SVG的解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

言 宇

(廣東電網(wǎng)公司東莞供電局,廣東 東莞 523008)

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重?？紤]到大量的電能質(zhì)量問題是由于負(fù)荷的非線性、不平衡特點(diǎn)而引起的,因此主要采取的控制措施是在負(fù)荷側(cè)安裝靜止無功發(fā)生器(SVG),實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、諧波抑制和三相不平衡補(bǔ)償?shù)萚1]。利用瞬時功率平衡的思想,文獻(xiàn) [2]提出了一種基于神經(jīng)元自適應(yīng) PID的 SVG直接電壓控制方法;基于變結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,文獻(xiàn) [3]提出了一種 SVG用于維持接入點(diǎn)電壓的控制方法。但上述兩種方法沒有分析 SVG的耦合關(guān)系。文獻(xiàn) [4]引入了基于瞬時功率平衡的直接電壓控制方法和模糊自適應(yīng) PI控制方法;但該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制,無法保證 SVG輸出電流穩(wěn)態(tài)無差的跟蹤參考信號。文獻(xiàn)[5]對無功電流的 PI和基于微分幾何的非線性控制方法進(jìn)行了研究,并分別實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的近似線性化和精確線性化;但算法過于復(fù)雜,不適宜于工程應(yīng)用。本文提出了一種適合于工程應(yīng)用的 SVG解耦控制方法,并對該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

1 內(nèi)環(huán)電流跟蹤控制器的設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示,圖中的 ug、Lg和 Rg分別為配電網(wǎng)電壓、電感和電阻;LL1、RL1和LL2、 RL2為公共連 接點(diǎn) (PCC)的負(fù)載 ,其 中 LL1、RL1為對電能質(zhì)量敏感的負(fù)載,LL2、RL2為大容量負(fù)載;SW為投切開關(guān);L、R為連接電抗器;iS為流過 L、R的電流;SVG為電壓源變流器,其中 uS為交流側(cè)電壓,C為直流側(cè)大電容,RC代表直流側(cè)損耗,uDC、iDC為直流側(cè)電壓、電流,iRC為流過 RC的電流。

設(shè)計(jì) SVG的解耦控制系統(tǒng)主要是完成內(nèi)環(huán)電流跟蹤控制器和外環(huán)直流側(cè)電壓控制器的參數(shù)整定。由于內(nèi)環(huán) d、q軸電流跟蹤控制器的結(jié)構(gòu)和被控對象參數(shù)都相同,因此本文僅以 d軸電流跟蹤控制器的設(shè)計(jì)為例予以討論。

根據(jù)圖 2,并考慮到實(shí)際工程應(yīng)用背景,如參考、反饋信號的采樣和保持,數(shù)字信號處理器(DSP)運(yùn)算等導(dǎo)致的延時,SVG中電壓源變流器的功率放大作用,可得圖 3所示的 d軸電流跟蹤控制模型,其中 PWM為脈沖寬度調(diào)制。

圖2 SVG的解耦控制模型

圖3 d軸電流跟蹤控制模型

圖 3中,K2、f2為 PI控制器的增益、時間常數(shù);KPWM、Teq為功率放大環(huán)節(jié)的增益、時間常數(shù),且Teq=1．5 TS;KRL、TRL為連接電抗器的增益、時間常數(shù),且 KRL=1/R,TRL=L/R;UDis(s)為擾動信號,用來模擬“死區(qū)”效應(yīng)、開關(guān)器件電壓降等對功率放大環(huán)節(jié)的負(fù)面影響。

考慮到內(nèi)環(huán)電流跟蹤控制器需要獲得較快的電流跟隨性能,因此本文按典型Ⅰ型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流控制器。由圖 3可知,只需用 PI控制器的零點(diǎn)抵消被控對象傳遞函數(shù)中的極點(diǎn)即可,即f2=TRL,令圖3中 UDis(s)=0,此時,內(nèi)環(huán)電流跟蹤控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)典型Ⅰ型系統(tǒng)的參數(shù)整定關(guān)系[6],當(dāng)取系統(tǒng)阻尼比Y=0．707時,有：

由式(2)可解得 PI控制器的參數(shù)如下：

此時,內(nèi)環(huán)電流跟蹤控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)可由式(1)推得：

