靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 第卷第期年 月電力自動(dòng)化設(shè)備靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)章勇高，康勇，劉黎明，朱鵬程，劉小圓（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢；華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌）摘要：靜止同步補(bǔ)償器（）的主要功能是支撐節(jié)點(diǎn)電壓，同時(shí)直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定也是裝置安全運(yùn)行的保證。介紹了裝置的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行原理，提出了一種新的控制策略。采用電流前饋環(huán)節(jié)加比例積分（）調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制直流電容電壓，節(jié)點(diǎn)電壓控制采用調(diào)節(jié)和一定的下垂比例因子組成的自動(dòng)電壓調(diào)整控制策略。詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和過程。仿真以及物理模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能夠快速有效地將節(jié)點(diǎn)電壓控制在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，直流電容電壓得到有效控制

2、，證明了控制系統(tǒng)的正確性和控制器設(shè)計(jì)的有效性。關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；雙環(huán)控制；電流前饋控制；下垂特性中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）驗(yàn)裝置和仿真模型中得以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明：能夠快速有效地將節(jié)點(diǎn)電壓控制在允許的范圍內(nèi)，直流電容電壓得到有效的控制，電力系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，說明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是正確而有效的。引言電壓源變換器相對晶閘管變換器具有更加優(yōu)越的性能，使得基于電壓源變換器的靈活交流傳輸系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛，靜止同步補(bǔ)償器（）就是其中的一種。的主要功能是通過向電力系統(tǒng)注入適當(dāng)?shù)母行院腿菪詿o功功率支撐接入點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓，提高電力系統(tǒng)的靈活性、可靠性以及暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)

3、定性。另外，為保證安全運(yùn)行，控制直流電容電壓的穩(wěn)定也是非常必要的。節(jié)點(diǎn)電壓和直流電容電壓的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的大功能，實(shí)現(xiàn)這些功能的控制策略很多，總體而言有大類：一類是智能控制，如魯棒自適應(yīng)控制、體液免疫學(xué)習(xí)控制等；另一類是解耦控制。智能控制能夠解決模型參數(shù)未知情況下的控制問題，充分考慮了裝置的非線性特性，但對裝置研制而言控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為困難。裝置中常采用解耦控制，傳統(tǒng)的解耦控制將節(jié)點(diǎn)電壓維持在指定參考值，這樣必然以降低調(diào)節(jié)速度為代價(jià)，然而在系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況下，允許節(jié)點(diǎn)電壓存在一定波動(dòng)（通常為）。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性，本文提出一種新型雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)控制基礎(chǔ)上，直

4、流電容電壓有功調(diào)節(jié)控制外環(huán)中加入電流前饋，節(jié)點(diǎn)電壓無功調(diào)節(jié)控制外環(huán)中采用自動(dòng)電壓下垂控制。文中介紹了基于三相逆變器的數(shù)學(xué)模型并提出新型雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)，詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法，所有的設(shè)計(jì)參數(shù)在實(shí)收稿日期：；修回日期：的數(shù)學(xué)模型圖所示為接入電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，它的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)三相逆變器，逆變器通過并聯(lián)變壓器接入電網(wǎng)。三相逆變器主電路開關(guān)器件采用和二極管反并聯(lián)，且視為理想開關(guān)，由開關(guān)函數(shù)（、，分別表示三相）反映。、和代表著逆變器的三相輸出電壓，和分別代表濾波電感器和并聯(lián)變壓器的等效電感值和電阻值，表示逆變器直流側(cè)電容值，是裝置直流側(cè)的等效負(fù)載，表示有功損耗。根據(jù)基爾霍夫定律

5、，逆變器的狀態(tài)方程式為! " " " " " " " #$%&! " " " " " " " #$%&（）（） 第期章勇高，等：靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（）其中（上橋臂導(dǎo)通）或（下橋臂導(dǎo)通）；式（）（）（）分別為電壓狀態(tài)方程、直流側(cè)電流方程和直流電壓方程?？紤]三相平衡，根據(jù)變換前后電壓不變的原則，由三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換關(guān)系式如下：! "（），（），（），（），（）定義電網(wǎng)三相電壓、合成矢量為軸，利用式（）變換式（

6、）（）得到：（）（）（）式中為電力傳輸系統(tǒng)的角頻率。圖所示為式（）（）（）構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)模型框圖。的控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)主要通過向接入點(diǎn)吸收或者注入無功功率，穩(wěn)定接入點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓，防止傳輸線路功率因數(shù)下降，避免電力系統(tǒng)由于節(jié)點(diǎn)電壓的深度下陷而崩潰。為使能穩(wěn)定安全運(yùn)行，直流側(cè)必須有一個(gè)固定的直流電壓源，故還必須向電網(wǎng)吸收有功功率以補(bǔ)償線路和開關(guān)損耗。因此，控制系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓和直流側(cè)電容電壓個(gè)功能，通過控制逆變器輸出電流的、分量實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的雙環(huán)解耦控制策略中電流內(nèi)環(huán)和電流外環(huán)均采用控制器，其控制目標(biāo)是將控制量穩(wěn)定在某一個(gè)定值，然而在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，允許接入點(diǎn)的電壓存在一定

