基于電流無差拍控制的級聯(lián)型SVG研究

李登科，楊文煥，侯甜甜，黃敏瑤

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

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基于電流無差拍控制的級聯(lián)型SVG研究

李登科，楊文煥，侯甜甜，黃敏瑤

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

將級聯(lián)型變流器應(yīng)用于無功補償裝置是實現(xiàn)大容量無功補償?shù)闹匾緩健Ｎ闹薪榻B了級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器的基本原理和結(jié)構(gòu)，討論了適用于級聯(lián)型逆變器的基于瞬時無功理論的新型指令電流計算和無差拍電流跟蹤控制工作原理，用無差拍電流控制取代傳統(tǒng)PI控制應(yīng)用在級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器中，解決了PI控制數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，參數(shù)難以確定的問題。最終通過Matlab仿真驗證設(shè)計可行性。

級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器；指令電流計算；無差拍電流跟蹤控制；Matlab仿真

靜止無功發(fā)生器(SVG)作為柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置的重要組成部分，具有補償系統(tǒng)無功，提高功率因數(shù)的功能。SVG一般采用電壓型橋式電路，通常采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)控制技術(shù)控制逆變器的電流。電流控制的主要目標(biāo)是能夠提供一個相對高的頻寬，保證對電流的快速精確跟蹤，盡可能地減少瞬態(tài)跟蹤的時間。對于電流控制的電壓型逆變器，控制策略通常采用滯環(huán)控制、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系PI控制以及無差拍電流預(yù)測控制等[1-3]，滯環(huán)控制具有很快的動態(tài)響應(yīng)，但會產(chǎn)生輸出電流失真及很大的穩(wěn)態(tài)誤差。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系PI控制中，逆變器的電壓、電流分量變?yōu)橹绷鞣至?，對直流量可實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，但模型上相互耦合，對控制的靜、動態(tài)性能不利[2-3]；同時通過求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型求取PI控制器參數(shù)的方法較為困難，工程上通常要經(jīng)過一系列的測試才能獲得性能較優(yōu)的參數(shù)。

基于電流無差拍控制的系統(tǒng)具有數(shù)學(xué)模型簡單、參數(shù)設(shè)計簡單的優(yōu)點，在電壓型逆變器中得以應(yīng)用[4]。本文將電流無差拍跟蹤控制應(yīng)用到了級聯(lián)型的靜止無功發(fā)生器中，代替了傳統(tǒng)的PI控制作為其電流內(nèi)環(huán)的控制器，解決了其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、控制參數(shù)難以確定的問題。

1　結(jié)構(gòu)及基本原理

SVG系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要有指令電流計算、電流跟蹤控制、PWM生成和主電路模塊。

圖1　SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，主電路采用H橋級聯(lián)型逆變器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。每相以單相H橋變流電路為基本變流器單元，交流側(cè)通過串聯(lián)方式疊加，每個變流模塊均可產(chǎn)生一個三電平輸出電壓[5]。

圖2　級聯(lián)型SVG主電路拓撲圖

PWM生成模塊采用載波相移-正弦脈寬調(diào)制(CPS-SPWM)技術(shù)，可輸出五電平，當(dāng)由N個變流器單元級聯(lián)時可輸出電平數(shù)為(2N+1)[6]。文中著重介紹基于ip-iq的新型無功電流檢測方法和電流無差拍跟蹤控制策略。

2　級聯(lián)型SVG指令電流計算

目前無功電流檢測方法普遍使用基于瞬時無功理論的ip-iq算法[7]。但在非級聯(lián)的三相三線制SVG中直流側(cè)僅有一個電容，即直流電壓控制對象只有一個電容電壓值。而在級聯(lián)型SVG中，由于各相電容獨立，每相總電壓值的變動也各不相同，直流側(cè)的穩(wěn)壓控制應(yīng)分相進行，考慮到H橋級聯(lián)型逆變器的特殊性，本文使用文獻[8]中基于瞬時無功理論的改進方法，使得在考慮SVG裝置本身的有功損耗后，直流側(cè)電壓能穩(wěn)定在目標(biāo)值。其控制框圖如圖3所示。

圖3　指令電流計算原理圖

其中

(1)

(2)

C23和C-1為C32和C的逆運算。

圖4　模塊A原理框圖

如圖4所示電壓環(huán)控制器與電流跟蹤控制器相獨立，使用PI控制。

3　電流無差拍跟蹤控制原理

以三相電壓型并網(wǎng)逆變器的拓撲為例建立數(shù)學(xué)模型，如圖5所示，逆變器通過濾波電感L、電阻R與電網(wǎng)相連接。

圖5　三相電壓型并網(wǎng)逆變器拓撲

并網(wǎng)逆變器輸出電流在靜止α-β坐標(biāo)下的動態(tài)方程(電流參考方向如圖1所示，且三相電網(wǎng)電壓平衡)為

(3)

