一種盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統及方法與流程

文檔序號：12485591閱讀：377來源：國知局

本發明屬于盾構機自動控制技術領域，尤其涉及一種盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統及方法。

背景技術：

目前，盾構施工法在隧道與地下工程的掘進中得到越來越廣泛的應用，為裝備制造業的發展起到積極地推動作用，也為基礎元件產業“2025中國制造”技術發展提出新的要求。通常在盾構機電網系統中存在大量的感性負載，感性負載消耗著大量的無功功率。由于盾構機供電網絡中流過的無功功率增加，會導致有功電流增大和視在功率增加，從而使變壓器、控制設備和電纜等電器設備容量增加，增大供電設備成本，同時會增大供電設備及線路損耗；另外還會導致變壓器及線路的壓降增大，使電網電壓產生波動，從而使供電最末端的刀盤電機等大功率用電設備出力下降，掘進效率降低，整體能耗增加。

在盾構機供電系統中，由于大都采用的是無功功率標準型補償的方式，這種方式難以及時反映及補償盾構機在不同工況模式下，由于負載率不同而導致的無功功率需求不一的問題，使得在現場運行過程中，容易產生過補償或欠補償的問題，再加之盾構機上存在著如刀盤主驅動變頻器等多種非線性負載，非線性負載產生大量諧波電流并注入到供電系統電網中，當這些諧波電流流經標準型無功補償裝置時，可能誘發諧波諧振等現象，從而導致盾構系統的無功補償裝置出現故障或損壞。因此，如何通過無功補償提高盾構機系統供電質量，降低盾構機供電損耗是當前面臨的一個嚴峻問題，而盾構機供電系統中的無功補償裝置的合理投運，是能否實現低成本節能的重要環節。

針對上述問題，一般采用安裝無功補償設備的方式，通過合理的補償無功功率來提高電能質量，達到節能降耗的目的。靜止無功補償器(Static var Compensator，STATCOM)能夠進行動態連續的無功功率補償，但是當單臺STATCOM容量要求較大時，由于電力電子器件制造工藝和工程造價的限制，往往在設計和工程實現上存在困難。而晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)雖然能夠滿足工程容量的要求，但其不能進行連續無級的無功功率補償，并且裝置的響應速度也不快，很難滿足盾構機供電系統對無功功率補償的要求。

為了克服上述缺陷，本發明針對大型盾構機低成本動態節能的實際需求提供了一種盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統及方法，該控制系統具有自動控制、監控和惡劣環境下工作的盾構機無功功率自動補償功能，實現無級調節無功，抑制電網電壓跌落和電壓波動，低成本、大容量、動態連續的無功功率補償，提高電能質量，降低盾構機供電系統成本，節約用電，提高經濟效益。

技術實現要素：

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種具有自動控制、監控和惡劣環境下工作的盾構機無功功率自動補償功能，實現無級調節無功，抑制電網電壓跌落和電壓波動，低成本、大容量、動態連續的無功功率補償，提高電能質量，降低盾構機供電系統成本，節約用電，提高經濟效益的盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統及方法。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案，提供一種盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統，包括：DSP控制器、模糊PI解耦控制器、電容器循環控制器、無功功率自動補償系統、供電母線，無功功率自動補償系統包括靜止無功補償器(TATCOM)和晶閘管投切電容器組(TSC組)，DSP控制器分別與模糊PI解耦控制器和電容器循環控制器連接，模糊PI解耦控制器和電容器循環控制器與無功功率自動補償系統連接，無功功率自動補償系統與供電母線連接，供電母線與DSP控制器之間連接有電壓互感器和電流互感器，所述電壓互感器和電流互感器并聯。

進一步地，所述靜止無功補償器(TATCOM)和晶閘管投切電容器組(TSC組)并聯，所述晶閘管投切電容器組(TSC組)由多個晶閘管投切電容器并聯構成。

進一步地，所述DSP控制器的一個輸出端與電容器循環控制器的輸入端電性連接，另一個輸出端與模糊PI解耦控制器的輸入端電性連接。

進一步地，所述電容器循環控制器的輸出端與晶閘管投切電容器組(TSC組)的輸入端電性連接。

進一步地，所述模糊PI解耦控制器的輸出端與靜止無功補償器(TATCOM)的輸入端電性連接。

進一步地，所述供電母線的一個輸出端與電壓互感器的輸入端電性連接，另一個輸出端與電流互感器的輸入端電性連接，所述電壓互感器和電流互感器的輸出端與DSP控制器的輸入端電性連接。

