H橋串聯(lián)型靜止無功發(fā)生器的多目標(biāo)電流跟蹤控制策略的研究與設(shè)計(jì)

1、H橋串聯(lián)型靜止無功發(fā)生器的多目標(biāo)電流跟蹤控制策略的研究與設(shè)計(jì)摘要-本文介紹了一種H橋串聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）改進(jìn)的電流跟蹤控制策略。這種控制策略不僅可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和電能質(zhì)量，而且還提高了電網(wǎng)的可靠性。分析了無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，建立H橋串聯(lián)型SVG的數(shù)學(xué)模型，模型離散為離散數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建離散時(shí)間靜態(tài)觀測器，提出了一種改進(jìn)的死區(qū)電流控制策略。通過比較死區(qū)控制和電流前饋耦合控制，這種死區(qū)控制具有多目標(biāo)的特點(diǎn)。通過測試2mvar 10KV無功補(bǔ)償系統(tǒng)，檢測出了死區(qū)電流跟蹤控制的優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能有效改善波形的動(dòng)態(tài)特性和正弦度。I.引言綠色電力已引起越來越多的關(guān)注，電能質(zhì)

2、量越來越大。由于大量的非線性負(fù)載和終端，電能質(zhì)量不能滿足要求。為了提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)的功率，主要途徑是采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置和有源電力濾波器。所有的措施中，級聯(lián)H橋SVG已成為主流，對它的研究受到了廣泛的關(guān)注和討論。SVG的特點(diǎn)是總損失低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，低諧波電流，儲能裝置小和低成本。級聯(lián)H橋SVG的優(yōu)點(diǎn)是模塊化結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的水平是需要改變的，它可以通過增加功率單元串聯(lián)連接到每個(gè)階段完成相同的號碼。由于其模塊化的設(shè)計(jì)，級聯(lián)H橋SVG實(shí)現(xiàn)更好的安裝能力和可維護(hù)性。此外，相同數(shù)量的水平輸出時(shí)，級聯(lián)H橋SVG保留更少的元件，更少的諧波電流，而且成本比其他方法低。電流控制策略是決定SVG的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

3、性能的關(guān)鍵。對SVG的電流控制方式包括三角波比較，滯環(huán)控制，電流前饋解耦控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制系統(tǒng)、節(jié)奏控制和無差拍控制。由于系統(tǒng)的控制目標(biāo)是不同的，將有不同的方法混合，為一個(gè)互補(bǔ)的優(yōu)勢，并提出了一些復(fù)雜的控制方法。三角波比較控制策略中有相位角誤差。雖然滯環(huán)控制具有更好的動(dòng)態(tài)性能，但其在開關(guān)頻率范圍已成為最大的障礙在級聯(lián)H橋拓?fù)涞膽?yīng)用。然而，比例調(diào)節(jié)器的延遲是三角波比較控制和滯環(huán)控制的共同缺點(diǎn)。不同電路參數(shù)的影響帶來的問題是不正確的控制。電流前饋解耦控制在抑制諧波的過程中會使動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。魯棒性和快速響應(yīng)是滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)，但在補(bǔ)償后的電源電流會

4、包含高次諧波。無差拍控制可以結(jié)合載波移相脈寬調(diào)制(CPS-PWM)技術(shù)在H橋級聯(lián)型SVG的應(yīng)用。它使整個(gè)系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和確認(rèn)的頻率。死區(qū)控制是一種數(shù)學(xué)控制策略，其跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。在參考文獻(xiàn)3中，作者設(shè)計(jì)了一種新的死區(qū)控制策略，它可以與模型預(yù)測控制相結(jié)合。這種控制可以實(shí)現(xiàn)在SVG系統(tǒng)的平衡直流電容器。它也可以減少開關(guān)損耗，使系統(tǒng)具有很寬的帶寬。控制的計(jì)算簡單。在參考文獻(xiàn)13中，新的輸出變量被收購的切換期間的中間瞬時(shí)采樣，并通過它的觀察者的錯(cuò)誤被糾正。該方法消除了時(shí)間延遲的影響不僅使穩(wěn)定性提高也無差拍控制在電流環(huán)的充分實(shí)現(xiàn)。但控制策略復(fù)雜，計(jì)算量更大。在參考文獻(xiàn)14中，該方法采用重

