雙閉環(huán)控制器設計方法

1、 電流的直接控制電流直接控制，就是采用跟蹤型的PWM控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制，可以采用滯緩比較方式，也可采用三角波比較方式，進行電流的直接控制。采用PWM技術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速度和控制精度，但它要求開關頻率高，因為大功率器件很難以高開關頻率運行，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合。但從目前世界上運行的無功補償器的情況看來，電流直接控制在中、大容量系統(tǒng)也有應用。日本新農用于輸電80Mvar的SVG和日本神戶用于鋼廠負荷補償20Mvar的SVG均采用了電

2、流直接控制方式。前者在電網(wǎng)嚴重不對稱，甚至短路時仍可照常工作;后者對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)有兩種基本結構：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構如圖3.2所示，采用了dq軸下的瞬時控制系統(tǒng)。SVG發(fā)出的電流瞬時值經(jīng)dq0坐標變換變?yōu)?，與有功電流、無功電流參考值作比較后，經(jīng)PI調節(jié)器所得值，再經(jīng)dq0反變換，得到三相電壓信號，進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電壓參考值與直流側電容電壓反饋值比較后經(jīng)PI調節(jié)器得到。由于參考值和，和反饋值在穩(wěn)態(tài)時均為直流信號，因此通

3、過PI調節(jié)器可以實現(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實際上相當于一個受控電流源。由于受電力半導體器件開關頻率限制，這種控制方法對較小容量SVG比較適用。還有一種電流直接控制方法為空間矢量調制控制方法，其原理可參考相關文獻，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。通過對比我們可以得出如下結論：(1)電流的間接控制方法相對簡單，技術相對成熟，但間接控制與直接控制相比，控

4、制精度較低，電流響應速度較慢。(2)電流直接控制法對電力半導體器件的開關頻率要求高，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可采用多個變流器多重化聯(lián)結、多電平技術或PWM控制技術來減小諧波。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)計算將雙閉環(huán)控制器設計方法用于SVG，只需要經(jīng)過為數(shù)不多的幾步簡單計算，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)場整定。另一特點是在頻域設計控制器時，可以比較方便地將系統(tǒng)中諸如變換器延時，濾波延時等小滯后環(huán)節(jié)考慮進去。因此，在SVG控制系統(tǒng)設計中，一般采用雙環(huán)控制，即

5、電壓外環(huán)和電流內環(huán)。電壓外環(huán)的作用主要是控制三相PWM整流器直流側電壓，而電流內環(huán)的作用是要按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制。 電流內環(huán)控制系統(tǒng)設計如圖2.2所示,在相坐標系VSR(d,q)中，其dq模型可描述為： (3.5) (3.6)式中、電網(wǎng)電動勢矢量的d、q分量、三相VSR交流側電壓矢量的d、q分量、三相VSR交流側電流矢量的d、q分量 P微分算子設dq坐標系中q軸與電網(wǎng)電動勢矢量重合，則電網(wǎng)電動勢矢量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，因而給控制器設計造成一定困難。為此，可采用前饋解耦控制策略，當電流調節(jié)器采用PI調節(jié)器時

6、，則、的控制方程如下： （3.7） （3.8）式中 、電流內環(huán)比例調節(jié)增益和積分調節(jié)增益； 、電流指令值；將式（3.7）（3.8）代入式（3.6），并化簡得：（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電流內環(huán)實現(xiàn)了解耦控制，由于兩電流內環(huán)的對稱性，因而下面以控制為例討論電流調節(jié)器的設計?？紤]電流內環(huán)信號采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，已解耦的電流內環(huán)結構如圖3.4所示：圖3.4 無擾動時的電流內環(huán)簡化結構圖3.4中，為電流內環(huán)電流采樣周期（即亦為PWM開關周期），為橋路PWM等效增益。為簡化分析將PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)寫成零點形式，即： (3.10)將

7、小時間常數(shù)、合并。電流調節(jié)器設計方案有兩種。當考慮電流內環(huán)需獲得較快的電流跟隨性能時，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器，從圖3.4可看出，只需以PI調節(jié)器零點抵消電流控制對象傳遞函數(shù)的極點即可，即。校正后，電流內環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (3.11)由典型I型系統(tǒng)參數(shù)整定關系，當取系統(tǒng)阻尼比=0.707時，有： (3.12)求解得： （3.13） （3.14）式（3.13）（3.14）即為電流內環(huán)PI調節(jié)器控制參數(shù)計算公式。 外環(huán)控制系統(tǒng)的設計由于電壓外環(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,應著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能.顯然,可按典型型系統(tǒng)設計電壓調節(jié)器,電壓環(huán)的簡化控制結構由圖3.5所示：圖3.5 三相VSR電壓環(huán)簡化結構得電壓環(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），計算得電壓環(huán)PI調節(jié)器參數(shù)