進一步地，所述無功功率自動補償系統與供電母線之間設有開關柜。

本發明的另一目的在于提供盾構機全自動混合型無功功率補償控制方法，包括以下步驟：

a)DSP控制器對電網中的無功信息進行檢測，根據檢測到的電網中需補償的無功量，判斷出盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統的離散子系統中電容器投切的決策信息以及靜止無功補償器(TATCOM)補償電流的期望值；

b)確定晶閘管投切電容器組(TSC組)補償容量大小及靜止無功補償器(TATCOM)補償容量，即確定投切電容器投切組數，計算出靜止無功補償器(TATCOM)期望輸出電流，給晶閘管投切電容器組(TSC組)投切信號以及給靜止無功補償器(TATCOM)的補償電流提供定值；

c)靜止無功補償器(TATCOM)采用固定參考無功電流模式，接收無功智能控制級模糊PI解耦控制器產生PWM信號，并將輸出電流反饋給DSP控制器，形成一個電流閉環。

進一步地，所述模糊PI解耦控制器將模糊控制與PI控制結合，模糊控制器在線調節PI控制器的參數，獲得靜態和動態性能，以提高靜止無功補償器(TATCOM)的響應速度和系統穩定性。由于有功和無功控制通道存在耦合現象，通過模糊PI控制后，再進行解耦控制，使有功電流和無功電流得到獨立控制，提高了控制精度。DSP控制器提供無功電流期望值和直流側電容電壓的指令值，兩者經模糊調節器和PI控制器后，分別得無功電流和有功電流，通過限幅單元后進行解耦，經dq/abc變換后輸PWM信號給靜止無功補償器(TATCOM)。

PI控制器的作用，可表示為：

式中，e(n)為第n個采樣時刻控制器的輸入量(偏差量)；i(n)、i(n-1)分別為第n個和第n-1個采樣時刻控制器的輸出量(控制量)；T為采樣周期；K_i為積分時間常數；K_p為比例增益。

由式(1)可得，控制器i(n)和i(n-1)之間的增量公式為：

Δe＝e(n)-e(n-1) (3)

模糊控制器根據不同的輸入e、e_c計算出ΔK_P、ΔK_i，從而實現PI參數的調整，即

采用Ziegler-Nichols方法求解和以實現參數的預整定。

進一步地，所述模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進行的，控制器首先對輸入量進行模糊化處理，將輸入、輸出變量的語言值均分為7個語言值，即{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，采用三角形隸屬度函數，模糊量e、e_C論域為{-66}，具體方法如下；

(1)當|e|較大，即e∈{NB,PB}時，為使系統具有較好的快速跟蹤性能，保證K_p,較大，同時為避免系統響應出現較大的超調，應對K_i加以限制，通常取K_i＝0；

(2)當|e|處于中等大小，即e∈{NM,PM}時，為避免系統響應出現較大的超調，K_p應取得小些，K_i的取值可以適當增大。

(3)當|e|取較小，e∈{NS,0,PS}時，為使系統盡快穩定，凡應進一步減小，K_p應取適當值，并隨K_i減小而增大，以消除系統的穩態誤差，提高控制精度。

(4)同時考慮Δe的因素，當e和Δe的變化方向相同時，輸出向偏離穩定值方向變化，應適當增大K_p，反之適當減小K_p。

對輸入的e和Δe，在取得相應的語言值后，根據整定規則表，并經公式法模糊決策，分別得出兩個修正參數ΔK_P、ΔK_i的模糊量。本系統采用重心法求取輸出量的精確值，則由式(4)可得

控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對參數的在線自整定。其中，ΔK_P，ΔK_i論域設為[-3，-2，-1，0，1，2，3]。

本發明具以下優點和積極效果：

1、本發明采用混合型無功功率補償方式，靜止無功補償器(TATCOM)作為盾構機全自動無功功率補償系統的連續子系統，提供較小容量的感性無功和容性無功；晶閘管投切電容器組(TSC組)作為盾構機全自動無功功率補償系統的離散子系統，通過多組晶閘管投切電容器的并聯連接，能夠提供大容量的容性無功功率。混合型無功功率補償系統綜合了靜止無功補償器(TATCOM)和晶閘管投切電容器組(TSC組)兩者的優點，既能實現無級調節無功，抑制電網電壓跌落和電壓波動，又能抑制晶閘管投切電容器組(TSC組)與系統之間產生的諧振。

2、本發明的模糊PI解耦控制器利用了基于模糊自調整的PI控制方法，將模糊控制與傳統的PI控制相結合，通過模糊控制器在線調節PI控制器的參數，以獲得良好的靜態和動態性能，提高了靜止無功補償器(TATCOM)的響應速度和系統穩定性，成本低、控制簡單，能滿足大型盾構機供電系統中無功補償大容量和高精度的雙重要求。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統的結構圖。

圖2是本發明實施例提供的盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統的無功功率補償容量圖。

圖3是本發明實施例提供的盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統的信息處理結構圖。

圖4是本發明實施例提供的模糊PI解耦控制器工作原理圖。

圖5是本發明實施例提供的模糊PI解耦控制器進行模糊化處理采用的三角形隸屬度函數圖。

圖中：1、DSP控制器；2、模糊PI解耦控制器；3、電容器循環控制器；4、無功功率自動補償系統；5、電壓互感器；6、電流互感器；7、供電母線；8、開關柜；9、靜止無功補償器(TATCOM)；10、晶閘管投切電容器組(TSC組)。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。

