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1、2016年3月 电工技术学报 v013l No6第3 1卷第6期 TRANSACTIONS 0F CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar 20 1 6基于重复PI控制和前馈控制的静止无功发生器郑诗程 徐礼萍 郎佳(安徽工业大学电气与信息工程学院红 方四安马鞍山 243032)摘要 分析了以三相电压型逆变器为主电路结构的静止无功发生器(svG)的工作原理。针对传统比例积分控制(PI)的局限性，提出了采用重复PI控制和电网电压前馈控制的复合控制策略。重复PI控制结合PI控制和重复控制的优点，提高了系统的稳态和动态性能，能有效改善装置的基波无功补偿准确度，消除稳态误差，
2、改善补偿电流的波形质量。同时，为了抑制电网扰动，引入电网电压前馈控制，使系统近似为一个无源跟随系统，有效消除了网侧电压波动对sVG运行的干扰，抑制了直流侧电容的电压波动。在此基础上，进行系统的仿真建模和实验研究，仿真和实验结果验证了所提控制策略的正确性和可行性。关键词：静止无功发生器 比例积分控制 重复控制 前馈控制中图分类号：TM761Static Var Generator Based on RepetitiVe PI Controland Feedforward Controlzheng Shicheng Xtl Liping Lnng Jinhong Fdng Sr dn(School
3、 of Electrical and Information Engineering Anhui UniVersity of TechnologyMaanshan 243032 China)Abstract The working principle of static Var generator(SVG)deVice based on three-phasevoltage source inverter(VSI) is anaJyzed Due to the limitations of conVentional PI contr01ler，repetitiVe PI control and
4、 Voltage feedfbrward control strategies are introduced into SVG system in thispaperCombined with the advantages of PI control and repetitiVe control，the repetitiVe PI contr01increases the perfbnnance of steady and dynamic states It can also enhance the accuracy of thefundamental compensation， elimin
5、ate steady state e11ror and improVe the waVeform quality ofcompensation current efkctiVelyMeanwhile，in orderto suppress the grid disturbance，the grid VoltagefeedfonVard control is presentedThe system then becomes an approximately passiVe following system，which limits the interference from grid Volta
6、ge nuctuation on SVG running and suppresses thecapacitor V01tage nuctuations of DC sideThe modeling simulation and experiment are completed，andthe results proVe the control strategy correct and feasibleKeywords： Static Var generator，PI contf01，repetjtive control，feedfonard control0 引言随着电力电子技术的发展与广泛应