7、偏差（通常為）。本文在傳統(tǒng)解耦控制基礎(chǔ)上引入了負(fù)載電流前饋環(huán)節(jié)作為干擾信號調(diào)節(jié)軸電流，以便更好地穩(wěn)定直流電容電壓值，在節(jié)點(diǎn)電壓控制系統(tǒng)的電壓外環(huán)則采用電壓下垂控制，允許節(jié)點(diǎn)電壓在傳輸線路上無功功率發(fā)生變化時(shí)存在一定幅值的波動(dòng)，以提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。圖為改進(jìn)的雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)框圖。圖中直流電容電壓控制系統(tǒng)由電壓外環(huán)（）和電流內(nèi)環(huán)（）構(gòu)成，為提高電容電壓的控制精度和速度，引入負(fù)載電流作為前饋控制共同構(gòu)成軸控制系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)器（）輸出和負(fù)載電流前饋（）作為軸電流指令值。即電流前饋加電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成了直流電容電壓控制系統(tǒng)。其中電容電壓控制器（）和電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)（）都是采用傳統(tǒng)的控制器。節(jié)點(diǎn)電

8、壓控制系統(tǒng)也由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，與傳統(tǒng)的雙環(huán)控制策略不同，電壓外環(huán)采用了電壓下垂的自動(dòng)電壓調(diào)整策略，電壓下垂控制由調(diào)節(jié)和一個(gè)下垂因子組成，電流內(nèi)環(huán)（）采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)電壓調(diào)整策略允許節(jié)點(diǎn)電壓存在一定的幅值波動(dòng)（本文設(shè)計(jì)為），可提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。本文提出的改進(jìn)型雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)不僅具有很好的暫態(tài)性能而且能夠大幅提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖表明控制系統(tǒng)由電流控制器（）、（），電容電壓控制器（），電流反饋控制器（）和直接下垂控制器組成，本節(jié)詳細(xì)探討這些控制器設(shè)計(jì)。電流控制器設(shè)計(jì)圖表明軸和軸電流控制器（）、（）都采用控制，其信號通道相同，統(tǒng)一記為（）。為接近實(shí)際情況，考慮逆變器的延時(shí)

9、和反饋通道的濾波特性，軸電流控制系統(tǒng)見圖。圖中，為電感時(shí)間常數(shù)；表示整流器的放大倍數(shù)；代表變換器的延時(shí)，等于開關(guān)周期的一半；、分別是反饋通道的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)；（）為調(diào)節(jié)器，、分別為調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，。電流控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為 電力自動(dòng)化設(shè)備第卷（）（）（）（）（）令，變換器延時(shí)和時(shí)間常數(shù)很小，用一階慣性系統(tǒng)代替二階環(huán)節(jié)，經(jīng)變換閉環(huán)傳遞函數(shù)（）!，!，二階系統(tǒng)在阻尼比時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間最佳?？捎?jì)算出相應(yīng)的增益，求得電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)和。電容電壓控制器設(shè)計(jì)圖所示為電容電壓控制系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)得到輸入電流與輸出直流電壓之間的傳遞函數(shù)為（）（）式中（）；，表示逆變器的輸入電阻（、分別為逆

10、變器輸入電壓、電流幅值）。（）采用調(diào)節(jié)器，表達(dá)式為（）（）式中（、分別為調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)）。圖中電流閉環(huán)控制器（）使軸電流在暫態(tài)過程中變化很小，即在電容電壓大波動(dòng)以前已完成了調(diào)節(jié)過程。用一階慣性環(huán)節(jié)近似代替二階系統(tǒng)，（）可以表示為（）。電壓控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為（）（）（）（）假設(shè)，則閉環(huán)傳遞函數(shù)為（）（）（）式（）中對于控制系統(tǒng)的暫態(tài)峰值時(shí)間和上升時(shí)間影響很小，可以忽略不計(jì)。則閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫成（）（）! （），!根據(jù)節(jié)方法，同樣可以計(jì)算時(shí)電壓控制器的參數(shù)和。電流前饋控制器設(shè)計(jì)圖所示的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了一個(gè)電流前饋環(huán)節(jié)，其目的是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及避免電壓超調(diào)過大。根據(jù)輸入與輸

11、出功率平衡關(guān)系求得：（）通常情況下，坐標(biāo)變換中。可算出得：）（電流前饋支路中加入了一階濾波環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)取。直接下垂控制器設(shè)計(jì)為提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，允許節(jié)點(diǎn)電壓存在一定的幅值波動(dòng)，節(jié)點(diǎn)電壓控制器不采用直接調(diào)節(jié)而采用自動(dòng)電壓調(diào)整模式（見圖）。為直接下垂因子，根據(jù)系統(tǒng)所需的下垂特性確定，其定義為（）式中為輸出最大容性電流時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓降落；為輸出最大感性電流時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓上升。一階慣性濾波環(huán)節(jié)可提高電壓調(diào)節(jié)的性能指標(biāo)，其時(shí)間常數(shù)（），通常取，為很小或者為。仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)仿真和試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見圖。系統(tǒng)參數(shù)為：額定容量；系統(tǒng)相電壓；電網(wǎng)頻率；傳輸線等效電阻，等效電感；并聯(lián)變壓器變比和連