如圖1所示，一種盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統，包括：DSP控制器1、模糊PI解耦控制器2、電容器循環控制器3、無功功率自動補償系統4、供電母線7。

所述無功功率自動補償系統4由并聯的靜止無功補償器(TATCOM)9和晶閘管投切電容器組(TSC組)10組成，晶閘管投切電容器組(TSC組)10由多個晶閘管投切電容器并聯構成，DSP控制器1的一個輸出端與電容器循環控制器3的輸入端電性連接，另一個輸出端與模糊PI解耦控制器2的輸入端電性連接，模糊PI解耦控制器2的輸出端與靜止無功補償器(TATCOM)9的輸入端電性連接，電容器循環控制器3的輸出端與晶閘管投切電容器組(TSC組)10的輸入端電性連接，無功功率自動補償系統4與供電母線7連接，無功功率自動補償系統4與供電母線7之間設有開關柜8，供電母線7上并聯連接有電壓互感器5和電流互感器6，供電母線7的一個輸出端與電壓互感器5的輸入端電性連接，另一個輸出端與電流互感器6的輸入端電性連接，電壓互感器5和電流互感器6的輸出端與DSP控制器1的輸入端電性連接。

本發明還可以采用如下技術措施：

盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統可分為三層：執行級、無功智能控制級和決策處理級(如圖3所示)。執行級由靜止無功補償器(TATCOM)9和晶閘管投切電容器組(TSC組)10組成，無功智能控制級由模糊PI解耦控制器2和電容器循環控制器3組成，DSP控制器1為決策處理級。

DSP控制器1根據檢測到的電網中需補償的無功量，確定晶閘管投切電容器組(TSC組)10補償容量大小及靜止無功補償器(TATCOM)9補償容量，也就是確定投切電容器投切組數，給執行級的晶閘管投切電容器組(TSC組)10投切信號以及給靜止無功補償器(TATCOM)9的補償電流提供定值，其中靜止無功補償器(TATCOM)9接收無功智能控制級模糊PI解耦控制器2產生PWM信號，并將輸出電流反饋給DSP控制器1，形成一個電流閉環。

具體地，DSP控制器1為專家推理判斷單元，當決策處理級根據檢測到的電網無功信息，由專家推理判斷單元來得出盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統的離散子系統中電容器投切的決策信息以及計算靜止無功補償器(TATCOM)9補償電流的期望值，先確定投切電容器組數，再計算靜止無功補償器(TATCOM)9期望輸出電流。

假設盾構機全自動混合型無功功率補償控制系統共有m組電容器可供投切，某時刻已投的電容器組數為n，而該時刻還應投入的組數為p，其正負分別代表投入和切除。專家推理判斷的規則為:

Rule 1:

IFAND k+1≤m-n AND I_qSTAT＞0 THEN p＝k+1；

Rule 2:

IFAND k+1＞m-n AND I_qSTAT＞0 THEN p＝m-n；

Rule 3:

IFAND k+1≤n AND I_qSTAT＜0 THEN p＝-(k+1)；

Rule 4:

IFAND k+1＞n AND I_qSTAT＜0 THEN p＝-n；

Rule 5:

IFAND k≤m-n AND I_qSTAT＞0 THEN p＝k；

Rule 6:

IFAND k＞m-n AND I_qSTAT＞0 THEN p＝m-n；

Rule 7:

IFAND k≤n AND I_qSTAT＜0 THEN p＝-k；

Rule 8:

IFAND k＞n AND I_qSTAT＜0 THEN p＝-n；

其中，I_C表示每個電容器的無功電流，I_qSTAT表示靜止無功補償器(TATCOM)9的實時無功電流，其正負分別代表容性和感性。

靜止無功補償器(TATCOM)9采用固定參考無功電流模式，以實現大型盾構機供電系統低成本大容量無功功率補償的目的。同時，為提高靜止無功補償器(TATCOM)9的響應速度和系統穩定性，利用基于模糊自調整的PI控制方法，將模糊控制與傳統的PI控制相結合，利用模糊控制器在線調節PI控制器的參數，以獲得良好的靜態和動態性能。

模糊PI解耦控制器的工作原理圖如圖4所示，由于有功和無功控制通常存在耦合現象，在通過模糊PI控制后，再進行解耦控制，使有功電流和無功電流得到獨立控制，提高了控制精度。圖4中，為DSP控制器1提供的無功電流期望值，為直流側電容電壓的指令值，兩者經模糊控制器和PI控制器后，分別得無功電流和有功電流，通過限幅單元后進行解耦，經dq/abc變換后輸PWM信號給靜止無功補償器(TATCOM)9。