基于电流无差拍控制的级联型SVG研究

李登科，杨文焕，侯甜甜，黄敏瑶

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于电流无差拍控制的级联型SVG研究

李登科，杨文焕，侯甜甜，黄敏瑶

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

将级联型变流器应用于无功补偿装置是实现大容量无功补偿的重要途径。文中介绍了级联型静止无功发生器的基本原理和结构，讨论了适用于级联型逆变器的基于瞬时无功理论的新型指令电流计算和无差拍电流跟踪控制工作原理，用无差拍电流控制取代传统PI控制应用在级联型静止无功发生器中，解决了PI控制数学模型复杂，参数难以确定的问题。最终通过Matlab仿真验证设计可行性。

级联型静止无功发生器；指令电流计算；无差拍电流跟踪控制；Matlab仿真

静止无功发生器(SVG)作为柔性交流输电系统(FACTS)装置的重要组成部分，具有补偿系统无功，提高功率因数的功能。SVG一般采用电压型桥式电路，通常采用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制技术控制逆变器的电流。电流控制的主要目标是能够提供一个相对高的频宽，保证对电流的快速精确跟踪，尽可能地减少瞬态跟踪的时间。对于电流控制的电压型逆变器，控制策略通常采用滞环控制、同步旋转坐标系PI控制以及无差拍电流预测控制等[1-3]，滞环控制具有很快的动态响应，但会产生输出电流失真及很大的稳态误差。在同步旋转坐标系PI控制中，逆变器的电压、电流分量变为直流分量，对直流量可实现无静差调节，但模型上相互耦合，对控制的静、动态性能不利[2-3]；同时通过求系统的传递函数模型求取PI控制器参数的方法较为困难，工程上通常要经过一系列的测试才能获得性能较优的参数。

基于电流无差拍控制的系统具有数学模型简单、参数设计简单的优点，在电压型逆变器中得以应用[4]。本文将电流无差拍跟踪控制应用到了级联型的静止无功发生器中，代替了传统的PI控制作为其电流内环的控制器，解决了其数学模型复杂、控制参数难以确定的问题。

1　结构及基本原理

SVG系统构成如图1所示，主要有指令电流计算、电流跟踪控制、PWM生成和主电路模块。

图1　SVG系统结构框图

其中，主电路采用H桥级联型逆变器，结构如图2所示。每相以单相H桥变流电路为基本变流器单元，交流侧通过串联方式叠加，每个变流模块均可产生一个三电平输出电压[5]。

图2　级联型SVG主电路拓扑图

PWM生成模块采用载波相移-正弦脉宽调制(CPS-SPWM)技术，可输出五电平，当由N个变流器单元级联时可输出电平数为(2N+1)[6]。文中着重介绍基于ip-iq的新型无功电流检测方法和电流无差拍跟踪控制策略。

2　级联型SVG指令电流计算

目前无功电流检测方法普遍使用基于瞬时无功理论的ip-iq算法[7]。但在非级联的三相三线制SVG中直流侧仅有一个电容，即直流电压控制对象只有一个电容电压值。而在级联型SVG中，由于各相电容独立，每相总电压值的变动也各不相同，直流侧的稳压控制应分相进行，考虑到H桥级联型逆变器的特殊性，本文使用文献[8]中基于瞬时无功理论的改进方法，使得在考虑SVG装置本身的有功损耗后，直流侧电压能稳定在目标值。其控制框图如图3所示。

图3　指令电流计算原理图

其中

(1)

(2)

C23和C-1为C32和C的逆运算。

图4　模块A原理框图

如图4所示电压环控制器与电流跟踪控制器相独立，使用PI控制。

3　电流无差拍跟踪控制原理

以三相电压型并网逆变器的拓扑为例建立数学模型，如图5所示，逆变器通过滤波电感L、电阻R与电网相连接。

图5　三相电压型并网逆变器拓扑

并网逆变器输出电流在静止α-β坐标下的动态方程(电流参考方向如图1所示，且三相电网电压平衡)为

(3)

