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基于双环控制器的电容分裂式三相四线制DSTATCOM控制方法

更新时间：2019-12-24 20:07:52 大小：4M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：双环控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对不对称负载无功补偿装置电容分裂式三相四线制DSTATCOM补偿精度问题,建立了分析模型,针对传统PI控制器对于周期性信号跟踪较差的问题,提出了基于双环控制器的电容分裂式三相四线制DSTATCOM控制方法.该方法将能够对指令快速响应的PI控制器与能够对周期性信号高精度控制的重复控制器相结合,构成双环控制器,并将其应用到DSTATCOM内环电流跟踪环节.对该控制器的设计进行了详细分析以及仿真与实验验证,结果表明采用所提出的双环控制方法,可以在保证响应速度的同时提高电流跟踪精度,实现电容分裂式三相四线制DSTATCOM对不对称负载的无功补偿功能,降低装置输出电流及畸变率,提高DSTATCOM并网电流质量,补偿效果较传统PI控制方法大幅提高.

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V01．34 No．8

电力自动化设备

Electric Power Automation

Equipment

@乏；糍穿

Aug．2014

基于双环控制器的电容分裂式三相四线制

DSTAT

COM控制方法

杨3

周

晨1，郑益慧1，王昕1，李立学1，周荔丹2，张

(1．上海交通大学电工与电子技术中心，上海200240；

2．上海交通大学电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室．上海200240；

3．吉林省电力有限公司松原供电公司．吉林松原138000)

摘要：针对不对称负载无功补偿装置电容分裂式三相四线制DSTATCOM补偿精度问题，建立了分析模型，

针对传统PI控制器对于周期性信号跟踪较差的问题．提出了基于双环控制器的电容分裂式三相四线制

DSTATCOM控制方法。该方法将能够对指令快速响应的PI控制器与能够对周期性信号高精度控制的重复控

制器相结合，构成双环控制器，并将其应用到DSTATCOM内环电流跟踪环节。对该控制器的设计进行了详细

分析以及仿真与实验验证，结果表明采用所提出的双环控制方法．可以在保证响应速度的同时提高电流跟踪

精度，实现电容分裂式三相四线制DSTATCOM对不对称负载的无功补偿功能．降低装置输出电流及畸变率，

提高DSTATCOM并网电流质量．补偿效果较传统PI控制方法大幅提高。

关键词：不对称负载：三相四线制；DSTATCOM：电容分裂式：双环控制器：PI控制；重复控制；无功补偿

761

中图分类号：TM

文献标识码：A

DOI：10．3969／i．issn．1006—6047．2014．08．020

制器输出有功功率和无功功率均呈现很大的波动[7]。

0引言

为此，文献『8-9]提出了应用四桥臂三相四线拓扑结

构的不对称无功补偿策略。该方法通过第四桥臂对

近年来．随着社会的快速发展．用户对电能质量

的要求越来越高，而配电网中电弧炉、轧钢机、电气

化铁路等大容量冲击性不对称负载给电网带来了极

零序分量进行补偿．易于控制，但第四桥臂的采用增

加了硬件成本。文献『10]采用电容分裂式结构，该结

构通过直流侧电容中点引出中线来为零序分量提供

通路．降低了硬件成本。但该方法直流侧上下电容未

大的污染．这将会影响到用电设备的正常、安全运

行。配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)作为一种

先进、性能理想的无功补偿装置．可以有效补偿无功

功率，改善电能质量rl-2]。相比传统的静止无功补偿器

(SVC)。DSTATCOM具有更好的动态响应速度和显

著的经济效益．因而得到了广泛的应用【3]。

进行均压控制．导致分裂电容端电压振荡．补偿效果

不佳。为此，文献[11]采用改进的i。一i。算法进行零

序分量分离．实现了分裂电容的均压控制．同时将均

压控制与改进的i。一i。算法相结合实现了系统补偿

指令的检测．并通过PI控制器进行电流跟踪实现了

不对称负载的无功补偿．具有较高动态响应速度。然

而对于不对称负载的无功补偿．在电流跟踪环节无

法通过旋转坐标得到直流分量．故需要对交流信号

直接跟踪，传统PI控制器对无功、谐波等周期性信

为了实现不对称负载的无功补偿．国内外学者进

行了大量的研究。文献『4—5]提出了组合式结构下的

分相无功补偿策略．该方法具有较高的可靠性．但对

于小容量系统，硬件投入太大。文献[6]提出应用于

三相三线制系统的正负序解耦控制方法．该方法将

负载电流中正、负序电流分离．在幽坐标系下分别

对正序、负序分量进行补偿，但忽略了对零序分量补

偿。另一方面．当负载不对称时，直流侧电压出现

100Hz交流电压波动．交流侧电流出现3次谐波．控

号直接跟踪时性能不理想．稳态精度不高。与此同时．

国内外经过较多研究的单相或三相不对称APF控

制对象为周期性高频谐波信号．重复控制器因其对周

期性信号跟踪精度高而在APF中得到广泛应用．而

DSTATCOM主要控制对象为基波无功分量．其本质

上也属于周期信号．故将重复控制器应用在DSTAT．

COM也能实现较高的控制精度．然而重复控制器是

收稿日期：2013—07—04；修回日期：2014—06—15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60504010)：国家高技

