靜止同步補償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設計

1、 第卷第期年 月電力自動化設備靜止同步補償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設計章勇高，康勇，劉黎明，朱鵬程，劉小圓（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢；華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌）摘要：靜止同步補償器（）的主要功能是支撐節(jié)點電壓，同時直流側電容電壓穩(wěn)定也是裝置安全運行的保證。介紹了裝置的數(shù)學模型和運行原理，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（）調節(jié)系統(tǒng)控制直流電容電壓，節(jié)點電壓控制采用調節(jié)和一定的下垂比例因子組成的自動電壓調整控制策略。詳細探討了控制系統(tǒng)的設計方法和過程。仿真以及物理模型的實驗結果表明，能夠快速有效地將節(jié)點電壓控制在允許的范圍內波動，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計的有效性。關鍵詞：靜止同步補償器；雙環(huán)控制；電流前饋控制；下垂特性中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）驗裝置和仿真模型中得以驗證。實驗和仿真結果表明：能夠快速有效地將節(jié)點電壓控制在允許的范圍內，直流電容電壓得到有效的控制，電力系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，說明控制系統(tǒng)的設計是正確而有效的。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)中的應用更加廣泛，靜止同步補償器（）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?shù)母行院腿菪詿o功功率支撐接入點的節(jié)點電壓，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，為保證安全運行，控制直流電容電壓的穩(wěn)定也是非常必要的。節(jié)點電壓和直流電容電壓的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的大功能，實現(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，如魯棒自適應控制、體液免疫學習控制等；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)點電壓維持在指定參考值，這樣必然以降低調節(jié)速度為代價，然而在系統(tǒng)的正常運行情況下，允許節(jié)點電壓存在一定波動（通常為）。為加快系統(tǒng)響應速度，提高系統(tǒng)動態(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)控制基礎上，直

4、流電容電壓有功調節(jié)控制外環(huán)中加入電流前饋，節(jié)點電壓無功調節(jié)控制外環(huán)中采用自動電壓下垂控制。文中介紹了基于三相逆變器的數(shù)學模型并提出新型雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)，詳細探討了控制系統(tǒng)的參數(shù)設計過程和設計方法，所有的設計參數(shù)在實收稿日期：；修回日期：的數(shù)學模型圖所示為接入電力系統(tǒng)的基本結構圖，它的核心結構是一個三相逆變器，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器件采用和二極管反并聯(lián)，且視為理想開關，由開關函數(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，表示逆變器直流側電容值，是裝置直流側的等效負載，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：靜止同步補償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設計（）其中（上橋臂導通）或（下橋臂導通）；式（）（）（）分別為電壓狀態(tài)方程、直流側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坐標變換關系式如下：! "（），（），（），（），（）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)的電壓調節(jié)主要通過向接入點吸收或者注入無功功率，穩(wěn)定接入點的節(jié)點電壓，防止傳輸線路功率因數(shù)下降，避免電力系統(tǒng)由于節(jié)點電壓的深度下陷而崩潰。為使能穩(wěn)定安全運行，直流側必須有一個固定的直流電壓源，故還必須向電網(wǎng)吸收有功功率以補償線路和開關損耗。因此，控制系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定接入點電壓和直流側電容電壓個功能，通過控制逆變器輸出電流的、分量實現(xiàn)。傳統(tǒng)的雙環(huán)解耦控制策略中電流內環(huán)和電流外環(huán)均采用控制器，其控制目標是將控制量穩(wěn)定在某一個定值，然而在系統(tǒng)正常運行情況下，允許接入點的電壓存在一定

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

8、壓控制系統(tǒng)也由電壓外環(huán)和電流內環(huán)構成，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電壓調整策略，電壓下垂控制由調節(jié)和一個下垂因子組成，電流內環(huán)（）采用傳統(tǒng)調節(jié)。自動電壓調整策略允許節(jié)點電壓存在一定的幅值波動（本文設計為），可提高控制系統(tǒng)響應速度。本文提出的改進型雙環(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)設計圖表明控制系統(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)詳細探討這些控制器設計。電流控制器設計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（）。為接近實際情況，考慮逆變器的延時

9、和反饋通道的濾波特性，軸電流控制系統(tǒng)見圖。圖中，為電感時間常數(shù)；表示整流器的放大倍數(shù)；代表變換器的延時，等于開關周期的一半；、分別是反饋通道的放大系數(shù)和時間常數(shù)；（）為調節(jié)器，、分別為調節(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 電力自動化設備第卷（）（）（）（）（）令，變換器延時和時間常數(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)在阻尼比時系統(tǒng)的超調量和調節(jié)時間最佳?？捎嬎愠鱿鄳脑鲆妫蟮秒娏髡{節(jié)器的參數(shù)和。電容電壓控制器設計圖所示為電容電壓控制系統(tǒng)。根據(jù)文獻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）。（）采用調節(jié)器，表達式為（）（）式中（、分別為調節(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以前已完成了調節(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，則閉環(huán)傳遞函數(shù)為（）（）（）式（）中對于控制系統(tǒng)的暫態(tài)峰值時間和上升時間影響很小，可以忽略不計。則閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫成（）（）! （），!根據(jù)節(jié)方法，同樣可以計算時電壓控制器的參數(shù)和。電流前饋控制器設計圖所示的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了一個電流前饋環(huán)節(jié)，其目的是提高系統(tǒng)的響應速度以及避免電壓超調過大。根據(jù)輸入與輸

