CN104037786A - 级联statcom稳态零误差控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种比例反馈积分（proportional feedback integral，PFI）的稳态零误差控制策略，分析其工作原理。考虑到系统电压对输出电流的扰动性，在上述控制策略基础上提出前馈解耦PFI的控制方法，通过合理设置积分参数ki，其交流量幅值为1pu，相位偏移0度，直流分量幅值为0，可知其不仅可以实现级联STATCOM装置交流量稳态零误差控制，还能有效地抑制直流分量。仿真和实验结果验证了该方法的有效性和实用性。
Description
技术领域
[0001] 本发明旨在提供一种级联STATCOM在稳态时消除交流分量误差并抑制直流分量的控制方法，能够有效地保证级联STATCOM安全稳定精确运行，该方法实现起来容易，具有很高的工程实用价值。
背景技术
近年来，级联静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)由于具有无需变压器便可接入中高压电网、易于扩展，便于模块化设计等优点得到了广泛地应用。对装置输出电流的控制精度直接影响到系统整体补偿效果，通常电流控制性能指标主要有稳态幅值和相位误差、动态响应时间、单位功率因数、谐波畸变率以及直流分量等等。级联STATCOM由于大多数采用PI控制，其难以对交流量起到理想的效果，存在稳态误差的问题。而装置省去变压器虽然可以减小占地、降低成本、提高效率，但同时也带来了并网电流直流分量超标问题，将导致电网中磁性元件工作点偏移，进而引起变压器或电机的谐波、噪声、过热和电流尖峰等一系列问题，IEEE Std.1547-2003要求电力电子装置注入电网的直流分量不得超过额定输出电流的0.5%。
目前，国内外对STATCOM装置控制策略进行了多方面的研究。对电流控制而言，2001年第4期的《中国电机工程学报》中《STATCOM无功电流的鲁棒自适应控制》一文从装置级层次上提出了鲁棒型直接自适应控制算法，控制器具有良好的电流追踪能力和鲁棒特性，但控制相对复杂。2003年第6期的《中国电机工程学报》中《链式STATCOM的数学模型》一文在链式STATCOM开关函数数学模型的基础上，分析了基波电流有功、无功分量以及直流电压平均值的变化关系，但不利于输出电流控制算法设计。2010年第28期的《中国电机工程学报》中《链式D-STATCOM建模及其状态反馈精确线性化解耦控制》一文通过状态反馈精确线性化方式，实现了有功、无功解耦控制器设计，并在工程中得到应用。2006年第9期的《中国电机工程学报》中《并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究》一文采用滞环控制，其特点为原理简单且动态响应快，但其最大不足是开关频率受滞环宽度影响波动范围较大，导致滤波器设计困难，进而影响系统整体性能。2002年第2期的《IEEE Trans. on Power Electronics》中《Vector current controlled voltage source converter: deadbeat control and saturation strategies》一文采用无差拍控制和预测控制，其控制的有效性在很大程度上取决于被控对象精确模型的建立。而级联STATCOM系统的非线性使精确模型的设计有一定难度，设计不当会导致系统控制不稳定。2001年第3期的《IEEE Trans. on Power Electronics》中《Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady-state error》一文采用基于内模原理的比例谐振PR控制解决了交流量控制存在稳态误差的问题，但是对于IEEE std.1547-2003中规定的直流偏置问题，该方法不能有效抑制。
发明内容
本发明提出基于前馈解耦PFI的控制方法，在实现级联STATCOM装置稳态零误差控制的同时，能够有效地抑制输出电流中所含直流分量。在kp或ki取值较小(系统稳定裕度较大)的情况下仍可实现稳态零误差控制，拥有原理简单、实现起来容易等特点，具有较高的工程实用价值。
具体实施方式如下：
根据说明书附图1可推出PFI控制下的STATCOM输出电流为：
当只考虑参考电流的影响。很明显，当 成立时，闭环系统基波频率处的幅频特性1，相频特性为0，即实现并网输出电流基波的零稳态幅值相位误差控制，此时并网直流分量同时得到抑制。然而考虑电网电压Us的影响时，在成立的情况下，基波频率处电网电压的扰动衰减了，说明电网电压扰动不可忽略，其会引起并网输出电流基波的稳态误差，并会累积直流分量。
传统的PI控制控制并网电流存在稳态幅值和相位误差，其根源是其基波频率处增益为，不具有无穷增益特性。而比例反馈积分控制在基波频率处具有无穷大的增益，使得闭环系统基波频率处的幅频特性为1，相频特性为0，因此可以实现并网电流的零稳态误差控制。