术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA042129)；上海市

自然科学基金资助项目(14ZRl421800)：流程工业综合自动化

国家重点实验室开放课题基金资助项目

以工频周期为步长对误差信号进行调节修正．动态

响应时间较长．

the NationM Natural Science Foundation

Project supported by

China(60504010)，the National

Research

High Technology

China(863 Program)(2008AA—

and

Development Program

Natural Science Foundation of

针对以上方法的不足．本文提出一种基于双环控

制器的电容分裂式三相四线制DSTATCOM控制方

法，以提高装置的动态性能和稳态跟踪精度。该方法

042129)．the

Shahghai

City

(14ZRl421800)and the

of State

Program

Key Laboratory

Automation for Process Industries

Synthetical

万方数据

第8期

周晨，等：基于双环控制器的电容分裂式三相四线制DSTATCOM控制方法

电路对开关器件纹波分量进行分流：￡：为逆变器侧

滤波电感：为了减小电容支路带来的电流冲击．在电

容支路上串联无源阻尼电阻R。来增加容抗；Vb。、

VTa2、、VTcl、V他为IGBT；Cdcl、Cdc2为直流侧上、下电

通过对dqrO／abc变换中零序分量的反馈控制实现了

直流侧分裂电容的均压控制．提高了装置对零序电流

的补偿效果：同时，在电流内环控制中将PI控制器

通过串联方式嵌入到重复控制器中．构成双环控制

器。PI控制器作为内环用以对电流指令进行快速响

应，保证系统的动态性能。在此基础上．利用重复控

制器对周期性信号无静差跟随和扰动抑制的优点．

设计重复控制器作为外环对内环的跟踪误差进行逐

周期修正。明显提高跟踪精度。由于只需在内环跟踪

误差的基础上进行修正。因此可以缩短调节过程。2

个控制环各司其职，确保了系统较好的整体性能．并

通过传递函数建模分析验证了双环控制器的稳定

性。MATLAB／Simulink仿真研究验证了所提方法的

正确性．最后通过DSTATCOM样机实验证明了该方

法的有效性。

容；tt卧tt扒ttSc为三相电网电压；Ⅳ为中性点；‰ 为

系统电压采样；k为负载电流采样；k为DSTAT．

COM发出电流采样；魄，、‰ 分别为直流侧上、下电

容电压采样．

电容分裂式三相四线制DSTATCOM是一个三

相相互独立的非耦合系统．可以将其等效为3个独立

的单相半桥逆变电路．其并网等效逆变电路如图2所

示。图中，u。为逆变桥输出交流电压；如为电网电压；

￡。为电网等效电感；￡，为网侧滤波电感；尺。为L，的

等效电阻；L：为逆变器侧滤波电感；R：为￡：的等效

电阻；C为滤波电容；R。为电容支路电阻。

1三相四线制DSTATCOM模型

厶

：砩

可_11：错

目前三相四线制DSTATCOM主电路拓扑大致

有如下几种[12-13]：由3个相互独立的单相DSTATCOM

组成的组合式结构、三相四线四桥臂DSTATCOM和

电容或电抗分裂式三相四线DSTATCOM。其中电容

或电抗分裂式三相四线DSTATCOM是从三相三线

制DSTATCOM演变而来．从电容或电抗中点处引出

一条中线来为零序电流提供通路．无需在硬件上投入

更多成本．因此在380 V三相四线制系统下具有更

普遍的应用性。本文采用的电容分裂式三相四线制

DSTATCOM拓扑结构如图l所示。

＼

。)队

“‘

T。

L毗滤波器

逆变器

网侧

图2三相四线制DsTA’ICOM等效单相并网逆变电路

circuit

Fig．2 Single—phase equivalent

three-· phase-four-wire

of甜d—connected

DSTATCOM

根据LCL滤波器的基本原理．可以把LCL电路

看成：L。支路和电容支路C并联后再与￡：串联，t‘。

就是L。支路和电容支路对i：的分流。滤波器数学模

型如下。

总的串联阻抗为：

Xs=sL2+R2+X“∥℃

(1)

网侧电感L，与电容支路C存在分流关系，所以

网侧电流i，为：

(¨27)

il=

瓦

簧

瓦霸=_

东

嚣

逆变电路输出电压ui到网侧电流i。的传递函数

G(s)为：

G(5)=il／“i

(3)

通常情况下．电感的等效电阻较小，这里为了简

化分析将其忽略不计，将式(1)、(2)代入式(3)，可得：

G(s)=瓦甄孬可了R丽aCs爵+l盈可石五F(4)