5、復(fù)控制來預(yù)測下一個(gè)控制周期中的平均網(wǎng)格電壓，以提供優(yōu)良的動(dòng)態(tài)控制。該控制條件是在電網(wǎng)電壓畸變下。但在本文中不考慮網(wǎng)格電壓的失真。在參考文獻(xiàn)17中，這個(gè)死區(qū)控制不能受源電壓的失真的影響。但這種控制影響的開關(guān)頻率高。如果頻率很低，電流波形的影響就不好。本文提出了一種新型的基于瞬時(shí)功率理論的死區(qū)控制。首先，對無功補(bǔ)償原理進(jìn)行了分析。由級聯(lián)H橋的數(shù)學(xué)模型。然后，它是離散的數(shù)學(xué)。推導(dǎo)出一種新的死區(qū)控制策略。該控制可以使補(bǔ)償電流跟蹤當(dāng)前的命令?？刂菩Ч粫绊懺措妷旱氖д?。真正的總諧波失真很小，準(zhǔn)確度高。它也可以減少總損失。由于耦合電路參數(shù)的耦合，在基礎(chǔ)上增加了預(yù)測因子對基本死區(qū)控制策略的影響，避免了參數(shù)

6、的影響。仿真和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的控制策略的代表。它的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能良好。 II.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示，為H橋串聯(lián)型SVG系統(tǒng)框圖。Usa, Usb 和Usc是電網(wǎng)的三相電壓。isa， isb和 isc是電網(wǎng)的三相電流。系統(tǒng)的負(fù)載通常是非線性的。iLa， iLb和 iLc是負(fù)載的三相電流。串聯(lián)H橋SVG通過電感L并聯(lián)到電網(wǎng)上。R是SVG等效損耗電阻。每相串聯(lián)著N個(gè)H橋。從圖1 可以看出電力單元Ha1的輸出連接Ha2的輸入。電網(wǎng)是星型連接。N是三相SVG的公共連接點(diǎn)。每個(gè)H橋由四個(gè)IGBT V1 ，V2， V3 ，V4和一個(gè)圖1. H橋串聯(lián)型SVG系統(tǒng)框圖電容器C組成。V dc是直流電容電壓。i

7、ca， icb， icc是SVG的三相電流。uca ，uca， uca是SVG的三相電壓。usk，isk， iLk ，Vdc是縮寫形式。無功功率的瞬時(shí)電流是基于瞬時(shí)功率理論檢測的。SVG的控制電路包含兩環(huán)。內(nèi)環(huán)是電流控制回路。外環(huán)為電壓控制回路。該系統(tǒng)采用載波相移調(diào)制方式。ica , i cb , i cc等于負(fù)載的無功電流的大小。ica , i cb , i cc與負(fù)載的無功電流方向相反。所以SVG能動(dòng)態(tài)高效地對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，SVG系統(tǒng)的微分方程如下：假設(shè)SVG轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：H是變流器的調(diào)制比。是電網(wǎng)的源電壓和SVG輸出電壓之間的夾角。在能量關(guān)系方程中，考慮（

