雙閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)方法

1、.3.2.2 電流的直接控制電流直接控制，就是采用跟蹤型的PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，可以采用滯緩比較方式，也可采用三角波比較方式，進(jìn)行電流的直接控制。采用PWM技術(shù)的直接控制方法從原理上來說可以有效地濾除系統(tǒng)中的無功電流和全部有害電流。與間接控制方法相比較，直接控制方法具有更高的響應(yīng)速度和控制精度，但它要求開關(guān)頻率高，因?yàn)榇蠊β势骷茈y以高開關(guān)頻率運(yùn)行，因此不采用電流直接控制。一般來說，電流直接控制適合于小功率場(chǎng)合。但從目前世界上運(yùn)行的無功補(bǔ)償器的情況看來，電流直接控制在中、大容量系統(tǒng)也有應(yīng)用。日本新農(nóng)用于輸電80Mvar的SVG和日本神戶用于鋼廠負(fù)荷補(bǔ)償20Mvar的SV

2、G均采用了電流直接控制方式。前者在電網(wǎng)嚴(yán)重不對(duì)稱，甚至短路時(shí)仍可照常工作;后者對(duì)煉鋼電極短路引起的電網(wǎng)電壓閃變有很好的抑制作用。電流直接控制的SVG控制系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)：1.滯環(huán)比較控制；2.電壓電流雙閉環(huán)控制. 本文主要討論電壓電流雙閉環(huán)控制方法?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖3.2所示，采用了dq軸下的瞬時(shí)控制系統(tǒng)。SVG發(fā)出的電流瞬時(shí)值經(jīng)dq0坐標(biāo)變換變?yōu)?，與有功電流、無功電流參考值作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器所得值，再經(jīng)dq0反變換，得到三相電壓信號(hào)，進(jìn)行三角波比較電流跟蹤型PWM控制。其中，有功電流參考值由直流側(cè)電壓參考值與直流側(cè)電容電壓反饋值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到。由于參考值和，和反饋值在穩(wěn)態(tài)時(shí)均為直流

3、信號(hào)，因此通過PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的電流跟蹤控制。即此方法中采用了雙閉環(huán)反饋控制，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)控制，外環(huán)是電壓環(huán)控制。 圖3.3 電流電壓雙閉環(huán)控制原理圖SVG采用電流直接控制后，其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大提高。在這種控制方法下，SVG實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)受控電流源。由于受電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率限制，這種控制方法對(duì)較小容量SVG比較適用。還有一種電流直接控制方法為空間矢量調(diào)制控制方法，其原理可參考相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再給出。以上介紹了SVG的兩類控制方法，電流的間接控制和電流的直接控制。通過對(duì)比我們可以得出如下結(jié)論：(1)電流的間接控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟，但間接控制與直接

4、控制相比，控制精度較低，電流響應(yīng)速度較慢。(2)電流直接控制法對(duì)電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率要求高，因此適用于較小容量SVG控制；間接控制法適用于較大容量的SVG控制。(3)采用電流間接控制的大容量SVG可采用多個(gè)變流器多重化聯(lián)結(jié)、多電平技術(shù)或PWM控制技術(shù)來減小諧波。而采用電流PWM跟蹤控制的直接控制方法電流諧波較少。3.3 控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算將雙閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)方法用于SVG，只需要經(jīng)過為數(shù)不多的幾步簡(jiǎn)單計(jì)算，就可以確定控制器的參數(shù)，特別適合控制器參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)整定。另一特點(diǎn)是在頻域設(shè)計(jì)控制器時(shí)，可以比較方便地將系統(tǒng)中諸如變換器延時(shí)，濾波延時(shí)等小滯后環(huán)節(jié)考慮進(jìn)去。因此，在SVG控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用

5、雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的作用主要是控制三相PWM整流器直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用是要按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。3.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2.2所示,在相坐標(biāo)系VSR(d,q)中，其dq模型可描述為： (3.5) (3.6)式中、電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量的d、q分量、三相VSR交流側(cè)電壓矢量的d、q分量、三相VSR交流側(cè)電流矢量的d、q分量 P微分算子設(shè)dq坐標(biāo)系中q軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量重合，則電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量d軸分量=0。從三相VSR dq模型方程式(3.5)可看出，由于VSR d、q軸變量相互耦合，因而給控制器設(shè)計(jì)造成一定困難。為此，可采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流

6、調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，則、的控制方程如下： （3.7） （3.8）式中 、電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益； 、電流指令值；將式（3.7）（3.8）代入式（3.6），并化簡(jiǎn)得：（3.9）顯然式(3.9)表明：前饋的控制算法式(3.7)和(3.8)使三相VSR電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，由于兩電流內(nèi)環(huán)的對(duì)稱性，因而下面以控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)?？紤]電流內(nèi)環(huán)信號(hào)采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，已解耦的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3.4所示：圖3.4 無擾動(dòng)時(shí)的電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖3.4中，為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期（即亦為PWM開關(guān)周期），為橋路PWM等效增益。為簡(jiǎn)化分析將PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)寫成零點(diǎn)形式

7、，即： (3.10)將小時(shí)間常數(shù)、合并。電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方案有兩種。當(dāng)考慮電流內(nèi)環(huán)需獲得較快的電流跟隨性能時(shí)，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，從圖3.4可看出，只需以PI調(diào)節(jié)器零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)即可，即。校正后，電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (3.11)由典型I型系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系，當(dāng)取系統(tǒng)阻尼比=0.707時(shí)，有： (3.12)求解得： （3.13） （3.14）式（3.13）（3.14）即為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)計(jì)算公式。3.2.2 外環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相VSR直流電壓,故其控制系統(tǒng)整定時(shí),應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能.顯然,可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器,電壓環(huán)的簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)由圖3.5所示：圖3.5 三相VSR電壓環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： (3.15)由此，得電壓環(huán)中頻寬為： （3.16）由典型型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系得： （3.17）綜合考慮電壓環(huán)控制系統(tǒng)的抗擾性及跟隨性，工程上一般取中頻寬，將代入（3.17），計(jì)算得電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為