7、用，电网中安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心开放课题资助项目(KFKT201407)。收稿日期20140310 改稿日期2叭4082l的谐波污染与无功也逐渐增加，如电弧炉、变频驱动装置、不间断电源和混合动力汽车等，但用户对电能质量的要求却越来越高【l。为改善由此引起的电能质量问题，研究者们一直在寻求各种解决方案。最开始出现的动态无功补偿装置是同步调相机。随着大功率开关器件(scR、GTO和IGBT等)性能万方数据220 电工技术学报 2016年3月的不断提高，静止无功补偿装置已经占据了市场的主导地位，如晶闸管投切电容器(Thyristor SwitchedCapacitor，TSC)、晶
8、闸管控制电抗器(ThyristorContr01led Capacitor，TCR)和静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)等已应用于现场46。采用自换相变流电路的sVG，以其响应速度快、吸收无功连续、谐波电流小和损耗低等优点，已成为无功补偿技术的后起之秀，迅速取代了传统的同步调相机和静止无功补偿器等，让无功补偿进入了崭新的阶段【7，8】。SVG的硬件电路设计逐步趋于成熟，如何快速精确检测、实时补偿无功功率和简化控制方案成为研究热点9】。传统的比例积分控制(ProDonionalIntegral，PI)调节器针对直流量可以做到无静差跟踪，但是对于交流量却不能消除稳态
9、误差，得到的波形质量不够理想，文献3，10提出了比例谐振控制，可以实现对交流输入的无静差控制，但由于元器件和参数准确度的限制，很难达到理想的结果。文献11提出了基于专家决策的SVG+TSC协调控制方法，可以实现无级连续补偿，补偿容量大，但是其成本较高，控制相对复杂。其他控制策略和算法还包括神经网络控制、滑模变结构控制和模糊控制等12。1 51，也因过于复杂、实时性差和运算速度限制等原因，在工业现场的应用并不多。本文分析了三相电压型SvG的基本原理，在传统PI控制的基础上，将重复控制引入系统中，使用PI控制内环、重复控制外环的双闭环控制结构，可以得到很好的动态和稳态输出性能，消除交流电流的稳态跟
10、踪误差，提高SVG的工作性能。在此基础上，进行建模仿真，并搭建基于DSP2812平台的实验样机，验证控制策略的正确性和可行性。1 SVG基本原理图1为电压源型桥式sVG的单相等效电路，晚为电网相电压，玩为逆变器输出相电压，三为连接电抗器，尺为连接电抗器损耗、变流器损耗以及直流侧折算到交流侧损耗的等效电阻。设万为电网电压和逆变器输出电压的相位差，妒为连接阻抗角。图1 SVG单相等效电路Fig1 Sin91e-phase equivalent circuit of SVG由基尔霍夫电压定律可得玑=(j+R)，+队 (1)由式(1)可知，逆变器输出相电压与在等效阻抗上产生的电压矢量和等于电网相电压。
11、一般情况下，认为电网电压为稳定输出值，如果能控制逆变器输出的电压，就等效控制了电网和补偿装置间连接阻抗上的压降，这一特性决定了SVG可以在容性和感性范围内连续补偿无功功率。若逆变器输出电压小于电网电压，电流滞后电网电压，如图2a所示，则SVG补偿负载的感性无功功率：若逆变器输出电压大于电网电压，电流超前电网电压，如图2b所示，此时SVG补偿负载的容性无功功率。在理想情况下，逆变器输出电流应超前或滞后电网电压90。，实际上系统在运行时有功损耗不可避免，万角的存在体现了电网对补偿装置有功损耗的补充。巍(a)电流滞后 (b)电流超前图2 SvG等效相量图Fig2 EquiValent phasor
12、diagrams of sVG2 控制策略21 重复PI控制PI控制对非线性扰动的抑制有限，无法实现对正弦指令的无静差跟踪，输出电流的稳态准确度会受到影响。而重复控制在跟踪速度上要滞后一个参考周期，所以单独采用一种控制算法无法同时满足逆变器输出的动、静态性能要求【l昏201。针对单一控制方法的局限性，本文根据系统的数学模型设计了重复控制和PI控制相结合的电流双闭环控制，同时，为了抑制电网电压变化对SVG运行状态及直流侧电容电压的影响，引入了电网电压前馈控制。系统控制框图如图3所示。其中，重复控制外环的设计是基于PI控制内环频率特性完成的。乒一内模 如卤 年旧f+怯列I一 重复控制器图3重复PI
13、控制加前馈控制框图Fig3 Diagram of repetitiVe PI control andfbedfbr、ard control万方数据第31卷第6期 郑诗程等 基于重复PI控制和前馈控制的静止无功发生器 221图3中，厶。f为输入信号，厶为输出信号，P为误差信号，砜。为网侧电压扰动，z刊为周期延迟环节，为一个基波周期的采样次数，C(z)为重复控制环路的补偿器，GsvG(z)为控制对象，图中点划线框部分为重复信号发生器内模，其中设置了滤波器Q(z)，以对周期性干扰产生良好的抑制作用。为减弱积分效果，惯常采用Q(z)=095，即上一周期的输出量经过衰减和当前误差进行逐基波周期累加。重复