12、接為；濾波電感的等效電阻，等效電感；直流側(cè)電容；電壓。直流側(cè)電容負(fù)載、模擬系統(tǒng)的有功需求，。傳輸線上負(fù)載模擬系統(tǒng)的無功需求，。逆變器開關(guān)頻率取，直接下垂因子取。根據(jù)第部分控制器的設(shè)計(jì)方法可計(jì)算控制系統(tǒng)參數(shù)為：電流控制器參數(shù)，、；電壓控制器參數(shù)，、；前饋控制器參數(shù)，、；節(jié)點(diǎn)電壓控制器參數(shù)，、 。 第 期章勇高，等：靜止同步補(bǔ)償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析曲線如圖所示。曲線和曲線分別是直流側(cè)電壓（曲線）在和響應(yīng)過程的展寬曲線。本文采用進(jìn)行了建模仿真研究，并在的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)采用實(shí)現(xiàn)空間矢量控制，實(shí)驗(yàn)波形由示波器捕獲（限于篇幅略）。無功功率的階躍響應(yīng)時(shí)開關(guān)閉合，線路負(fù)載由阻性

13、變?yōu)楦行?；時(shí)開關(guān)打開，線路負(fù)載由電感性變?yōu)殡娮栊?。此過程需要向線路注入或吸收一定的無功功率，以穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓水平，仿真波形如圖所示。圖為有和無調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓的仿真比較。無調(diào)節(jié)作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓在時(shí)從直線下降到，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，并且下降是不可恢復(fù)的；有調(diào)節(jié)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓在下降后馬上恢復(fù)到控制水平，降低對電網(wǎng)的沖擊。結(jié)果表明，的調(diào)節(jié)作用顯著而有效。圖是節(jié)點(diǎn)電壓的無功功率階躍響應(yīng)仿真曲線。時(shí)，開關(guān)閉合，一個(gè)電感值為的無功負(fù)載接入傳輸線路中，節(jié)點(diǎn)電壓直線下降然后上升到約；時(shí)，開關(guān)打開，無功負(fù)載解列，節(jié)點(diǎn)電壓又從回復(fù)到。實(shí)驗(yàn)波形表明無功需求消失時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)到約。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)電壓具有約的下垂

14、特性。無功功率階躍變化時(shí)，直流側(cè)電容電壓的響應(yīng)按照系統(tǒng)運(yùn)行分析，直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)主要是由系統(tǒng)的有功需求引起。由于本文的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了負(fù)載電流前饋控制環(huán)節(jié)，使得在無功調(diào)節(jié)時(shí)直流側(cè)電容電壓也存在很小的抖動(dòng)，但無功調(diào)節(jié)的速度可以得到很大提高。直流負(fù)載的階躍變化開關(guān)閉合，直流負(fù)載由突變?yōu)?，必然?dǎo)致直流側(cè)電容電壓的下降，圖所示為直流側(cè)電容電壓在直流側(cè)負(fù)載突增情況下的仿真結(jié)果曲線，其中曲線（）是曲線（）在時(shí)的展寬。從曲線（）可以看出，直流側(cè)電容電壓在一個(gè)很小的短暫下降后恢復(fù)。圖的曲線（）和曲線（）分別是調(diào)節(jié)時(shí)軸和軸電流響應(yīng)的仿真結(jié)果。由圖可見： 電力自動(dòng)化設(shè)備軸電流和直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)有關(guān)，

15、即軸電流主要控制的有功輸出；軸電流和節(jié)點(diǎn)電壓控制有關(guān)，即軸電流主要控制的無功輸出。然而，仿真和實(shí)驗(yàn)波形表明：在直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)過程中軸電流會(huì)出現(xiàn)很小的波動(dòng)，節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)過程中軸電流也會(huì)出現(xiàn)很小的波動(dòng)。其原因是，調(diào)節(jié)軸電流時(shí)，三相逆變器的輸出電流會(huì)發(fā)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致軸電流波動(dòng)，此現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在軸電流調(diào)節(jié)過程中。第卷說明了電流前饋加調(diào)節(jié)以及自動(dòng)電壓下垂調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)是正確而有效的。進(jìn)一步的工作是在已經(jīng)研制的實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上研制統(tǒng)一潮流控制器的實(shí)驗(yàn)室物理模型。參考文獻(xiàn)：，：，結(jié)論本文詳細(xì)介紹了三相逆變器的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行原理，提出了直流側(cè)電容電壓采用電流前饋加環(huán)的控制系統(tǒng)以及節(jié)點(diǎn)電壓采用直接電壓下垂控制系統(tǒng)的控制策略。這種新型雙環(huán)控制系統(tǒng)包括了電流控制器、直流電容電壓控制器、前饋控制器及直接下垂控制器，文中詳細(xì)地探討了這個(gè)控制器的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果證明：有功調(diào)節(jié)中的電流前饋控制器和節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)中的下垂控制特性大幅縮短了調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程時(shí)間，提高了系統(tǒng)