一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法，该控制系统包括：DSP控制器、模糊PI解耦控制器、电容器循环控制器、无功功率自动补偿系统，无功功率自动补偿系统包括TATCOM和TSC组。该盾构机全自动混合型无功功率补偿控制方法包括DSP控制器推理判断，确定TSC组投切组数及TATCOM期望输出电流值，提供投切信号和补偿电流定值，TATCOM接收PWM信号及输出反馈电流。TATCOM提供较小容量的感性无功和容性无功；TSC组提供大容量的容性无功功率。本发明专利技术综合了TATCOM和TSC组两者的优点，既能实现无级调节无功，抑制电网电压跌落和电压波动，又能抑制TSC组与系统之间产生的谐振，成本低、控制简单，能满足大型盾构机供电系统中无功补偿大容量和高精度的双重要求。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法
本专利技术属于盾构机自动控制
，尤其涉及一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法。
技术介绍
目前，盾构施工法在隧道与地下工程的掘进中得到越来越广泛的应用，为装备制造业的发展起到积极地推动作用，也为基础元件产业“2025中国制造”技术发展提出新的要求。通常在盾构机电网系统中存在大量的感性负载，感性负载消耗着大量的无功功率。由于盾构机供电网络中流过的无功功率增加，会导致有功电流增大和视在功率增加，从而使变压器、控制设备和电缆等电器设备容量增加，增大供电设备成本，同时会增大供电设备及线路损耗；另外还会导致变压器及线路的压降增大，使电网电压产生波动，从而使供电最末端的刀盘电机等大功率用电设备出力下降，掘进效率降低，整体能耗增加。在盾构机供电系统中，由于大都采用的是无功功率标准型补偿的方式，这种方式难以及时反映及补偿盾构机在不同工况模式下，由于负载率不同而导致的无功功率需求不一的问题，使得在现场运行过程中，容易产生过补偿或欠补偿的问题，再加之盾构机上存在着如刀盘主驱动变频器等多种非线性负载，非线性负载产生大量谐波电流并注入到供电系统电网中，当这些谐波电流流经标准型无功补偿装置时，可能诱发谐波谐振等现象，从而导致盾构系统的无功补偿装置出现故障或损坏。因此，如何通过无功补偿提高盾构机系统供电质量，降低盾构机供电损耗是当前面临的一个严峻问题，而盾构机供电系统中的无功补偿装置的合理投运，是能否实现低成本节能的重要环节。针对上述问题，一般采用安装无功补偿设备的方式，通过合理的补偿无功功率来提高电能质量，达到节能降耗的目的。静止无功补偿器(StaticvarCompensator，STATCOM)能够进行动态连续的无功功率补偿，但是当单台STATCOM容量要求较大时，由于电力电子器件制造工艺和工程造价的限制，往往在设计和工程实现上存在困难。而晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)虽然能够满足工程容量的要求，但其不能进行连续无级的无功功率补偿，并且装置的响应速度也不快，很难满足盾构机供电系统对无功功率补偿的要求。为了克服上述缺陷，本专利技术针对大型盾构机低成本动态节能的实际需求提供了一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法，该控制系统具有自动控制、监控和恶劣环境下工作的盾构机无功功率自动补偿功能，实现无级调节无功，抑制电网电压跌落和电压波动，低成本、大容量、动态连续的无功功率补偿，提高电能质量，降低盾构机供电系统成本，节约用电，提高经济效益。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具有自动控制、监控和恶劣环境下工作的盾构机无功功率自动补偿功能，实现无级调节无功，抑制电网电压跌落和电压波动，低成本、大容量、动态连续的无功功率补偿，提高电能质量，降低盾构机供电系统成本，节约用电，提高经济效益的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统及方法。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案，提供一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，包括：DSP控制器、模糊PI解耦控制器、电容器循环控制器、无功功率自动补偿系统、供电母线，无功功率自动补偿系统包括静止无功补偿器(TATCOM)和晶闸管投切电容器组(TSC组)，DSP控制器分别与模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器连接，模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器与无功功率自动补偿系统连接，无功功率自动补偿系统与供电母线连接，供电母线与DSP控制器之间连接有电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器并联。进一步地，所述静止无功补偿器(TATCOM)和晶闸管投切电容器组(TSC组)并联，所述晶闸管投切电容器组(TSC组)由多个晶闸管投切电容器并联构成。进一步地，所述DSP控制器的一个输出端与电容器循环控制器的输入端电性连接，另一个输出端与模糊PI解耦控制器的输入端电性连接。进一步地，所述电容器循环控制器的输出端与晶闸管投切电容器组(TSC组)的输入端电性连接。进一步地，所述模糊PI解耦控制器的输出端与静止无功补偿器(TATCOM)的输入端电性连接。进一步地，所述供电母线的一个输出端与电压互感器的输入端电性连接，另一个输出端与电流互感器的输入端电性连接，所述电压互感器和电流互感器的输出端与DSP控制器的输入端电性连接。进一步地，所述无功功率自动补偿系统与供电母线之间设有开关柜。本专利技术的另一目的在于提供盾构机全自动混合型无功功率补偿控制方法，包括以下步骤：a)DSP控制器对电网中的无功信息进行检测，根据检测到的电网中需补偿的无功量，判断出盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统的离散子系统中电容器投切的决策信息以及静止无功补偿器(TATCOM)补偿电流的期望值；b)确定晶闸管投切电容器组(TSC组)补偿容量大小及静止无功补偿器(TATCOM)补偿容量，即确定投切电容器投切组数，计算出静止无功补偿器(TATCOM)期望输出电流，给晶闸管投切电容器组(TSC组)投切信号以及给静止无功补偿器(TATCOM)的补偿电流提供定值；c)静止无功补偿器(TATCOM)采用固定参考无功电流模式，接收无功智能控制级模糊PI解耦控制器产生PWM信号，并将输出电流反馈给DSP控制器，形成一个电流闭环。进一步地，所述模糊PI解耦控制器将模糊控制与PI控制结合，模糊控制器在线调节PI控制器的参数，获得静态和动态性能，以提高静止无功补偿器(TATCOM)的响应速度和系统稳定性。