11、出功率平衡關系求得：（）通常情況下，坐標變換中。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)的時間常數(shù)取。直接下垂控制器設計為提高控制系統(tǒng)的響應速度，允許節(jié)點電壓存在一定的幅值波動，節(jié)點電壓控制器不采用直接調節(jié)而采用自動電壓調整模式（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節(jié)點電壓降落；為輸出最大感性電流時節(jié)點電壓上升。一階慣性濾波環(huán)節(jié)可提高電壓調節(jié)的性能指標，其時間常數(shù)（），通常取，為很小或者為。仿真系統(tǒng)和實驗裝置參數(shù)仿真和試驗系統(tǒng)結構模型見圖。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；直流側電容；電壓。直流側電容負載、模擬系統(tǒng)的有功需求，。傳輸線上負載模擬系統(tǒng)的無功需求，。逆變器開關頻率取，直接下垂因子取。根據(jù)第部分控制器的設計方法可計算控制系統(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)點電壓控制器參數(shù)，、 。 第 期章勇高，等：靜止同步補償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設計仿真和實驗結果分析曲線如圖所示。曲線和曲線分別是直流側電壓（曲線）在和響應過程的展寬曲線。本文采用進行了建模仿真研究，并在的實驗臺架上進行實驗?？刂葡到y(tǒng)采用實現(xiàn)空間矢量控制，實驗波形由示波器捕獲（限于篇幅略）。無功功率的階躍響應時開關閉合，線路負載由阻性

13、變?yōu)楦行?；時開關打開，線路負載由電感性變?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)點電壓水平，仿真波形如圖所示。圖為有和無調節(jié)時節(jié)點電壓的仿真比較。無調節(jié)作用時，節(jié)點電壓在時從直線下降到，對電網(wǎng)產生很大的沖擊，并且下降是不可恢復的；有調節(jié)時，節(jié)點電壓在下降后馬上恢復到控制水平，降低對電網(wǎng)的沖擊。結果表明，的調節(jié)作用顯著而有效。圖是節(jié)點電壓的無功功率階躍響應仿真曲線。時，開關閉合，一個電感值為的無功負載接入傳輸線路中，節(jié)點電壓直線下降然后上升到約；時，開關打開，無功負載解列，節(jié)點電壓又從回復到。實驗波形表明無功需求消失時節(jié)點電壓恢復到約。仿真和實驗結果表明，節(jié)點電壓具有約的下垂

14、特性。無功功率階躍變化時，直流側電容電壓的響應按照系統(tǒng)運行分析，直流側電容電壓的波動主要是由系統(tǒng)的有功需求引起。由于本文的直流電壓控制系統(tǒng)中引入了負載電流前饋控制環(huán)節(jié)，使得在無功調節(jié)時直流側電容電壓也存在很小的抖動，但無功調節(jié)的速度可以得到很大提高。直流負載的階躍變化開關閉合，直流負載由突變?yōu)椋厝粚е轮绷鱾入娙蓦妷旱南陆?，圖所示為直流側電容電壓在直流側負載突增情況下的仿真結果曲線，其中曲線（）是曲線（）在時的展寬。從曲線（）可以看出，直流側電容電壓在一個很小的短暫下降后恢復。圖的曲線（）和曲線（）分別是調節(jié)時軸和軸電流響應的仿真結果。由圖可見： 電力自動化設備軸電流和直流側電容電壓調節(jié)有關，

15、即軸電流主要控制的有功輸出；軸電流和節(jié)點電壓控制有關，即軸電流主要控制的無功輸出。然而，仿真和實驗波形表明：在直流側電容電壓的調節(jié)過程中軸電流會出現(xiàn)很小的波動，節(jié)點電壓的調節(jié)過程中軸電流也會出現(xiàn)很小的波動。其原因是，調節(jié)軸電流時，三相逆變器的輸出電流會發(fā)生波動，從而導致軸電流波動，此現(xiàn)象也會發(fā)生在軸電流調節(jié)過程中。第卷說明了電流前饋加調節(jié)以及自動電壓下垂調節(jié)的控制系統(tǒng)是正確而有效的。進一步的工作是在已經(jīng)研制的實驗裝置的基礎上研制統(tǒng)一潮流控制器的實驗室物理模型。參考文獻：，：，結論本文詳細介紹了三相逆變器的數(shù)學模型和運行原理，提出了直流側電容電壓采用電流前饋加環(huán)的控制系統(tǒng)以及節(jié)點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，文中詳細地探討了這個控制器的設計方法和設計步驟。實驗和仿真結果證明：有功調節(jié)中的電流前饋控制器和節(jié)點電壓調節(jié)中的下垂控制特性大幅縮短了調節(jié)的暫態(tài)過程時間，提高了系統(tǒng)