8、1）和（2），推導(dǎo)出SVG在三相坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。將推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型變化到d-q坐標(biāo)系得到（3）。 III. 前饋解耦控制策略 SVG是一種解耦系統(tǒng)。SVG輸出電壓的變化會影響SVG的補(bǔ)償電流。d-q坐標(biāo)系的系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)該解耦。本文提出的前饋解耦控制原理是將有功功率電流和無功電流解耦為id , iq 。這些電流被分別控制。id是確定SVG直流側(cè)電容電壓的有效部分。iq是流動(dòng)于SVG與電網(wǎng)之間的無功電流分量。在本文中，對經(jīng)典的前饋解耦電流控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，增加了阻力系數(shù)，使控制性能更好。圖2是一種前饋解耦電流控制框圖。 圖2. 一種新型前饋解耦電流控制的框圖。圖2表示該系統(tǒng)的兩個(gè)控制環(huán)，分別是外

9、部電壓環(huán)和內(nèi)部電流環(huán)。電壓環(huán)控制直流電容電壓?？偟闹绷麟娙蓦妷簎dc_ref和實(shí)際電容電壓udc之間的參考值差異是PI_1控制器的輸入。PI控制器的輸出電流是有功電流的參考值。SVG的三相電流通過d-q變換轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)電流id和iq。然后指令與它們的瞬時(shí)電流值分別進(jìn)行比較。指令和瞬時(shí)電流的差異是PI_2或PI_3的輸入。由于電流id或iq這個(gè)差異被加在電感的解耦電壓中。為了提高控制精度，阻力系數(shù)被加PI_2或PI_3的輸入中。然后通過兩個(gè)加法器計(jì)算SVG輸出電壓指令ud-ref，uq-ref。兩個(gè)參考電壓逆變?yōu)槿嚯妷旱膮⒖贾祏a_ref，ub_ref，uc_ref。這些信號轉(zhuǎn)換成PWM控制信號

10、驅(qū)動(dòng)SVG的電源開關(guān)。該解耦電流控制存在一個(gè)問題，即有三個(gè)電壓控制器和一個(gè)直流電壓控制器。這會影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度。SVG輸出電流隨著電流命令緩慢變化。電壓環(huán)和電流環(huán)之間的PI參數(shù)相互影響。在d-q坐標(biāo)系下的解耦是部分的。如果d-q坐標(biāo)系統(tǒng)完全解耦，系統(tǒng)不可能穩(wěn)定。在第五節(jié)中展示了去耦電流控制的仿真和實(shí)驗(yàn)。本文這節(jié)中描述了一種利用新型死區(qū)控制的解耦電流控制。 IV一種新型的死區(qū)電流控制策略死區(qū)的原理是，SVG的三相參考電壓通過電壓回路方程與電流誤差計(jì)算得到。然后1KHz三角載波通過各相的調(diào)制比的產(chǎn)生。通過在d-q坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)化（3），控制電壓矩陣方程如下：id , iq是SVG在d-q坐標(biāo)系下的瞬

11、時(shí)補(bǔ)償電流。ud，uq為SVG電壓有功分量和無功分量。udref，uqref是電網(wǎng)電壓命令。從（4）推導(dǎo)出的離散方程如下：在KT時(shí)刻的SVG輸出電壓指令是由采樣i(kT) , u(kT) , i(k +1)T計(jì)算得到。由于數(shù)學(xué)控制，死區(qū)電流控制有數(shù)學(xué)系統(tǒng)滯后。電壓指令計(jì)算的時(shí)刻，實(shí)際上是一個(gè)開關(guān)周期的采樣時(shí)刻。因此電壓指令（K + 1）t時(shí)刻通過采樣電壓在KT時(shí)刻計(jì)算。然后（5）推導(dǎo)出為（6）。構(gòu)建離散狀態(tài)觀測器。KT的電流采樣是用來預(yù)測當(dāng)前在命令(k +1)T。方程（1）轉(zhuǎn)化為（7）顯示如下：方程（7）是由dq變換在dq坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)過程如下：根據(jù)d-q變換的定義，（8）變?yōu)椋?）。方

