级联型无功补偿器的电流控制器设计*

陈晶晶 李志新

(1.国家电网荆州市荆州地区供电公司 荆州 434100)(2.海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

级联型无功补偿器的电流控制器设计*

陈晶晶1李志新2

(1.国家电网荆州市荆州地区供电公司 荆州 434100)(2.海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

论文在分析基于级联多电平逆变器的静止无功补偿器的电流控制器基本原理的基础上,设计了单纯比例积分控制和比例加重复复合控制两种电流控制器,对比两种控制器作用时补偿器对电流指令的跟踪性能,发现比例加重复复合控制在保证系统动态响应特性的情况下明显改善了系统的稳态性能,最后通过仿真证明了该结论。

级联多电平; 静止无功补偿; 电流控制器

Class Number TM46

1 引言

静止无功补偿器(STATCOM,以下简称补偿器)与传统的电能质量调节技术相比具有承压高、容量大、反应快、精度好、补偿方式灵活的特点。级联型多电平逆变器早在上世纪70年代就提出了,但是直到上世纪末才引起人们的重视[1～3],采用级联型逆变器的STATCOM可以通过链节数的扩展来达到很高的电压等级,这样就可以在无需升压变压器的情况下直接与中高压系统并网运行,且由于每个链节都具有相同的结构和参数,因此易于实现补偿器的模块化设计、生产和封装[4],另外,对于三角型连接的级联型多电平逆变器,三相完全独立,可以实现分相控制,将其用于STATCOM主电路,可为补偿器进行三相不平衡补偿带来便利[5～7],所以采用级联型多电平逆变器作为STATCOM的主电路有着诸多优点。

每相由三个H桥级联的级联型STATCOM主电路结构如图1所示,采用三角形连接,输入为系统线电压。图中,vsa、vsb、vsc分别为系统三相相电压,isab、isbc、isca分别为补偿器三相相电流,规定电流参考方向为系统流向补偿器,如图1所示。

图1 级联型STATCOM主电路结构图

2 级联型STATCOM电流控制原理

STATCOM的主要功能是精确输出系统所需要的无功以达到补偿系统无功的目的。一般情况下,系统电压是保持恒定不变的,于是对无功功率的控制就转化为对无功电流的控制,因此电流控制是目前STATCOM研究的重点内容。如何实现通过无功电流指令值来调节STATCOM,使其输出系统所需的真实无功电流,就是电流的具体控制方法,通常分为直接电流控制和间接电流控制[8]。本文讨论基于瞬时值的直接电流控制。事实上,为了补偿补偿器的有功消耗以维持直流电容电压的稳定,补偿器与系统之间还有有功电流流过,因此,直接电流控制和间接电流控制是对总电流的控制。

图2 基于电流瞬时值的直接电流控制系统框图

电流控制器GI(z)的性能很大程度上决定了级联型STATCOM的补偿性能。相比于模拟控制器,数字控制器虽然响应速度较慢,但其强大的信息处理能力使得复杂的控制算法不再难以实现,受环境的影响很小,不会出现元器件老化和参数飘移的问题[5]。但数字控制系统的缺点也是不容忽视的,对于STATCOM的数字化电流控制器来说零阶保持器和采样、计算延时对系统的性能有显著影响[5,9],因此在设计数字控制器时,应考虑在被控对象模型中加入零阶保持器和一拍滞后的模型,如图3所示。

图3 考虑零阶保持器和一拍延时的电流控制系统框图

图中,e-Ts代表一拍延时,Gh0(s)和G(s)分别为零阶保持器和被空对象,其传递函数为

(1)

(2)

其中,T为采样周期,与开关周期相等;L和R分别是STATCOM交流侧连接电抗和串联等效电阻,D(s)为电流控制器。

3 数字比例积分(PI)控制器设计

数字控制器设计方法分为连续域离散化设计和直接离散域设计。对于前者来说,其设计思想是先在连续域中设计出控制规律,而后将它离散化,但是当采样频率较低时,系统离散后的等效性会明显下降,影响系统的控制精度。而后者是直接在离散域下设计控制器,不会产生离散化误差。本文采用直接离散域设计法进行电流控制器设计。图4为采用PI控制器的电流数字控制系统框图。

图4 采用PI控制器的电流数字控制系统框图

先将控制对象离散化,考虑零阶保持器后,待校正系统的开环脉冲传递函数为

GP(z)=Z(Gh0(s)G(s))

(3)

考虑一拍延时后,开环传函应为

(4)

取T=1/6000s,L=8×10-3H,R=0.45Ω,得系统校正前、校正后的闭环频率特性曲线,如图5和图6所示。

图5 待校正系统闭环频率特性曲线

图6 校正后系统闭环频率特性曲线

从图5可以看出,在PI控制器校正之前,系统对低频输入都有较大的幅值衰减和相角滞后。STATCOM补偿器的输出主要是基波无功电流,在50Hz处不能满足对指令电流的精确跟踪。