其中，iα和iβ為三相并網(wǎng)逆變器輸出電流在α-β坐標(biāo)系下α、β分量；usα、usβ為三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓在α-β坐標(biāo)系下α、β分量；eα、eβ為電網(wǎng)電壓在 坐標(biāo)系下α、β分量。

對式(3)進行離散化處理，采樣周期為Ts，可得

(4)

整理可得

(5)

若認為在一個采樣周期實現(xiàn)了各相電流對其電流給定值的無差跟蹤，達到了無差拍的控制效果，則

(6)

(7)

由電流給定值和實際值，即可得到與之對應(yīng)的電壓信號，(7)完成了PI傳遞函數(shù)的功能，而又不需復(fù)雜的頻域計算。

由于在實際實現(xiàn)無差拍電流控制時，存在控制上的延時，為提高無差拍控制器的性能，必須進行補償，求取k+1時刻電壓值

(8)

將式(8)中的iα(k+1)、iβ(k+1)用式(4)來代替，且忽略電阻，可得

(9)

預(yù)測第k+1采樣時刻的電流為k采樣時刻的給定值，即

(10)

相對于電網(wǎng)基頻而言，若采樣周期較小，可認為

(11)

根據(jù)直流母線電壓和三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓的開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc(Si=1為相應(yīng)的上橋臂導(dǎo)通；Si=0為相應(yīng)的下橋臂導(dǎo)通)，可得到并網(wǎng)逆變器輸出的電壓usα(k)、usβ(k)為

(12)

結(jié)合式(8)～式(12)，可得出usα(k+1)、usβ(k+1)。

使用k+1時刻的電壓值，避免了控制上延時所帶來的誤差，提高了控制性能。

4　仿真研究

通過Matlab搭建三相三線級聯(lián)型SVG仿真模型對其仿真[9-10]。控制框圖如圖6所示，其中網(wǎng)測電壓220 V，級聯(lián)每相每單元直流側(cè)電容電壓200 V，電容0.3 F，交流側(cè)電感5 mH,電阻0.1 Ω,直流側(cè)穩(wěn)壓控制P=30，I=0.01。

圖6　仿真系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)加入阻感性負載R=2.5 Ω，L=0.008 H，0.04 s時將SVG并入電網(wǎng)，A相電壓、電流，如圖7所示。

圖7　補償前A 相電壓和電流

系統(tǒng)加入阻容性負載R=2.5 Ω，L=1 000 μF，0.04 s時將SVG并入電網(wǎng)，A相電壓電流如圖8所示。

圖8　補償后A相電壓和電流

系統(tǒng)在0.045 s前為阻感性負載，在0.05 s后切換為阻容負載，SVG在0.015 s時并入電網(wǎng)，觀察SVG的動態(tài)補償效果，A相電壓電流如圖9所示。

圖9　負載變化時A相電壓和電流

5　結(jié)束語

本文在級聯(lián)型SVG的電流環(huán)控制器中引入無差拍的控制方法，代替了傳統(tǒng)的PI控制模型，解決了PI控制數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，控制參數(shù)難以確定的問題。電流無差拍控制的指令電流的計算，使用了基于瞬時無功理論改進的方法，在各相指令電流中加入有功分量，控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。并在Matlab中構(gòu)建仿了真模型，證明了無差拍控制在級聯(lián)型SVG中的有效性。

[1]Holtz J. Pulse width modulation for electronic power conversion[J].Proceeding of the IEEE,1994,82(8):1194-1214.

[2]Kazmierkowski M P,Malesani L.Current control techniques for three-phase voltage source PWM converters: a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1998,45(5):691-703.

[3]Malinowski M,Kazmierkowski M P,Trzynadlowski A M.A comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed dries[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2003,18(6): 1390-1396.

[4]楊勇,阮毅,葉斌英,等.三相并網(wǎng)逆變器無差拍電流預(yù)測控制方法[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(33):40-46.

[5]同向前,伍文俊,任碧瑩,等.電壓源換流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[6]何湘寧,陳阿蓮.多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[7]王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[8]吳堅,楊文煥,方春仁.級聯(lián)型有源電力濾波器的研究[J].信息技術(shù),2015(4):102-109.

[9]蘇小林,趙巧娥.Matlab及其在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[10] 洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

Cascaded Static Var Generator Based on Current Deadbeat Control

LI Dengke, YANG Wenhuan, HOU Tiantian, HUANG Minyao

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The cascade type converter applied in reactive power compensation unit is an important way to realize the large capacity of reactive power compensation. This paper briefly introduces the basic principles and structure of SVG with emphasis on the method of current deadbeat control and instruction current calculation based on the instantaneous reactive power theory. In this paper, the current deadbeat control instead of PI control is used in the cascaded SVG in view of the difficulty in determining parameters and the complex mathematical model of the PI controller. Finally, Matlab simulation verifies its feasibility.

cascaded SVG; instruction current calculation; current deadbeat control; Matlab simulation

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.006

2015-12-01

楊文煥(1954-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：電力電子與電力傳動。李登科(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。

TM761+.1

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1007-7820(2016)08-017-04