12、程（9）變?yōu)椋?0）。根據(jù)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的離散方法，方程（10）是離散的（11）。方程（11）變?yōu)镾VG的離散數(shù)學(xué)模型。SVG輸出電流設(shè)置為狀態(tài)變量。所以，SVG的離散時(shí)間的數(shù)學(xué)模型如下：比較（12）和（13），得到（14）?；赟VG的狀態(tài)可控性，建立離散時(shí)間狀態(tài)觀測。將等式（13）拖進(jìn)等式（15）。在（16）式，x(kT)是離散狀態(tài)觀測器的狀態(tài)變量。y(kT)是觀察輸出變量。I是該觀測器的誤差反饋矩陣。設(shè)E(kT) = y(kT) -y(kT)予以總結(jié)，觀察者的誤差反饋矩陣。根據(jù)線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論，預(yù)測誤差為零，（17）為如下：I = G(T) （17）SVG的電壓方程： 在經(jīng)典的死區(qū)電流

13、控制中加入死區(qū)控制的預(yù)測因子。通過許多模擬實(shí)現(xiàn)理想的因素。u(k+1)T是(k+1)T時(shí)刻的電壓指令。T是開關(guān)時(shí)間。i(k+1)T是在(k+1)T時(shí)刻的瞬時(shí)電流指令。i(k -1)T是在(k -1)T時(shí)刻的電流。u(k -0.5)T是(k -1)T 和 kT中間時(shí)刻的瞬時(shí)電壓。u(kT)是kT時(shí)刻的電壓。u(k + 0.5)T是kT 和(k+1)T中間時(shí)刻的瞬時(shí)參考電壓。離散狀態(tài)觀測器在電流環(huán)中的死區(qū)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3. 離散狀態(tài)觀測器的死區(qū)控制結(jié)構(gòu)在經(jīng)典的死區(qū)電流控制的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了死區(qū)控制。它可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。它使無功電流很好地跟蹤電流指令。死亡節(jié)拍控制的另一個(gè)目標(biāo)是減少轉(zhuǎn)換器的

14、損失。在試驗(yàn)中，通過控制降低THD。此外，無差拍控制使SVG是一個(gè)寬的帶寬。最重要的是這個(gè)控制只關(guān)心當(dāng)前的采樣值。這提高了動(dòng)態(tài)性能。也可以縮短計(jì)算時(shí)間和計(jì)算時(shí)間。 V仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在MATLAB中的仿真條件下建立SVG仿真模型，檢定校正和驗(yàn)證高性能控制方法。仿真參數(shù)如下。在每一個(gè)階段有三個(gè)H橋功率單元。電網(wǎng)頻率為50Hz。總功率單元直流參考電壓350V。等效損耗電阻是5。A. 解耦電流控制仿真為了驗(yàn)證改進(jìn)的解耦電流控制策略，系統(tǒng)的負(fù)載是有功負(fù)載和無功負(fù)載。 圖4.實(shí)際的有功電流和SVG的有功電流指令電流解耦控制波形。圖4表示實(shí)際有功電流和SVG的有功電流指令電流解耦控制。圖4顯示出id是小波動(dòng)

15、。在1.5s后的瞬時(shí)有功電流很好地遵循電流命令。調(diào)整時(shí)間比死區(qū)控制在本文中的時(shí)間更長。圖5表示實(shí)際的無功電流和SVG無功電流命令中的波形電流解耦控制。要反映的性能，以下的反應(yīng)性命令的負(fù)載條件變化是模擬。 圖5.仿真結(jié)果表示在電流解耦控制SVG動(dòng)態(tài)過程的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)時(shí)間為00.3s，負(fù)載的有功功率為100kW。工作頻率為50Hz。當(dāng)時(shí)間為0.3s到1s，有功負(fù)荷500kW和容性無功功率是300Kvar。即使負(fù)載變化很快，該反應(yīng)電流也遵循該命令。調(diào)整時(shí)間很短。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)的誤差可以接受。 圖6. 在電流解耦控制SVG實(shí)際三相電流和電流之間的誤差波形。圖6表示SVG實(shí)際三相電流和電流指令之間的