其中，iα和iβ为三相并网逆变器输出电流在α-β坐标系下α、β分量；usα、usβ为三相并网逆变器输出电压在α-β坐标系下α、β分量；eα、eβ为电网电压在 坐标系下α、β分量。

对式(3)进行离散化处理，采样周期为Ts，可得

(4)

整理可得

(5)

若认为在一个采样周期实现了各相电流对其电流给定值的无差跟踪，达到了无差拍的控制效果，则

(6)

(7)

由电流给定值和实际值，即可得到与之对应的电压信号，(7)完成了PI传递函数的功能，而又不需复杂的频域计算。

由于在实际实现无差拍电流控制时，存在控制上的延时，为提高无差拍控制器的性能，必须进行补偿，求取k+1时刻电压值

(8)

将式(8)中的iα(k+1)、iβ(k+1)用式(4)来代替，且忽略电阻，可得

(9)

预测第k+1采样时刻的电流为k采样时刻的给定值，即

(10)

相对于电网基频而言，若采样周期较小，可认为

(11)

根据直流母线电压和三相并网逆变器输出电压的开关状态Sa、Sb、Sc(Si=1为相应的上桥臂导通；Si=0为相应的下桥臂导通)，可得到并网逆变器输出的电压usα(k)、usβ(k)为

(12)

结合式(8)～式(12)，可得出usα(k+1)、usβ(k+1)。

使用k+1时刻的电压值，避免了控制上延时所带来的误差，提高了控制性能。

4　仿真研究

通过Matlab搭建三相三线级联型SVG仿真模型对其仿真[9-10]。控制框图如图6所示，其中网测电压220 V，级联每相每单元直流侧电容电压200 V，电容0.3 F，交流侧电感5 mH,电阻0.1 Ω,直流侧稳压控制P=30，I=0.01。

图6　仿真系统控制框图

系统加入阻感性负载R=2.5 Ω，L=0.008 H，0.04 s时将SVG并入电网，A相电压、电流，如图7所示。

图7　补偿前A 相电压和电流

系统加入阻容性负载R=2.5 Ω，L=1 000 μF，0.04 s时将SVG并入电网，A相电压电流如图8所示。

图8　补偿后A相电压和电流

系统在0.045 s前为阻感性负载，在0.05 s后切换为阻容负载，SVG在0.015 s时并入电网，观察SVG的动态补偿效果，A相电压电流如图9所示。

图9　负载变化时A相电压和电流

5　结束语

本文在级联型SVG的电流环控制器中引入无差拍的控制方法，代替了传统的PI控制模型，解决了PI控制数学模型复杂，控制参数难以确定的问题。电流无差拍控制的指令电流的计算，使用了基于瞬时无功理论改进的方法，在各相指令电流中加入有功分量，控制直流侧电容电压稳定。并在Matlab中构建仿了真模型，证明了无差拍控制在级联型SVG中的有效性。

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Cascaded Static Var Generator Based on Current Deadbeat Control

LI Dengke, YANG Wenhuan, HOU Tiantian, HUANG Minyao

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The cascade type converter applied in reactive power compensation unit is an important way to realize the large capacity of reactive power compensation. This paper briefly introduces the basic principles and structure of SVG with emphasis on the method of current deadbeat control and instruction current calculation based on the instantaneous reactive power theory. In this paper, the current deadbeat control instead of PI control is used in the cascaded SVG in view of the difficulty in determining parameters and the complex mathematical model of the PI controller. Finally, Matlab simulation verifies its feasibility.

cascaded SVG; instruction current calculation; current deadbeat control; Matlab simulation

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.006

2015-12-01

杨文焕(1954-)，男，教授，硕士生导师。研究方向：电力电子与电力传动。李登科(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。

TM761+.1

A

1007-7820(2016)08-017-04