由式(4)可知．LCL滤波器的传递函数为三阶系

统．但考虑到其低频段和单电感模型接近。所以采用

单电感的传递函数来代替LCL模型．其中尺为线路

等效阻抗。

图l电容分裂式三相四线制DSTATCOM拓扑结构

structure of

Fig．1 Topological

split-capacitor-type

DSTATCOM

three· · phase· -four-wire

该结构采用LCL滤波器．具有比单电感滤波器

更好的性能．能够兼顾低频段增益和高频段衰减。

图1中，C为滤波电容，引入电容支路是为了给高频分

量提供低阻通路；L，为网侧滤波电感，与C构成并联

‘5)

G衄(s)2面瓦打

传统PI控制器传递函数为GH(s)=岛+K，厶，其

万方数据

第34卷

电力自动化设备

可以等效成3个独立的单相半桥逆变电路，各相之

间互不影响．因此可以实现在abc坐标系下的三相独

立控制。a、b、c三相的控制结构完全相同，采用电压

外环与电流内环的双闭环串级控制结构：外环为直

流侧稳压环和均压环．用以实现直流侧总电压平衡及

分裂电容电压均衡：内环为瞬时电流反馈控制环，

用以进行指令电流跟踪。采用传统PI控制的总体控

制框图如图5所示，首先提取负载电流，I。k中基波有

功电流k，其中缸、缸、‰ 分别为基波有功电流的

d轴、q轴、0轴分量，k减去k得到负载电流中

无功及不对称量的总和厶耐，作为装置发出电流七k的

全补偿指令。参考指令k与DSTATCOM实际值乜

的偏差，唧、k、k经过内环PI控制器调节后输出

值与前馈分量叠加作为IGBT的开关指令．这里采用

电网电压作为前馈指令．有利于提高系统的动态性能

及升压时减小对直流侧的冲击．

中郧、蜀分别为PI控制器的比例、积分系数。这样

可得到传统PI控制下电流内环的闭环传递函数：

(6)

G10)_青豢糍裔

基于双环控制器的DSTATCOM控制方法

2．1不对称系统指令电流检测方法与分裂电容均

压控制

指令电流检测环节是三相四线制DSTATCOM

控制系统的重要组成部分．对无功和不平衡电流的

实时检测精度是保证装置补偿效果的重要前提。目

前广泛采用的不对称电流检测方法．是首先检测出

负载电流的基波正序有功分量．然后将原始电流信

号减去反变换得到的基波有功分量就能够检测到正

序无功和负序不对称量的总和．并将该信号作为电流

内环的参考指令电流．检测方法如图3所示。

图3不对称系统指令电流检测方法

Detection of instructive current of

Fig．3

asymmetrical system

对于三相四线制分裂电容系统．若要实现均压

控制需在上述检测方法进行改进。如图4所示．均压

环PI控制器根据分裂电容电压差AU的正负性．产

幽5传统PI控制方法

PI control

method

Fig．5’fraditional

生一个与之方向相反的零序调节电流指令i。耐后，

进行旋转坐标反变换时不再是二维的dqlabc坐标

变换，而是通过三维的幽0／abc反变换得到包含零

序分量的abc三相指令电流。这样．经过瞬时跟踪控

制环节对零序电流进行反馈控制便能实现对分裂电

2．3双环控制方法

由于电压外环(均压环与稳压环)控制对象均为

直流分量，故传统PI控制器完全能够满足其控制要

求．而内环控制分量主要为交流分量．传统的PI控

制器无法满足稳态跟踪精度．这里需要对电流内环控

制器进行改进以提高电流内环控制精度。基于内模

原理的重复控制器[14-162．对于周期性扰动抑制效果

显著，具有很高的稳态精度。但是重复控制器是以工

频周期为步长对误差信号进行调节修正．导致动态

过程较长．动态响应较慢。而前述的PI控制方法能

够对误差进行即时响应．动态响应速度远优于重复

控制，但稳态精度不能让人满意。为了在保证电流内

环跟踪的精度同时提高系统的响应速度．本文中将

PI控制器嵌入到重复控制器内，构成双环控制器。

PI控制器作为内环，利用其快速响应性．以提高系统

动态响应速度：重复控制器作为外环．利用其抗扰动

性。以提高系统的稳态精度。由于外环只需在内环跟

踪误差的基础上逐周期进行修正．因此可以缩短调

节过程。这样既满足了控制系统的快速响应性．又

提高了系统的跟踪精度。双环控制方法如图6所示．

容的均压控制。需要指出的是：三相四线制系统中负

载多为不对称负载．故传统算法中通过abc／dq坐标

变换将三维交流变量转化为二维直流变量再进行控

制的方法不再适用．这里的瞬时电流跟踪环节采用

直接对三相交流分量进行跟踪的方式．提取负载电流

中除正序基波有功分量以外其他分量之和(一(^妇一

k))作为电流跟踪指令，装置发出电流k直接对

其跟踪补偿。

n“

图4分裂电容的均压控制

B'01ance COll Lrol of

Fig．4

split

voltage

capacitor

2．2传统PI控制方法

由图2知．电容分裂式三相四线制DSTATCOM

万方数据

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