16、誤差電流解耦控制。誤差穩(wěn)定在一個(gè)較小的誤差帶后1.85s。穩(wěn)態(tài)電流誤差是可以接受的。但是動(dòng)態(tài)速度很慢。這使得補(bǔ)償電流不能按照當(dāng)前的命令。B. 死區(qū)電流控制在相同的系統(tǒng)條件下，模擬了死區(qū)的電流控制。圖6表示實(shí)際有功電流遵循有功電流指令。 圖7. 實(shí)際的有功電流和SVG的無差拍電流控制有功電流指令的波形。圖7表示0.23s后瞬時(shí)有功電流遵循當(dāng)前的命令。這一調(diào)整時(shí)間比電流的解耦控制非常短。恒流控制的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于解耦控制。 圖8. 補(bǔ)償前的一個(gè)相位的柵極電壓和電流。 圖9. 死區(qū)電流控制補(bǔ)償后的相位補(bǔ)償電流。 圖10. 在無差拍電流控制電流的FFT分析和THD。圖8顯示電壓和電流之間的相位差異大。電流

17、的相位延遲了電壓的相位。圖9顯示無差拍電流控制補(bǔ)償后電網(wǎng)電壓和相電流。圖10顯示無差拍電流控制電流的FFT分析和THD。電網(wǎng)電壓和電流之間幾乎沒有相位誤差。諧波分量明顯減小?？傊C波失真是下降4.21%到1.88%。C. 對SVG電流的比較試驗(yàn) 為了驗(yàn)證本文提出的控制校正，10kV SVG的實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)造。實(shí)驗(yàn)條件如下。在每一個(gè)階段有10個(gè)H橋功率單元。而且有2個(gè)冗余電源單元。電網(wǎng)頻率為50Hz。直流參考電壓1500V。 圖11. 沒有無差拍電流控制SVG輸出電流的試驗(yàn)。 圖12. 在無差拍電流控制SVG輸出電流的試驗(yàn)。圖11表示SVG輸出電流波形無無差拍電流控制。圖12顯示無差拍電流控制SVG

18、輸出電流波形。三個(gè)相的波形是一個(gè)相位，相位和相位的電流。通過比較圖和圖，輸出電流的諧波分量明顯減少和正弦水平的提高。在本文中所描述的死區(qū)電流控制的補(bǔ)償電流可以按照當(dāng)前的命令。 圖13. SVG無功電流的試驗(yàn)，補(bǔ)償電流和剩余電流無靜差拍電流控制。圖14. 在無差拍電流控制SVG無功電流實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建高性能負(fù)載高功率雙拖網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證無差拍電流控制的有效性。有兩個(gè)SVG，一個(gè)SVG產(chǎn)生大量的無功功率，另一個(gè)SVG補(bǔ)償使電網(wǎng)避免污染。圖13顯示的無功電流，補(bǔ)償電流與電網(wǎng)剩余電流無靜差拍電流控制。圖14顯示了這三個(gè)電流的無差拍控制。比較圖13與圖14表明無功補(bǔ)償誤差很小。補(bǔ)償電流與無功電流相位重合。諧波分量很

19、低。正弦水平好。THD的無功電流從4.32%降低到1.86%。 VI結(jié)論為了提高恒流控制的動(dòng)態(tài)性能，抑制輸出電流的諧波，增加了預(yù)測因子，并建立了離散狀態(tài)觀測器，對經(jīng)典的恒流控制進(jìn)行了改進(jìn)。這種控制策略可以使SVG實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。瞬時(shí)無功電流遵循電流指令。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該死區(qū)控制具有很高的性能。 參考文獻(xiàn)1 G. R. Zhang, Z.X. Shao, L. Chen, “Deadbeat control strategy of shuntactive power filter based on repetitive predictor theory,” Transactions oft

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