校正后系统闭环频率特性曲线如图6所示,在50Hz处虽然存在一定的相角滞后,但较校正前已得到很大改善,系统能够较为精确地跟踪频率为50Hz的无功电流指令。

虽然校正后系统能够较精确地跟踪,PI控制器无法消除静差,影响了STATCOM补偿器的补偿性能[9]。

4 基于比例控制和重复控制的复合控制器设计

根据前一节的分析可知,在PI控制器校正后系统虽然能够较精确地跟踪指令电流,但无法消除静差。基于内模原理的重复控制,虽然动态响应不够迅速,但是可以实现对指令信号的精确跟踪。在PI控制器的基础上加入重复控制器,这样既能保证系统良好的动态响应速度,又能提高系统的稳态性能。当系统进入稳态后,重复控制器对系统历史误差进行累加以加强对系统的控制;而一旦系统出现较大的扰动,误差变大,PI控制器将对突然变大的误差做出迅速的反应,使误差逐渐变小,直到进入稳态。由于PI控制器中的P参数对系统的动态响应速度起主要作用,因此可以考虑去掉PI控制器中的I环节,引用单P控制器和重复控制器组成复合控制器,以简化控制器的设计。

图7 比例加重复复合控制系统框图

基于比例控制和重复控制的复合控制系统框图如图7所示。图中,数字控制器部分的z-1代表采样和计算造成的延时,GP(z)为考虑零阶保持器影响的被控对象模型。重复控制器RP(z)的组成部分有:z-N,周期延迟环节,实现超前环节;Q(z),将对误差的纯积分改成准积分,减弱积分效果,通常设计成小于1的常数;S(z),改善控制对象的频率特性,为补偿环节;zk,补偿改造后控制对象的相位滞后;kr,重复控制增益,维持系统稳定性。

图8 重复控制对象

根据文献[9],复合控制系统中,重复控制的对象可视为图8所示含有比例控制器环节的反馈通道子系统。因此,重复控制被控对象的传递函数为

(5)

图1所示STATCOM补偿器每相三个H桥级联,采用单极倍频载波移相调制,基波频率为50Hz,要彻底消除稳态误差,必须满足Q(z)=1,要想保证系统的稳定性,Q(z)又必须小于1,所以需综合考虑稳态误差和系统稳定性;为了保证系统在中高频段的稳定性,可以设定重复控制器的增益kr,一般增益越小,系统的稳定性越好,但是收敛速度和稳态误差会随之上升,一般通过实验选取,在保证重复控制系统稳定性的情况下,尽可能接近于1。

由式(5)可绘出重复控制对象频率特性曲线,如图9所示,在比例控制器作用下,系统在低频段的幅值增益基本不变,而相位稍有滞后,因此只需设计合适的S(z)和zk使补偿后系统对50Hz信号的幅值增益为单位增益,相位滞后为0°即可,系统频率特性如图10所示。

图9 重复控制对象频率特性

图10 重复控制器补偿后系统频率特性

如图10所示,在50Hz处,相角滞后,较由PI控制器校正后系统的相角滞后小,而幅值增益基本为0dB。可以看出,相比于比例积分控制,比例控制加重复控制的复合控制对改善系统的稳态特性有明显的优越性。

5 电流控制系统仿真

在Matlab-Simulink环境中建立离散域下控制系统模型,对级联式STATCOM的电流控制进行了仿真。如图11所示是感性工况时,STATCOM补偿器三相相电流。图中Vsa是系统A相电压,Isa滞后Vsa90°,Isb,Isc分别滞后和超前Isa120°。此时,补偿器对于系统来说相当于一个感性负载,这说明该仿真模型是能够实现STATCOM补偿器基本功能的。

图11 感性工况时补偿器三相电流波形

图12 复合控制作用下系统对指令电流跟踪情况

图13 复合控制作用下指令电流突变时补偿器反应

图12为比例加重复复合控制时,系统对指令电流的跟踪情况。可见,输出电流波形明显改善,相位滞后也明显减小,电流误差Ierror最大瞬时值很小。图中输出电流仍然略微滞后指令电流,这是因为系统必须向系统提供少量有功功率来补偿补偿器内部的有功损耗,以维持补偿器直流电容电压稳定。

图13给出了指令电流由感性变为容性时,补偿器输出电流变化情况。从图中可以看出,系统用很短的时间便完成了对指令电流的跟踪,说明复合控制下系统拥有良好的动态响应特性。

6 结语

本文从STATCOM基于瞬时值的直接电流控制原理出发,设计了比例积分控制和比例加重复复合控制两种电流控制器参数,详细对比了两种控制器作用下补偿器对电流指令的跟踪性能。仿真研究结果证明,基于比例控制和重复控制的复合控制器在保证系统动态响应特性的情况下明显改善了系统的稳态性能。

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Design of Current Controller for Cascaded STATCOM

CHEN Jingjing1LI Zhixin2

(1. State Grid Jingzhou City Jingzhou District Power Supply Company, Jingzhou 434100) (2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The basic principle of current controller for STATCOM which is based on cascaded multilevel inverter has been anlyzed firstly in this paper. Then two kinds of current controller were designed, including the controller only based on PI control method, and the proportional and repetitive controller based on composite control method. The current command tracking performances of the STATCOM was compared when the two kinds current controller were applied separately. The results demonstrated that the proportional and repetitive controller based composite control method could not only ensure the dynamic performances but also improve the steady-state performances, which have been proved by simulation.

cascaded multilevel, STATCOM, current controller

2013年8月3日,

2013年9月25日

陈晶晶,男,硕士,助理工程师,研究方向:电能质量控制。李志新,男,硕士,讲师,研究方向:电工理论与新技术。

TM46

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.043