當(dāng) SVG的開關(guān)頻率足夠高時,即 TS足夠小時,由于 s2項(xiàng)的系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 s項(xiàng)的系數(shù),因此 s2項(xiàng)可以忽略,此時結(jié)合式(3)后,式(4)可近似為：

式(5)表明,當(dāng)內(nèi)環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)時,可以近似等效為一個時間常數(shù)為 3TS的慣性環(huán)節(jié),顯然,當(dāng) SVG的開關(guān)頻率足夠高時,內(nèi)環(huán)具有較快的動態(tài)響應(yīng)性能。

2 外環(huán)直流側(cè)電壓控制器的設(shè)計(jì)

外環(huán)直流側(cè)電壓控制器的目的是為了穩(wěn)定SVG的直流側(cè)電壓 uDC,綜合圖 2、3和式 (5),可得圖 4所示的直流側(cè)電壓控制模型。

圖4 直流側(cè)電壓控制模型

圖中,K1、f1為 PI控制器的增益、時間常數(shù);Teq,dc=3TS;Kdc、Tdc為直流側(cè)電壓環(huán)節(jié)的增益、時間常數(shù) ,且 Kdc=3|u*|? RC,Tdc=RC? C;UDis,U(s)為擾動信號。

由于直流側(cè)電壓穩(wěn)定與否直接關(guān)系到 PWM調(diào)制效果,因此在對圖 4所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行整定時,應(yīng)當(dāng)著重考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,本文按典型Ⅱ型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電壓控制器。

由圖 4可得外環(huán)電壓控制器的開環(huán)傳遞函數(shù),令 UDis,U(s)=0,則：

考慮到直流側(cè)大電容因素和內(nèi)環(huán) d軸電流跟蹤控制器的快速跟隨特性,即 Tdc?Teq,dc,因此在轉(zhuǎn)折頻率附近| jk? Tdc|?1,從而式(6)可近似為：

由式(7)可得系統(tǒng)的中頻寬 fu為：

根據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)整定關(guān)系[6],可得：

綜合考慮系統(tǒng)的抗干擾性能及跟隨性能,工程上一般取中頻寬 fu=5,將其代入式(8)和式(9),可得 PI控制器的參數(shù)如下：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的解耦控制系統(tǒng)的有效性,本文基于圖 1所示的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究,相關(guān)參數(shù)如下：配電網(wǎng)線電壓 ug=380 V,頻率 fg=50 Hz,電阻Rg=0．05Ω,電感 Lg=0．03 m H;敏感性負(fù)載的電感 LL1=0．02 mH,電阻 RL1=5Ω,容量 P=50 kW;大容量負(fù)載的電感 LL2= 0．6 mH,電阻 RL2=0．05Ω,容量 Q=50 kvar;連接電抗器的電感 L=0．3 m H,電阻 R=0．05Ω;SVG的直流側(cè)電容 C=10000μF,電壓 uDC= 800 V,電阻 RC= 10 k Ω,IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的開關(guān)頻率 fsw=10 kHz;直流側(cè)電壓控制器的 Kp=1．72,Ki=0．43;d、q軸電流跟蹤控制器的 Kp=8．82,Ki=146。本文通過合上開關(guān) SW投入大容量感性負(fù)載來模擬配電網(wǎng) PCC電壓跌落,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5、6所示。

由圖 5a和圖 6a可知,當(dāng)投入大容量電感性負(fù)載后,配電網(wǎng)的 PCC電壓就因無功沖擊而跌落;而投入 SVG后,uPCCu很快得以回升。在此過程中,未采用解耦控制時,輸出電壓和輸出電流之間的耦合導(dǎo)致在快速支撐 PCC電壓時(圖 5a),SVG直流側(cè)電壓出現(xiàn)了較大幅度和較長時間的波動(圖 5c),進(jìn)而影響到 PWM調(diào)制效果,最終表現(xiàn)為 SVG輸出電流(圖 5b)和 PCC電壓中含有大量諧波分量;而采用解耦控制時,SVG直流側(cè)電壓的波動幅度和時間都較小(圖 6c),因此 SVG輸出電流 (圖 6b)和 PCC電壓中諧波分量也較少。

圖5 未采用解耦控制系統(tǒng)時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 采用解耦控制系統(tǒng)時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適合于工程應(yīng)用的 SVG解耦控制系統(tǒng)。通過未采用解耦控制系統(tǒng)時與采用解耦控制系統(tǒng)時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的SVG解耦控制系統(tǒng)的有效性。

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