級聯(lián)型無功補償器的電流控制器設計*

陳晶晶 李志新

(1.國家電網(wǎng)荊州市荊州地區(qū)供電公司 荊州 434100)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

級聯(lián)型無功補償器的電流控制器設計*

陳晶晶1李志新2

(1.國家電網(wǎng)荊州市荊州地區(qū)供電公司 荊州 434100)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

論文在分析基于級聯(lián)多電平逆變器的靜止無功補償器的電流控制器基本原理的基礎上,設計了單純比例積分控制和比例加重復復合控制兩種電流控制器,對比兩種控制器作用時補償器對電流指令的跟蹤性能,發(fā)現(xiàn)比例加重復復合控制在保證系統(tǒng)動態(tài)響應特性的情況下明顯改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,最后通過仿真證明了該結論。

級聯(lián)多電平; 靜止無功補償; 電流控制器

Class Number TM46

1 引言

靜止無功補償器(STATCOM,以下簡稱補償器)與傳統(tǒng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術相比具有承壓高、容量大、反應快、精度好、補償方式靈活的特點。級聯(lián)型多電平逆變器早在上世紀70年代就提出了,但是直到上世紀末才引起人們的重視[1～3],采用級聯(lián)型逆變器的STATCOM可以通過鏈節(jié)數(shù)的擴展來達到很高的電壓等級,這樣就可以在無需升壓變壓器的情況下直接與中高壓系統(tǒng)并網(wǎng)運行,且由于每個鏈節(jié)都具有相同的結構和參數(shù),因此易于實現(xiàn)補償器的模塊化設計、生產(chǎn)和封裝[4],另外,對于三角型連接的級聯(lián)型多電平逆變器,三相完全獨立,可以實現(xiàn)分相控制,將其用于STATCOM主電路,可為補償器進行三相不平衡補償帶來便利[5～7],所以采用級聯(lián)型多電平逆變器作為STATCOM的主電路有著諸多優(yōu)點。

每相由三個H橋級聯(lián)的級聯(lián)型STATCOM主電路結構如圖1所示,采用三角形連接,輸入為系統(tǒng)線電壓。圖中,vsa、vsb、vsc分別為系統(tǒng)三相相電壓,isab、isbc、isca分別為補償器三相相電流,規(guī)定電流參考方向為系統(tǒng)流向補償器,如圖1所示。

圖1 級聯(lián)型STATCOM主電路結構圖

2 級聯(lián)型STATCOM電流控制原理

STATCOM的主要功能是精確輸出系統(tǒng)所需要的無功以達到補償系統(tǒng)無功的目的。一般情況下,系統(tǒng)電壓是保持恒定不變的,于是對無功功率的控制就轉化為對無功電流的控制,因此電流控制是目前STATCOM研究的重點內(nèi)容。如何實現(xiàn)通過無功電流指令值來調(diào)節(jié)STATCOM,使其輸出系統(tǒng)所需的真實無功電流,就是電流的具體控制方法,通常分為直接電流控制和間接電流控制[8]。本文討論基于瞬時值的直接電流控制。事實上,為了補償補償器的有功消耗以維持直流電容電壓的穩(wěn)定,補償器與系統(tǒng)之間還有有功電流流過,因此,直接電流控制和間接電流控制是對總電流的控制。

圖2 基于電流瞬時值的直接電流控制系統(tǒng)框圖

電流控制器GI(z)的性能很大程度上決定了級聯(lián)型STATCOM的補償性能。相比于模擬控制器,數(shù)字控制器雖然響應速度較慢,但其強大的信息處理能力使得復雜的控制算法不再難以實現(xiàn),受環(huán)境的影響很小,不會出現(xiàn)元器件老化和參數(shù)飄移的問題[5]。但數(shù)字控制系統(tǒng)的缺點也是不容忽視的,對于STATCOM的數(shù)字化電流控制器來說零階保持器和采樣、計算延時對系統(tǒng)的性能有顯著影響[5,9],因此在設計數(shù)字控制器時,應考慮在被控對象模型中加入零階保持器和一拍滯后的模型,如圖3所示。

圖3 考慮零階保持器和一拍延時的電流控制系統(tǒng)框圖

圖中,e-Ts代表一拍延時,Gh0(s)和G(s)分別為零階保持器和被空對象,其傳遞函數(shù)為

(1)

(2)