14、控制器的传递函数为 。卜紊a力=一 未c(2)l一095z一。补偿器C(z)的主要作用是对GsvG(z)的幅频和相频特性进行补偿，所以必须根据G。vGQ)特性进行设置。一般情况下，补偿器c(z)由重复控制增益墨、超前环节z和滤波器C1(z)等三部分组成，即c(z)=墨zC1(z) (3)式中，墨用来控制稳定裕度和误差收敛速度的合理匹配，取值范围为0l；z2为相位补偿环节，主要用于补偿)在低频段引起的相位滞后；C-为二阶低通滤波器，主要对GsvG(z)进行幅值补偿。由图3可知，采用传统PI控制时 I器刮志采用重复PI复合控制时 J嚣I-J南J(5)式中，Gbh(z)代表图3控制框图的闭环传递函数
15、。对比式(4)和式(5)可以看出，加入重复控制后，P的增益显著降低，电流的跟踪准确度得以提高。采用复合控制策略后系统误差的传递函数为叱，=f而未丽卜z，kf(z) (6)则系统的特征方程为z一Q(z)+C(z)Gbh(z)=0 (7)根据控制理论中的小增益原理可以推导出系统稳定的一个充分条件为Q(ejr)一c(ej71)Gsn(ej71)ll。，詈 (8)式中，Q(e胡)为对Q(z)做代换(z=e纠)而获得的频率响应函数，c(e埘)、Gbb(eJ羽)也由此代换得到；丁为采样周期。因为系统的PI内环控制稳定，所以Gbh(z)稳定，Q(z)为常数，1一Q(z)z刊也是稳定的。式(8)中不等式左边的
16、增益一定小于1，故式(8)成立，该系统稳定。22 电网电压前馈控制在不考虑线路及器件损耗的情况下，可得到逆变器的调制深度从SVG直流侧电压乩和电网电压峰值以。之间的关系为砜M=呢+(础f)2 (9)则M：型哇!丝翌 (10)当SVG输出电压基波幅值、频率、相位与电网电压均相同时，对应的调制深度为M：坠 (1 1)砜由式(10)和式(11)可知，当直流侧电压乩和电网电压玑。一定时，调制深度M随sVG输出电流f的增大而增大；过小的调制深度M将产生很高的直流侧电压，对系统的安全运行极为不利，并且会损坏系统中的功率器件【21，221。本文的无功电流检测选择在abc参考坐标系下，当电网电压出现较大波动或
17、者负载不平衡时，对重复PI控制的电流内环影响不大，但是电压外环波动很大，而且由于重复控制和PI控制本身的局限性，为防止电网电压的波动和闪变使得SVG桥臂上IGBT过电流，影响SVG正常运行，故本系统又加入电网电压前馈控制，在系统启动时防止直流侧电压突变；稳定运行时维持直流侧电压恒定，使系统近似成为一个无源跟随系统，消除电网电压的扰动。3 仿真基于上述分析，本文在MatlabSimulink环境下建立系统的仿真模型。系统的相关参数见表1。万方数据222 电工技术学报 2016年3月表l svG仿真模型参数Tab1 Parameters of SVG simulation model参 数 数 值
18、直流母线电压乩V滤波电感三。mH滤波电感寄生电阻R。Q直流侧电容cuF负载RQ，三mH开关频率工kHz三相交流侧相电压坼。VPI控制器频域表达式为GPI(s)：K。+墅 (12)根据图1的单相等效原理并令剪切频率和开关频率关系为=争=嘉 ，令K：譬峰，将表中的参数代入，得砗：1507，K=1507，将系数代入式(12)并将其离散化，得到其z域表达式为 GPI(加掣)SVG交流侧滤波电感的传递函数为GSVG(D 2焘2瓦蒜“5离散化后得到其z域表达式为 GSvG=鼍紫)考虑到基于DSP的数字实现过程中引入了一拍(疋)延迟，所以PI内环的闭环传递函数为，1 ，、 06274z+0001067z一0
19、6263z ，1、魄n【z)27i丽石面再赢。其伯德图如图4a所示。其中，横坐标为频率，纵坐标M、P分别为幅值增益和相位。在基波频率点，内环存在一22。相位滞后，在15kHz时相频曲线穿越一180。，此时幅频曲线衰减只有45dB，系统不稳定。重复控制器中的为：五：120二阶滤波器的截止频率取1kHz，O707，则c r，、：!：业!竺!：!型三!：堂!f 19、乙1 I z l 2一L l y Jzz一1766z+07905由伯德图的特性设定超前环节_z9，重复控制增益墨=1，加入补偿后内环的伯德图如图4b所示，由图可以看出，补偿后基波频率处相位超前0541。，系统可以稳定运行，说明重复PI双
20、闭环控制的效果明显，无功补偿的准确度有很大提高。罩迥馨50O一50一100一15014407200|50I )4 15001 】FO( )O 1319 y z 54 6!：(a)PI内环闭环传递函数伯德图lX50 * k!O 01841l 、惨器。Ii|； 7i!；二：， j：fIO” 10I 10二 10 3f mz(b)补偿后内环传递函数伯德图图4 PI内环传递函数伯德图Fig4 Bode diagrams of transfbm functions of PI loop采用文中所提控制策略的系统模型如图5所示。(a)摹j：abc坐标系下的SVG控制框图(1 8) (b)8imulink下