基于上述分析，为了消除电网电压扰动影响，考虑引入电网电压前馈解耦方案。如说明书附图2所示，此时STATCOM输出电流为：
由此去除电网电压对于输出电流的扰动，系统只须满足，即合理设置参数ki，便可实现输出电流的稳态零误差控制。
利用matlab对PI、PR、PFI三种控制的频域进行仿真分析，结果说明书附图3所示。可以看出，利用传统PI控制器，其并网电流交流量幅值为1.36pu，相位偏移45度，存在一定的误差，直流分量幅值为1，并无抑制表现；利用比例谐振PR控制器，其交流量幅值为1pu，相位偏移为0，不存在稳态误差问题，但是其直流分量幅值为1，可见其没有抑制直流分量能力；而利用比例反馈积分PFI控制器时，其交流量幅值为1pu，相位偏移0度，而且其直流分量幅值为0，可知其不仅可以实现级联STATCOM装置交流量稳态零误差控制，还能有效地抑制直流分量。
仿真与实验结果分析：
基于matlab7.0对所提控制方法进行了仿真分析，仿真参数如下：系统线电压us=311V，电网频率fs=50Hz，连接电感L=5.1mH，直流侧电容C=2200uF，电容电压给定值udcref=200V，单相级联模块数N=5，输出电流为36.75A，比例系数0.0025，积分系数0.74。
PI控制时输出电流的仿真结果如附图4和附图5所示。由附图4可知，其交流量幅值为49.96A，即1.36pu，相位差45°；由附图5可知，经过PI控制后，其直流分量将无衰减地反映在输出端，造成输出电流中含有相当成分的直流分量。
PR控制时输出电流的仿真结果附图6和附图7所示。由附图6可知，其交流量幅值为36.75A，即1pu，相位差0°，可见其可以实现稳态零误差控制；由附图7可知，经过PR控制后，其直流分量也无法得到抑制。
前馈解耦PFI控制时输出电流的仿真结果如附图8和附图9所示。由附图8可知，其交流量幅值为36.75A，即1pu，相位差0°，可见其可以实现稳态零误差控制；由附图9可知，经过前馈解耦PFI控制后，直流幅频特性为0，直流分量将被闭环系统完全衰减，因此并网电流的直流分量可以得到有效抑制。
对比附图6、7、8、9可知，PR控制暂态响应时间为40ms，而PFI控制20ms后即进入稳态，仿真结果表明PFI控制相比PI、PR控制具有良好的稳态性能和暂态性能。
为了验证该方法的有效性，特进行了实验研究。实验参数为：系统电压为398V，电感为25mH，频率为50Hz，电容为2000uF，载波频率为1000Hz，器件开关频率为500Hz，采样频率为3200 Hz，每相由5个H桥模块串联而成。硬件平台为双DSP+FPGA+多CPLD组合系统，DSP主要实现基波电网电压锁相、指令电流运算、直流侧电压控制、变流器保护等功能；FPGA用来产生PWM驱动信号，CPLD用来对各功率管进行脉冲分配。
附图10和附图11为在PI控制下系统输出的电压和电流波形，结果基本与仿真一致，只是波形中含有少量谐波，畸变率较大。
附图12和附图13为前馈解耦PFI控制下系统输出电压和电流，相比附图10、11而言，除了实现稳态零误差控制以外，波形质量也稍有改善，由此证明了该方法的有效性。
附图说明：
图1 比例反馈积分PFI原理图
图2 前馈解耦PFI的控制原理图
图3 三种控制器频域分析
图4 传统PI控制时输出电流波形
图5 传统PI控制时输出电流频谱分析
图6 比例谐振PR控制时输出电流波形
图7 比例谐振PR控制时输出电流频谱分析
图8 前馈解耦PFI控制时输出电流波形
图9 前馈解耦PFI控制时输出电流频谱分析
图10 PI控制下系统输出三相电压电流波形
图11 PI控制下系统输出单相电压电流波形
图12 前馈解耦PFI控制下系统输出三相电压电流波形
图13 前馈解耦PFI控制下系统输出单相电压电流波形。
Claims (1)
1.本发明旨在提供一种级联STATCOM在稳态时消除交流分量误差并抑制直流分量的控制方法，具体原理及步骤如下：
第一步，比例反馈积分原理，PFI控制下的STATCOM输出电流为：
当只考虑参考电流的影响，很明显，当成立时，闭环系统基波频率处的幅频特性1，相频特性为0，即实现并网输出电流基波的零稳态幅值相位误差控制，此时并网直流分量同时得到抑制；然而考虑电网电压Us的影响时，在成立的情况下，基波频率处电网电压的扰动衰减了，说明电网电压扰动不可忽略，其会引起并网输出电流基波的稳态误差，并会累积直流分量；
第二步，前馈解耦PFI控制原理，为了消除电网电压扰动影响，考虑引入电网电压前馈解耦方案，此时STATCOM输出电流为：
由此去除电网电压对于输出电流的扰动，系统只须满足，即合理设置参数ki，便可实现输出电流的稳态零误差控制；
具体原理图可见说明书附图1和附图2。
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