其中,T為采樣周期,與開關周期相等;L和R分別是STATCOM交流側連接電抗和串聯(lián)等效電阻,D(s)為電流控制器。

3 數(shù)字比例積分(PI)控制器設計

數(shù)字控制器設計方法分為連續(xù)域離散化設計和直接離散域設計。對于前者來說,其設計思想是先在連續(xù)域中設計出控制規(guī)律,而后將它離散化,但是當采樣頻率較低時,系統(tǒng)離散后的等效性會明顯下降,影響系統(tǒng)的控制精度。而后者是直接在離散域下設計控制器,不會產(chǎn)生離散化誤差。本文采用直接離散域設計法進行電流控制器設計。圖4為采用PI控制器的電流數(shù)字控制系統(tǒng)框圖。

圖4 采用PI控制器的電流數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

先將控制對象離散化,考慮零階保持器后,待校正系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

GP(z)=Z(Gh0(s)G(s))

(3)

考慮一拍延時后,開環(huán)傳函應為

(4)

取T=1/6000s,L=8×10-3H,R=0.45Ω,得系統(tǒng)校正前、校正后的閉環(huán)頻率特性曲線,如圖5和圖6所示。

圖5 待校正系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線

圖6 校正后系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線

從圖5可以看出,在PI控制器校正之前,系統(tǒng)對低頻輸入都有較大的幅值衰減和相角滯后。STATCOM補償器的輸出主要是基波無功電流,在50Hz處不能滿足對指令電流的精確跟蹤。

校正后系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線如圖6所示,在50Hz處雖然存在一定的相角滯后,但較校正前已得到很大改善,系統(tǒng)能夠較為精確地跟蹤頻率為50Hz的無功電流指令。

雖然校正后系統(tǒng)能夠較精確地跟蹤,PI控制器無法消除靜差,影響了STATCOM補償器的補償性能[9]。

4 基于比例控制和重復控制的復合控制器設計

根據(jù)前一節(jié)的分析可知,在PI控制器校正后系統(tǒng)雖然能夠較精確地跟蹤指令電流,但無法消除靜差?；趦?nèi)模原理的重復控制,雖然動態(tài)響應不夠迅速,但是可以實現(xiàn)對指令信號的精確跟蹤。在PI控制器的基礎上加入重復控制器,這樣既能保證系統(tǒng)良好的動態(tài)響應速度,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后,重復控制器對系統(tǒng)歷史誤差進行累加以加強對系統(tǒng)的控制;而一旦系統(tǒng)出現(xiàn)較大的擾動,誤差變大,PI控制器將對突然變大的誤差做出迅速的反應,使誤差逐漸變小,直到進入穩(wěn)態(tài)。由于PI控制器中的P參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)響應速度起主要作用,因此可以考慮去掉PI控制器中的I環(huán)節(jié),引用單P控制器和重復控制器組成復合控制器,以簡化控制器的設計。

圖7 比例加重復復合控制系統(tǒng)框圖

基于比例控制和重復控制的復合控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。圖中,數(shù)字控制器部分的z-1代表采樣和計算造成的延時,GP(z)為考慮零階保持器影響的被控對象模型。重復控制器RP(z)的組成部分有:z-N,周期延遲環(huán)節(jié),實現(xiàn)超前環(huán)節(jié);Q(z),將對誤差的純積分改成準積分,減弱積分效果,通常設計成小于1的常數(shù);S(z),改善控制對象的頻率特性,為補償環(huán)節(jié);zk,補償改造后控制對象的相位滯后;kr,重復控制增益,維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖8 重復控制對象

根據(jù)文獻[9],復合控制系統(tǒng)中,重復控制的對象可視為圖8所示含有比例控制器環(huán)節(jié)的反饋通道子系統(tǒng)。因此,重復控制被控對象的傳遞函數(shù)為

(5)

圖1所示STATCOM補償器每相三個H橋級聯(lián),采用單極倍頻載波移相調(diào)制,基波頻率為50Hz,要徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差,必須滿足Q(z)=1,要想保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,Q(z)又必須小于1,所以需綜合考慮穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)穩(wěn)定性;為了保證系統(tǒng)在中高頻段的穩(wěn)定性,可以設定重復控制器的增益kr,一般增益越小,系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好,但是收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差會隨之上升,一般通過實驗選取,在保證重復控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下,盡可能接近于1。

由式(5)可繪出重復控制對象頻率特性曲線,如圖9所示,在比例控制器作用下,系統(tǒng)在低頻段的幅值增益基本不變,而相位稍有滯后,因此只需設計合適的S(z)和zk使補償后系統(tǒng)對50Hz信號的幅值增益為單位增益,相位滯后為0°即可,系統(tǒng)頻率特性如圖10所示。

圖9 重復控制對象頻率特性

圖10 重復控制器補償后系統(tǒng)頻率特性

如圖10所示,在50Hz處,相角滯后,較由PI控制器校正后系統(tǒng)的相角滯后小,而幅值增益基本為0dB?？梢钥闯?相比于比例積分控制,比例控制加重復控制的復合控制對改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性有明顯的優(yōu)越性。