21、重复控制模型图5 基于重复PI控制和前馈控制的SVG模型阻尼比孝= Fig5 The model of sVG based on repetitive PI controland feedfbrward controlo珈瑚o珈啪，瑚：三一。瑚万方数据第3l卷第6期 郑诗程等 基于重复PI控制和前馈控制的静止无功发生器 223图5a给出了基于abc坐标系下的SVG控制框图。将检测到的负载电流进行dq变换后，再经过低通滤波，由此得到电流的有功和无功分量，然后对电流的无功分量进行dq反变换，从而得到abc坐标系下的无功电流指令信号。对SVG发出的无功电流进行实时反馈，误差经过重复PI控制调节后产生
22、PwM信号，实现了SVG对负载无功功率的跟踪补偿。图5b是重复控制模块的模型。根据上述模型，利用Matlab软件进行仿真，系统开始时使用纯PI控制，在05s时加入重复控制，电流环的输出结果和跟踪误差的波形如图6所示。20lO、Oo一】OPI PI+REP娥 砸图6不同控制算法的效果Fig6 The results of dif代rent control algorithms图6给出了在PI控制和重复PI加前馈控制下SVG的输出电流波形与指令电流以及两种控制方法下的跟踪误差。在05s之前SvG输出的电流与指令电流不重合，电流误差在1A之间上下波动，05s时加入重复控制，两个周期内系统达到稳定状态
23、，重复控制的作用效果十分明显，误差控制在02A以内，SVG输出电流与指令电流近乎完全重合，说明采用重复PI和前馈控制在控制准确度方面明显优于PI控制。4 实验为验证上述理论和仿真的正确性，本文以DSP2812为系统的控制核心，搭建了无功补偿容量为10kvar的SVG实验样机，在实验中使用阻容负载。SVG对系统无功功率补偿的实验波形如图7所示。图7a是直流侧电容电压波形，直流侧电压采用PI控制，在对电流采用不同控制方式时，直流侧电压都能匀速上升，到设定的值后受SVG系统电压外环控制。图7b和图7c分别给出了PI控制和重复PI加前馈控制下SVG的动态补偿波形。在SVG投，。 曝持 过程、“61 祆
24、届列、不j 晓整流a)直流侧电容电压波形卜肛侉j牦伊争肛艇鞭”矿黔p8 f 1I nj l 埘1 l V 雕 V 州棚。：0 I7 1“25ms格)b)PI控制F补偿波形，忙)111s格)(c)重复PI和前馈控制下补偿波形图7 SVG的动态实验波形Fig7 Experiment wavefo姗s of dynamic compensation入运行前，系统输出的电流明显超前电压，功率因数很低；切入SVG后电流与电压相位差迅速减小，系统的功率因数得到很大提高。由于实验装置中变压器和低次谐波的影响，SVG的补偿波形并非光滑正弦波。对比图7b和图7c可以看出，在重复PI控制下系统输出电流更为平滑，接
25、近正弦波。5 结论本文首先分析了SVG基本原理，然后根据SvG万方数据224 电工技术学报 2016年3月系统的应用情况，以提高系统的控制准确度、增强谐波抑制能力为目标，提出重复PI控制策略，进行了理论分析研究，并给出Matlab仿真控制框图和硬件实现的设计过程。在此基础上搭建基于DSP2812实验平台的10kvar SVG实验样机，通过实验证明了重复PI加前馈控制的优越性，将PI控制器低频段优越的动态响应速度和鲁棒性，与重复控制对周期信号的高跟踪准确度有效结合，其控制效果与预期相同，且控制算法简单有效，易于实现，是一种实用的SvG控制方案。2】3】【45【6参考文献范文宝，杨晓峰，王晓鹏，等
26、基于模块组合多电平变换器的SVG控制策略J电工技术学报，2011，26(1)：2935Fan Wenbao，Yang Xiaofeng，Wang Xiaopeng，et aLContr01 strategy SVG based 0n of modular multileVelconvenerJTransactions of China Electrotechnical，2011，26(1)：2935Yang Kun，Chen Lei，Jia Yuhong，et a1Study onproportional resonant control strategy of single-phaseSVG
