certain research value.

SVG; cascaded H-bridge; active disturbance rejection control; power function

2017-04-03

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(青年后備)項(xiàng)目(2016RAQXJ035)；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51407043)

于雁南(1979-)，女，吉林省舒蘭人，講師，博士，研究方向：無功補(bǔ)償和開關(guān)電源，E-mail:yyannan@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.002

TM761.12

2095-7262(2017)03-0215-04

A