5 電流控制系統(tǒng)仿真

在Matlab-Simulink環(huán)境中建立離散域下控制系統(tǒng)模型,對級聯(lián)式STATCOM的電流控制進行了仿真。如圖11所示是感性工況時,STATCOM補償器三相相電流。圖中Vsa是系統(tǒng)A相電壓,Isa滯后Vsa90°,Isb,Isc分別滯后和超前Isa120°。此時,補償器對于系統(tǒng)來說相當于一個感性負載,這說明該仿真模型是能夠實現(xiàn)STATCOM補償器基本功能的。

圖11 感性工況時補償器三相電流波形

圖12 復合控制作用下系統(tǒng)對指令電流跟蹤情況

圖13 復合控制作用下指令電流突變時補償器反應

圖12為比例加重復復合控制時,系統(tǒng)對指令電流的跟蹤情況?？梢?輸出電流波形明顯改善,相位滯后也明顯減小,電流誤差Ierror最大瞬時值很小。圖中輸出電流仍然略微滯后指令電流,這是因為系統(tǒng)必須向系統(tǒng)提供少量有功功率來補償補償器內(nèi)部的有功損耗,以維持補償器直流電容電壓穩(wěn)定。

圖13給出了指令電流由感性變?yōu)槿菪詴r,補償器輸出電流變化情況。從圖中可以看出,系統(tǒng)用很短的時間便完成了對指令電流的跟蹤,說明復合控制下系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)響應特性。

6 結語

本文從STATCOM基于瞬時值的直接電流控制原理出發(fā),設計了比例積分控制和比例加重復復合控制兩種電流控制器參數(shù),詳細對比了兩種控制器作用下補償器對電流指令的跟蹤性能。仿真研究結果證明,基于比例控制和重復控制的復合控制器在保證系統(tǒng)動態(tài)響應特性的情況下明顯改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

[1] Malinowski M., Gopakumar K., Rodriguez J., et al. A Survey on Cascaded Multilevel Inverters[J]. IEEE Transactions On Industry Electronics,2010,57(7):2197-2206.

[2] 吳洪洋.多電平變換器及其相關技術研究[D].杭州:浙江大學,2001:10-12.

[3] Corzine K. A., Wielebski M. W., Peng Fangzheng, et al. Control of Cascaded Multilevel Inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(3):732-738.

[4] 劉釗.風力發(fā)電中鏈式STATCOM關鍵技術研究[D].武漢:華中科技大學,2010:9-13.

[5] 許赟.混合級聯(lián)多電平拓撲及其在STATCOM中的應用研究[D].武漢:華中科技大學,2008:15-18.

[6] Gong Li, Dai Ke, Chen Jingjing, et al. Design and Implementation of Distributed Control System for Cascaded H-Bridge Multilevel STATCOM[C]//26th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition, Fort Worth, IEEE,2011.

[7] 丁凱.混合多電平逆變器拓撲及其調(diào)制方法研究[D].武漢:華中科技大學,2004:14-15.

[8] Peng Fangzheng, Lai Jihsheng. Dynamic Performance and Control of a Static Var Generator Using Cascade Multilevel Inverters[J]. IEEE Transactions On Industry Application,1997,33(3):748-755.

[9] 魏學良.三相三線并聯(lián)型APF電流環(huán)數(shù)字化控制研究[D].武漢:華中科技大學,2007:30-34.

[10] 戴珂,陳晶晶.采用多DSP的級聯(lián)型DSTATCOM分散控制策略[J].高電壓技術,2010,36(11):2821-2826.

[11] 宮力,戴珂.鏈式STATCOM分散控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[C]//第四屆電工技術前沿問題學術論壇,武漢,2010:1378-1381.

Design of Current Controller for Cascaded STATCOM

CHEN Jingjing1LI Zhixin2

(1. State Grid Jingzhou City Jingzhou District Power Supply Company, Jingzhou 434100) (2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The basic principle of current controller for STATCOM which is based on cascaded multilevel inverter has been anlyzed firstly in this paper. Then two kinds of current controller were designed, including the controller only based on PI control method, and the proportional and repetitive controller based on composite control method. The current command tracking performances of the STATCOM was compared when the two kinds current controller were applied separately. The results demonstrated that the proportional and repetitive controller based composite control method could not only ensure the dynamic performances but also improve the steady-state performances, which have been proved by simulation.

cascaded multilevel, STATCOM, current controller

2013年8月3日,

2013年9月25日

陳晶晶,男,碩士,助理工程師,研究方向:電能質(zhì)量控制。李志新,男,碩士,講師,研究方向:電工理論與新技術。

TM46

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.043