27、【C】IEEE International Symposium on lndust“al Electronics(ISIE)，2012：545549郭小强，邬伟扬，漆汉宏电网电压畸变不平衡情况下三相光伏并网逆变器控制策略【J】中国电机工程学报，2013，33(3)：2228Guo Xiaoqiang，Wu Weiyang，Qi HanhongControlstrategies of three-phase PV grid-connected inVerterunder distoned and unbalanced v01tage condjtionsJ】Proceedings of the
28、CSEE，20 l 3，33(3)：22-28Gultekin BEmis MCascaded multilevel conVerterbased transmissjon STATCOM： system designmethod0109y and development of a I 2kV土1 2MVarpower stageJ】IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(11)：4930-4950Rao P，Crow M L，Yang ZhipingSTATCOM controlfbr power system Voltage contr
29、ol applicationsJ】IEEE Transactions on Power Delivery，2000，1 5(4)：131 1一1317纪飞峰，Mansoo r，解大，等有源电力滤波器与直流偏磁式静止无功补偿器综合补偿系统的研究J】中国电机工程学报，2006，26(18)：7783Ji Feifeng， Mansoor， Xie Da， et al_ Study oncombined compensation structure of an active power78】6lter and a DCbias magnetic Var compensatorJProceedings
30、 of lhe CSEE，2006，26(J 8)：7783Wang Keyou，Crow M LPower system Voltageregulatjon via STATCOM intemal nonlinear con仃olJ】IEEE Transactions on Power Systems，20 1 1，26(3)：12521262张志文，吴兴阳，罗隆福，等三电平与两电平混合静止无功发生器J电力系统及其自动化学报，201l，23(6)：16-21Zhang Zhiwen，Wu Xingyang，Luo Longfu，et a1New static var generator wi
31、th 3-level and 2-leVelhybrid invenersJProceedings of the CSU-EPSA，2011，23(6)：162l9 He Yin自ie，Liu Jinjun，wang Zhaoan，et a1A PIcontrol algorjthm of three-leVel APF with little staticmisadjustment for tracking hamonic currentC】TwentyFjfth Annual IEEE on Applied PowerElectronics Conference and Expositio
32、n(APEC)，20 1 0：1692169710 Lee T L，Hu S H，Chan Y HDSTATCOM withpositive-sequence admittance and negatiVe-sequenceconductance to mitigate V01tage fluctuations inhighlevel penetration of distributed-generationsystemsJ】IEEE Transactions on Industrial Electro-nics，20ll，60(4)：14171428Il】赵伟，罗安，唐杰，等，静止无功发生器
33、与晶闸管投切电容器协同运行混合无功补偿系统J】中国电机工程学报，2009，29(19)：92-98Zhao Wei， Luo An， Tang Jie， et al_ Hybrid Varcompensator based on the coordinated operation ofSTATCOM and TSCJProceedings of the CSEE，2009，29(19)：929812】陈巍，吴捷静止无功发生器递归神经网络自适应控制【J】电力系统自动化学报，1999，23(9)：33-37Chen Wei，Wu JieAdaptive control of ASVG byusin