由于有功和无功控制通道存在耦合现象，通过模糊PI控制后，再进行解耦控制，使有功电流和无功电流得到独立控制，提高了控制精度。DSP控制器提供无功电流期望值和直流侧电容电压的指令值，两者经模糊调节器和PI控制器后，分别得无功电流和有功电流，通过限幅单元后进行解耦，经dq/abc变换后输PWM信号给静止无功补偿器(TATCOM)。PI控制器的作用，可表示为：式中，e(n)为第n个采样时刻控制器的输入量(偏差量)；i(n)、i(n-1)分别为第n个和第n-1个采样时刻控制器的输出量(控制量)；T为采样周期；Ki为积分时间常数；Kp为比例增益。由式(1)可得，控制器i(n)和i(n-1)之间的增量公式为：Δe＝e(n)-e(n-1)(3)模糊控制器根据不同的输入e、ec计算出ΔKP、ΔKi，从而实现PI参数的调整，即采用Ziegler-Nichols方法求解和以实现参数的预整定。进一步地，所述模糊控制器的输入、输出变量都是精确量，模糊推理是针对模糊量进行的，控制器首先对输入量进行模糊化处理，将输入、输出变量的语言值均分为7个语言值，即{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，采用三角形隶属度函数，模糊量e、eC论域为{-66}，具体方法如下；(1)当|e|较大，即e∈{NB,PB}时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，保证Kp,较大，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对Ki加以限制，通常取Ki＝0；(2)当|e|处于中等大小，即e∈{NM,PM}时，为避免系统响应出现较大的超调，Kp应取得小些，Ki的取值可以适当增大。(3)当|e|取较小，e∈{NS,0,PS}时，为使系统尽快稳定，凡应进一步减小，Kp应取适当值，并随Ki减小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，包括：DSP控制器、模糊PI解耦控制器、电容器循环控制器、无功功率自动补偿系统、供电母线，所述无功功率自动补偿系统包括静止无功补偿器(TATCOM)和晶闸管投切电容器组(TSC组)，所述DSP控制器分别与模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器连接，所述模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器与无功功率自动补偿系统连接，所述无功功率自动补偿系统与供电母线连接，供电母线与DSP控制器之间连接有电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器并联。

【技术特征摘要】
1.一种盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，包括：DSP控制器、模糊PI解耦控制器、电容器循环控制器、无功功率自动补偿系统、供电母线，所述无功功率自动补偿系统包括静止无功补偿器(TATCOM)和晶闸管投切电容器组(TSC组)，所述DSP控制器分别与模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器连接，所述模糊PI解耦控制器和电容器循环控制器与无功功率自动补偿系统连接，所述无功功率自动补偿系统与供电母线连接，供电母线与DSP控制器之间连接有电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器并联。2.如权利要求1所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述静止无功补偿器(TATCOM)和晶闸管投切电容器组(TSC组)并联，所述晶闸管投切电容器组(TSC组)由多个晶闸管投切电容器并联构成。3.如权利要求1所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述DSP控制器的一个输出端与电容器循环控制器的输入端电性连接，另一个输出端与模糊PI解耦控制器的输入端电性连接。4.如权利要求3所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述电容器循环控制器的输出端与晶闸管投切电容器组(TSC组)的输入端电性连接。5.如权利要求3所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述模糊PI解耦控制器的输出端与静止无功补偿器(TATCOM)的输入端电性连接。6.如权利要求1所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述供电母线的一个输出端与电压互感器的输入端电性连接，另一个输出端与电流互感器的输入端电性连接，所述电压互感器和电流互感器的输出端与DSP控制器的输入端电性连接。7.如权利要求1所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统，其特征在于，所述无功功率自动补偿系统与供电母线之间设有开关柜。8.一种如权利要求1所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统的控制方法，其特征在于，该盾构机全自动混合型无功功率补偿控制方法包括以下步骤：a)DSP控制器对电网中的无功信息进行检测，根据检测到的电网中需补偿的无功量，判断出盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统的离散子系统中电容器投切的决策信息以及静止无功补偿器(TATCOM)补偿电流的期望值；b)确定晶闸管投切电容器组(TSC组)补偿容量大小及静止无功补偿器(TATCOM)补偿容量，即确定投切电容器投切组数，计算出静止无功补偿器(TATCOM)期望输出电流值，给晶闸管投切电容器组(TSC组)投切信号以及给静止无功补偿器(TATCOM)的补偿电流提供定值；c)静止无功补偿器(TATCOM)采用固定参考无功电流模式，接收无功智能控制级模糊PI解耦控制器产生PWM信号，并将输出电流反馈给DSP控制器，形成一个电流闭环。9.如权利要求8所述的盾构机全自动混合型无功功率补偿控制系统的控制方法，其特征在于，所述模糊PI解耦控制器将模糊控制与PI控制结合，模糊控制器在线调节PI控制器的参数，获得静态和动态性能，以提高静止无功补偿器(TATCOM)的响应速度和系统稳定性；由于有功和无功控制通道存在耦合现象，通过模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈林，孙成龙，孙兆发，吴铁军，
申请(专利权)人：中交隧道局电气化工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11