34、g diagonal recurrent neural networkJ】 Pro-ceedings of the CSU-EPSA，1999，23(9)：33-371 3】 Kim G W，Lee K YCoordination contr01 of ULTCtransformer and STATCOM based on an artificialneural networkJ】 IEEE Transactions on PowerSystems，2005，20(2)：580-586【14】董密，罗安基于滑模变结构的静止无功发生器控制系统J】电力自动化设备，2006，26(10)：3941
35、Dong Mi， Luo An Contr01 system of static Var万方数据第3l卷第6期 郑诗程等 基于重复PI控制和前馈控制的静止无功发生器 225_-_-_15】16】1718】19generator based on sliding Variable strIlctureJ】Electric Power Automation Equipment，2006，26(1 0)：3941Raman S，Gokaraju R，Jain AAn adaptiVe fuzzy mhorelay for phase backup protection with infeed fro
36、mSTATCOMJIEEE Transactions on Power DeIiVery，2013，28(1)：120一128王斯然，吕征宇LCL型并网逆变器中重复控制方法研究J中国电机工程学报，2010，30(27)：69-75Wang Siran， Ln Zhengyu Research on repetitiVecontrol method applied to grid-connected inVenerwith LCL filter【J】Proceedings of the CSEE，2010，30(27)：69-75李俊林单相逆变器重复控制和双环控制技术研究D】武汉：华中科技大学，
37、2004Rashed M，Klumpner C，Asher GRepetitiVe andresonant control fbr a single-phase grid-connectedhybrid cascaded multilevel converterJ】IEEE Transa-ctions on Power Electronics，2013，28(5)：2224-2234Zeng Zheng，Yang Jjaqiang，Yu NianchangResearchon PI and repeIitive control strategy fbr shunt actiVepower nl
38、ter with LCLfilter【C】Intemational PowerElectronics and Motion Control Conference，20 l 2，4：2833283720】杨昆，陈磊，陈国柱单相SVG高性能补偿电流控制技术【J】浙江大学学报(工学版)，2013，47(2)：399344Yang Kun， Chen Lei， Chen Guozhu High pe卜fo肌ance compensation current control strategy ofsinglephase SVGJ】Joumal of zhej iang uniVersity(Engine
39、ering Science)，2013，47(2)：399-34421】 Aziz T，Hossain M J，Saha T K，et a1VAR planningwith tuning of STATCOM in a DG integratedindustrial systemJ IEEE Transactions on PowerDelivery，201 3，28(2)：875-88522】 Lu wenzhou，Zhou Keliang，wang Danwei，et a1Ageneral parallel st兀lcture repetiIiVe control schemefor multiphase DCAC PwM conVenersJIEEETransactions on Power Electronics， 2013， 28(8)：39803987作者简介郑诗程 男，1972年生，博士，教授，研究方向为电力电子功率变换技术、新能源发电技术和电能质量检测及治理等。Email：zsc l 08ahuteducn(通信作者)徐礼萍 女，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力电子功率变换技术等。E-mail：xulipjn9092l163com万方数据